配電網(wǎng)是電力系統(tǒng)中承上啟下的重要環(huán)節(jié)，隨著分布式電源日益增多，其作用愈加關(guān)鍵。配電設(shè)備一直存在點(diǎn)多面廣、運(yùn)檢難度大、運(yùn)檢人員相對(duì)較少的特點(diǎn)。在電網(wǎng)公司越來(lái)越重視提質(zhì)增效的背景下，配電設(shè)備的投資回報(bào)受到了有關(guān)人士更多的關(guān)注。

生命周期管理（life cycle management, LCM）以提升整體績(jī)效為目標(biāo)，適用于配電設(shè)備的管理。國(guó)內(nèi)外在配電設(shè)備生命周管理方面進(jìn)行了很多研究，并且隨著市場(chǎng)和技術(shù)進(jìn)步而深。本文通過(guò)分解配電設(shè)備的成本及收益，計(jì)算配電設(shè)備的生命周期成本，定量地評(píng)估配電設(shè)備的投資回報(bào)，指導(dǎo)配電設(shè)備的選型、技術(shù)要求和運(yùn)行維護(hù)管理等。

1生命周期理論

有學(xué)者將LCM描述為一種應(yīng)用于工業(yè)和服務(wù)業(yè)的管理概念，旨在改善產(chǎn)品和服務(wù)，同時(shí)增強(qiáng)企業(yè)及其價(jià)值鏈的整體可持續(xù)發(fā)展。

一般可將生命周期分為前期（beginning of life, BOL）、中期（middle of life, MOL）和末期（end of life, EOL）。生命周期的前期主要包括設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，中期主要包括使用和維護(hù)，而末期則涉及回收再利用和廢物處理等。

具體到某個(gè)產(chǎn)品，產(chǎn)品全生命周期管理（product lifecycle management, PLM）是指管理產(chǎn)品從需求、規(guī)劃、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、經(jīng)銷(xiāo)、運(yùn)行、使用、維修保養(yǎng)直到回收再用處置的全生命周期中的信息與過(guò)程。

電力設(shè)備在項(xiàng)目中的生命周期各個(gè)階段見(jiàn)表1。對(duì)于某項(xiàng)目而言，生命周期的前期還包括定制化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。電力設(shè)備生命的中期是設(shè)備生命周期跨度最長(zhǎng)的部分，也是項(xiàng)目整個(gè)生命周期時(shí)間最長(zhǎng)的部分。

一般情況下，項(xiàng)目的生命周期末期和電力設(shè)備的生命周期末期并不一致，以電力二次設(shè)備為例，其生命周期一般小于15年，而項(xiàng)目生命周期一般大于30年，在項(xiàng)目的整個(gè)生命周期中，一般會(huì)包括多個(gè)設(shè)備的生命周期。為方便表示，表1描述的是一個(gè)特例，即項(xiàng)目生命周期等于設(shè)備生命周期。

表1 電力設(shè)備在項(xiàng)目中的生命周期

設(shè)備的生命周期管理是資產(chǎn)管理的重要組成部分。有學(xué)者在研究中指出，資產(chǎn)管理卓越是實(shí)現(xiàn)最佳解決方案的性能、風(fēng)險(xiǎn)和成本之間的平衡。不同設(shè)備類(lèi)型對(duì)于資產(chǎn)管理的需求是有差異的。

以基礎(chǔ)設(shè)施為例，其對(duì)資產(chǎn)管理的需求集中在：①按地理位置顯示資產(chǎn)層次結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)；②折舊和維護(hù)預(yù)測(cè)重點(diǎn)。從全生命周期角度評(píng)估資產(chǎn)管理的成效，可以更清晰地識(shí)別設(shè)備從采購(gòu)到退役的整體花費(fèi)，而非只簡(jiǎn)單關(guān)注設(shè)備價(jià)格。

有學(xué)者對(duì)資產(chǎn)管理各個(gè)環(huán)節(jié)的流程進(jìn)行了詳盡的介紹。有學(xué)者研究了一種基于圖數(shù)據(jù)庫(kù)的電力設(shè)備全生命周期管理系統(tǒng)。

國(guó)內(nèi)外在生命周期管理以及電力設(shè)備的生命周期管理方面已經(jīng)進(jìn)行了較多研究，但針對(duì)配電設(shè)備的研究還有待繼續(xù)完善。本文重點(diǎn)研究配電設(shè)備的整體性能以及采用數(shù)字化技術(shù)改善性能的生命周期成本，從投資回報(bào)的角度分析配電設(shè)備生命周期管理，為配電設(shè)備數(shù)字化配置提供量化的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指導(dǎo)。

2 配電設(shè)備生命周期管理的關(guān)鍵問(wèn)題

隨著分布式發(fā)電、儲(chǔ)能、電力電子等技術(shù)的發(fā)展，電力系統(tǒng)的形態(tài)已經(jīng)發(fā)生了深刻的變化。分布式電源（包括儲(chǔ)能）的增加，使得連接傳統(tǒng)輸電網(wǎng)、負(fù)荷以及新的分布式電源的配網(wǎng)變得更加重要。

作為配電系統(tǒng)的重要組成部分，配電設(shè)備的品質(zhì)是配電系統(tǒng)性能的關(guān)鍵影響因素。從全生命周期管理的角度，配電設(shè)備比以往更加重視對(duì)于整體供電質(zhì)量的貢獻(xiàn)，更加重視設(shè)備自身的運(yùn)行和維護(hù)，也更加重視全生命周期成本。

01 配電設(shè)備對(duì)供電可靠性的影響

電力設(shè)備的目標(biāo)之一是對(duì)電力系統(tǒng)的整體供電質(zhì)量有幫助。電力系統(tǒng)的供電質(zhì)量有兩個(gè)方面是比較關(guān)鍵的，一個(gè)是供電可靠性，另一個(gè)是電能質(zhì)量。這兩點(diǎn)也是定制電力的主要部分。電力系統(tǒng)的關(guān)鍵需求之一是供電可靠性（或者供電連續(xù)性）。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)給出了系統(tǒng)平均停電可靠率的計(jì)算。

對(duì)某負(fù)荷點(diǎn)，供電可靠率的計(jì)算如上。

從式（3）可以看出，電力設(shè)備的可用率與平均停電小時(shí)數(shù)直接相關(guān)，選擇高品質(zhì)的電力設(shè)備可以直接減少停電頻率。而故障恢復(fù)時(shí)間則與配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及自動(dòng)化技術(shù)相關(guān)。

如果配電網(wǎng)具有冗余的結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)供電的容量，那么在配電自動(dòng)化技術(shù)的支持下，就可以完成故障定位、隔離和負(fù)荷轉(zhuǎn)供，從而減小停電范圍，縮短故障后恢復(fù)供電所需時(shí)間。

供電可靠性的提升需要配電網(wǎng)及配電設(shè)備的投入。以配電網(wǎng)為例，增加配電網(wǎng)的分段和遙控開(kāi)關(guān)可以為配電自動(dòng)化奠定故障自動(dòng)恢復(fù)處理的基礎(chǔ)，但同時(shí)會(huì)增加配電設(shè)備的資金成本。根據(jù)負(fù)荷重要程度，即停電損失的程度，可以計(jì)算出投入產(chǎn)出比最高的遙控開(kāi)關(guān)的數(shù)量。

02 配電設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)

配電系統(tǒng)的平均年停電時(shí)間除了平均年故障停電時(shí)間，還有平均年預(yù)安排停電時(shí)間，具體計(jì)算如式（4）所示。而平均年預(yù)安排停電時(shí)間是配電設(shè)施預(yù)安排停運(yùn)率及其恢復(fù)供電時(shí)間的乘積和。有學(xué)者分析了減少客戶(hù)預(yù)安排停電時(shí)間的方法，包括開(kāi)展帶電作業(yè)、優(yōu)化停電計(jì)劃和作業(yè)等。

設(shè)備的預(yù)期壽命和可靠性往往會(huì)受到多種因素的影響，如環(huán)境條件（溫度、空氣污染、通風(fēng)情況等）、生產(chǎn)工藝環(huán)境（震動(dòng)、沖擊性負(fù)載等）、運(yùn)維管理狀況（巡檢、維護(hù)質(zhì)量等）。運(yùn)用先進(jìn)的設(shè)備維護(hù)可以改善設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，減少預(yù)安排停電時(shí)間，甚至延長(zhǎng)設(shè)備的壽命。

有學(xué)者對(duì)維護(hù)類(lèi)型進(jìn)行了定義。在固有可靠性特征沒(méi)有變化的情況下，故障前進(jìn)行的維護(hù)是預(yù)防性維護(hù)，故障后進(jìn)行的維護(hù)是矯正性維護(hù)（或事故后維修）。在預(yù)防性維護(hù)中，如果對(duì)狀態(tài)有監(jiān)測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)基于狀態(tài)的維護(hù)。進(jìn)而，如果對(duì)狀態(tài)劣化的發(fā)展有預(yù)測(cè)，就可以實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性維護(hù)。

預(yù)測(cè)性維護(hù)是利用先進(jìn)的傳感器和儀表技術(shù)，以及這些技術(shù)所提供的持續(xù)分析的功能來(lái)對(duì)設(shè)備進(jìn)行的狀態(tài)維護(hù)。它代表著“及時(shí)”（just-in-time）原則在預(yù)防性維護(hù)中的應(yīng)用。預(yù)測(cè)性維護(hù)可以減少（但并非完全取消）周期性的維護(hù)活動(dòng)。

后者要求按照固定時(shí)間間隔進(jìn)行停電檢修，且不得少于嚴(yán)格規(guī)定的最低標(biāo)準(zhǔn)。從被動(dòng)響應(yīng)式維護(hù)到預(yù)防性維護(hù)，再到預(yù)測(cè)性維護(hù)，代表著維護(hù)能力更加成熟，同時(shí)其投入的成本也從低到高。采用哪種維護(hù)類(lèi)型，與負(fù)荷的關(guān)鍵程度密切相關(guān)。對(duì)于醫(yī)療、金融、電子等重要負(fù)荷，先進(jìn)的維護(hù)會(huì)具備更高的性?xún)r(jià)比。

03 配電設(shè)備的生命周期成本

設(shè)備的生命周期成本（life-cycle cost, LCC）[16]是指一個(gè)項(xiàng)目或系統(tǒng)在整個(gè)生命周期內(nèi)所需要的總費(fèi)用。設(shè)備生命周期成本既包括購(gòu)置成本（capital expenditure，CAPEX），也包括運(yùn)營(yíng)成本（operational expenditure, OPEX），而后者在設(shè)備的整個(gè)生命周期成本中占比更大，往往是設(shè)備購(gòu)置成本的數(shù)倍。

配電設(shè)備的生命周期成本主要由購(gòu)置成本（記作CAPEX1）、可能的升級(jí)改造成本（記作CAPEX2）、運(yùn)行成本（記作OPEX1）、設(shè)備故障停電引起的電量損失成本（記作OPEX2）、故障停電引起的用戶(hù)損失成本（記作OPEX3）、檢修成本（記作OPEX4）、檢修停電引起的電量損失成本（記作OPEX5）、改造/升級(jí)成本（記作CAPEX2）以及退役成本等組成，見(jiàn)表2。CAPEX和OPEX合在一起，稱(chēng)為總擁有成本（total cost of ownership, TCO）。

表2 生命周期成本的組成部分

其中，OPEX3用于表示配電設(shè)備故障停電引起的商業(yè)、生產(chǎn)過(guò)程等的損失。該成本可以引用行業(yè)統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)，例如對(duì)用于商業(yè)樓宇的配電設(shè)備，根據(jù)2017年我國(guó)一些典型的商業(yè)坪效數(shù)據(jù)，購(gòu)物中心的平均坪效為1500～2500元/(月?m2)，配電配比為0.1kW/m2，配置系統(tǒng)為0.8，則每電度停電引起的用戶(hù)損失約為35元/kW.h。

綜上所述，在配電設(shè)備的全生命周期采用高品質(zhì)的配電設(shè)備及配電自動(dòng)化可以提高供電可靠性，采用先進(jìn)的維護(hù)技術(shù)可以提高配電設(shè)備的維護(hù)水平，而綜合考慮配電設(shè)備的生命周期成本與設(shè)備對(duì)于整體性能的貢獻(xiàn)，可以在成本和性能之間找到更好的平衡點(diǎn)。

3 配電設(shè)備數(shù)字化的生命周期成本分析

隨著配電技術(shù)的發(fā)展，配電設(shè)備在產(chǎn)品可靠性、數(shù)字化等方面的研發(fā)和應(yīng)用都取得了豐碩的成果，如圖1所示。配電設(shè)備的數(shù)字化有3個(gè)主要方面：

①配電自動(dòng)化的支撐技術(shù)，包括配電設(shè)備運(yùn)行控制相關(guān)的遙測(cè)、遙信和遙控能力，由電壓/電流互感器（或者傳感器）、電動(dòng)操作、保護(hù)控制設(shè)備等組成，在邊緣層通過(guò)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制（supervisory control and data acquisition, SCADA）系統(tǒng)、配電終端、臺(tái)區(qū)終端等形成邊緣計(jì)算能力，并且能接入配電主站實(shí)現(xiàn)配電自動(dòng)化功能；

②資產(chǎn)管理的支撐技術(shù)，包括配電設(shè)備維護(hù)相關(guān)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)能力，由關(guān)鍵狀態(tài)信息的傳感器等組成，在邊緣通過(guò)主動(dòng)運(yùn)維單元等形成就地的設(shè)備健康狀況分析和預(yù)警，并且能接入生產(chǎn)管理系統(tǒng)或者物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)資產(chǎn)管理功能；

③綜合能源服務(wù)的支撐，例如微電網(wǎng)監(jiān)控和能量調(diào)度系統(tǒng)。

圖1 配電設(shè)備的數(shù)字化

配電設(shè)備的數(shù)字化使得設(shè)備具備了全局感知能力，使運(yùn)維人員不僅可以獲得系統(tǒng)的電氣量信息，而且可以獲得設(shè)備的健康狀態(tài)信息。這些信息可以?xún)?yōu)化系統(tǒng)或設(shè)備的運(yùn)行和維護(hù)，提高系統(tǒng)的可靠性，減少年平均停電時(shí)間。

當(dāng)然，高品質(zhì)配電設(shè)備及其數(shù)字化是有成本的，對(duì)于配電設(shè)備的數(shù)字化是否具有經(jīng)濟(jì)性這一問(wèn)題，通過(guò)生命周期成本的計(jì)算可以給出一個(gè)定量的判斷依據(jù)。

以有關(guān)研究文獻(xiàn)中10kV開(kāi)關(guān)站典型設(shè)計(jì)KB-1為例，單母線(xiàn)分段，2進(jìn)線(xiàn)，12饋線(xiàn)，開(kāi)關(guān)設(shè)備選用金屬鎧裝移開(kāi)式。饋線(xiàn)容量為1000kVA，負(fù)載率為30%。居民電價(jià)按照0.488元/kW.h，商業(yè)電價(jià)按照工商業(yè)電價(jià)的平價(jià)0.7697元/kW.h。

在設(shè)備數(shù)字化前，供電可靠率按照2018年全國(guó)除計(jì)劃單列市、副省級(jí)市外的各地級(jí)行政區(qū)用戶(hù)平均停電時(shí)間為16.16h/戶(hù)、年運(yùn)維成本按照設(shè)備成本的5%考慮，檢修時(shí)長(zhǎng)假設(shè)為40h。

在數(shù)字化后，供電可靠率按照雙電源自動(dòng)切換計(jì)算，維護(hù)時(shí)長(zhǎng)的減少按照狀態(tài)監(jiān)測(cè)覆蓋的缺陷類(lèi)型估計(jì)（全面采用溫度、局放、結(jié)構(gòu)電氣元件等狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)，約覆蓋83.2%的主要缺陷）。在計(jì)算中，OPEX按照年均成本計(jì)算，而CAPEX按照等年值計(jì)算。退役成本在本次計(jì)算中未作計(jì)算。

表3 10kV開(kāi)關(guān)站數(shù)字化的LCC分析

從表3可以看出，對(duì)于一個(gè)開(kāi)關(guān)站，設(shè)備數(shù)字化總體的投資回報(bào)是正的。在年均成本節(jié)約中，年均故障引起的停電損失占主要部分，這反映出配電自動(dòng)化技術(shù)的重要性。負(fù)荷類(lèi)型是影響投資回報(bào)計(jì)算的重要因素，因?yàn)楣收贤ｋ姷膿p失占比較大，負(fù)荷越重要，則停電損失占比越大。重要負(fù)荷的數(shù)字化投資回報(bào)會(huì)更快。

為進(jìn)一步評(píng)估不同狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)的性?xún)r(jià)比，本文基于居民電價(jià)對(duì)不同的狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了對(duì)比，見(jiàn)表4。

表4 狀態(tài)監(jiān)測(cè)的LCC分析

結(jié)果顯示，根據(jù)文獻(xiàn)提供的配電設(shè)備缺陷比例的數(shù)據(jù)，不同狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性差異比較大，其中溫度和機(jī)構(gòu)電氣元件狀態(tài)監(jiān)測(cè)的性?xún)r(jià)比較高。結(jié)合表3的結(jié)果，測(cè)溫和機(jī)構(gòu)電氣元件狀態(tài)監(jiān)測(cè)的投資回報(bào)超過(guò)了設(shè)備數(shù)字化的平均投資回報(bào)水平。

需要注意的是，本文的計(jì)算結(jié)果基于狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)檢出率和有效性為100%的理想狀態(tài)，具體的設(shè)備其效果會(huì)有所差異。另外，投資回報(bào)差異主要是受狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)的成本影響。隨著狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展，成本逐漸降低，經(jīng)濟(jì)性會(huì)有所提高。

4 結(jié)論

電力公司正在進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)型，同時(shí)越來(lái)越重視投資的效益。配電設(shè)備在電力公司中是數(shù)量最多的設(shè)備，配電設(shè)備的生命周期成本對(duì)于電力公司管控投資、提高收益是非常重要的。

本文探討了配電設(shè)備的生命周期管理，通過(guò)對(duì)生命周期成本的分解可知，配電設(shè)備數(shù)字化的生命周期成本是可以量化計(jì)算的。

該分析可以為電力公司選擇收益更好的配電設(shè)備以及配電設(shè)備的數(shù)字化功能提供指導(dǎo)。配電設(shè)備的生命周期成本分析可以進(jìn)一步細(xì)化到具體的用戶(hù)類(lèi)型、負(fù)荷類(lèi)型以及電力質(zhì)量需求，從而計(jì)算配電系統(tǒng)及配電設(shè)備數(shù)字化的最優(yōu)配置，為最終用戶(hù)提供高性?xún)r(jià)比的定制電力。

本文編自2020年第12期《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“配電設(shè)備生命周期管理研究”，作者為王照、劉浩。