CN107451751A - 基于可靠性的故障限流器经济性评估方法 - Google Patents

基于可靠性的故障限流器经济性评估方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于可靠性的故障限流器经济性评估方法，其特征是以全寿命周期成本理论为基础，建立兼顾可靠性的经济性评估模型，综合考虑以提高可靠性为目的投入的故障限流器成本以及可靠性提高后，***停运概率、停运范围降低带来的可靠性效益，同时考虑资金的时间价值，得到一个合理的经济性评价指标，对可靠性设备的经济性规划投入和实际工程应用具有指导意义。

Description

基于可靠性的故障限流器经济性评估方法
技术领域
本发明涉及电力***经济性评估，更具体说是涉及一种基于可靠性的故障限流器经济性评估方法。
技术背景
需求侧管理的兴起使人们的可靠性观念发生了变化。人们不再仅以供电方节省投资为目的，而开始注重投资的效益，认识到由于减少投资造成的停电损失超过节省资金的可能性，于是以用户的停电损失为基础，提出了可靠性价值。
近年来，随着经济的发展，电力行业逐渐走向市场化，社会对电力的需求和可靠性要求不断提高。提高电网的可靠性虽然增加了电网的资金投入，但可靠性的提高却可以带来隐含的经济效益，如停电损失的减少等。当可靠性投资与可靠性效益得到平衡时，从社会效益的角度，电网扩展规划达到最优。因此在复杂的电网扩展规划中，处理好经济性和可靠性的关系是一个艰巨且意义重大的课题。
柳璐在期刊《电力***自动化》(2012，36(15)：45-50)中发表的《基于全寿命周期成本的电力***经济性评估方法》中提出了电力***的三维LCC模型，考虑了***规划中的长期成本，但没有兼顾***的可靠性。张焰在期刊《电力***自动化》(1993，23(15):33-36)发表的《电网规划中的可靠性成本-效益分析研究》中同时考虑了可靠性成本和可靠性效益，并将可靠性效益用缺电成本来表示，但忽略了长期成本且没有考虑资金的时间因素。
孙树敏在期刊《电网技术》(2008(11))发表的《电力***故障限流器研究综述》中讨论了故障限流器的研究现状、主要类型以及主要技术问题，提出了要研究FCL的经济性评价指标，但没有建立一个真正的量化的经济性评估模型。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的问题，提供一种基于可靠性的故障限流器经济性评估方法，建立关于故障限流器的经济性量化评估模型，同时兼顾可靠性。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
本发明基于可靠性的故障限流器经济性评估方法的特点是：建立基于全寿命周期成本理论的含故障限流器***的经济性评估模型，所述经济性评估模型包括可靠性成本和可靠性效益；
1.1按如下方式确定可靠性成本LCC(n)：
所述可靠性成本LCC(n)是指电网规划中接入故障限流器的成本，包括故障限流器的投资成本CI、运行成本CO、维护成本CM、故障成本CF以及退役处置成本CD，并有：
n为故障限流器的使用寿命，i为当年社会的通货膨胀率，r为社会基准折现率；
所述投资成本CI为故障限流器的购置费用和安装调试费用；
所述运行成本CO和维护成本CM按投资费用的百分比进行计算，CO＝k1CI，CM＝k2CI，k1和k2是由工程经验得到的比例系数；
所述故障成本CF为：CF＝B1+B2，B1为直接故障成本，是指因停电造成的电力企业减少售电的损失；B2为间接故障成本，是指因停电造成的国民经济损失；
所述退役处置成本CD按投资费用的百分比进行计算：CD＝C1+C2＝k3CI-k4CI，C1为退役处理费用，C2为残值回收费用，k3和k4是由工程经验得到的比例系数；
1.2按如下方式确定可靠性效益：
所述可靠性效益是指故障限流器接入电网后，电网短路电流水平降低，断路器动、热稳定负担减小，从而其可靠性提高所带来的经济效益，以BT表征年可靠性效益，并有：
BT＝∑CCB×(PBF,withoutFCL-PBF,withFCL)，
PBF,withoutFCL指在接入故障限流器FCL之前断路器的年故障概率；PBF,withFCL指在接入故障限流器FCL之后断路器的年故障概率；CCB指断路器单次拒动造成的停电损失差额，是指在电力***发生故障时，相关断路器拒动造成电力***停电范围扩大所造成的停电损失差额，CCB＝(Pm2-Pm1)×LS，Pm2指当故障m发生时断路器拒动中断的负荷量，Pm1指故障m发生时断路器未拒动中断的负荷量，LS指单位负荷的停电损失；
断路器年故障概率PBF是一个条件概率，是指当断路器保护区内有故障发生时断路器的拒动概率，其中，1-e-λ指断路器保护范围内有故障发生的概率；If指实测的流过断路器的短路电流；w(If)指流过断路器短路电流的概率密度函数；PF(If)指当流过断路器的短路电流为If时的断路器的拒动概率；
1.3按式(1)计算获得基于全寿命周期成本的经济性评价指标Es：
依据所述经济性评价指标Es作出如下评估：
若Es>0，表明接入故障限流器的可靠性效益大于可靠性成本，经济性良好；
若Es<0，表明接入故障限流器的可靠性效益小于可靠性成本，经济性不理想；
若Es＝0，表明接入故障限流器的可靠性效益和可靠性成本相当，具有可行性。
本发明基于可靠性的故障限流器经济性评估方法的特点也在于：按如下方式确定断路器的拒动概率PF(If)：
若If<I0，则：PF(If)＝0，即断路器可靠动作，I0为断路器故障电流阈值下限，由断路器的电气参数决定；
若If>I1，则：PF(If)＝1，即断路器拒动，I1为断路器故障电流阈值上限，I1取为断路器的遮断电流值；
若是I0≤If≤I1，则：PF(If)＝α(If-I0)，0<α<1。
与现有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明将电力***的故障情况提取出来，比较可靠性变化前后的故障损失，在考虑经济性的基础上兼顾了可靠性。
2.本发明以全寿命周期成本理论为基础，在故障限流器的整个寿命周期内，以资金的折现率和社会通货膨胀率来体现资金的时间因素，更加合理的评价故障限流器经济性。
3、本发明在综合可靠性效益和可靠性成本的基础上，得出了故障限流器的经济性评价指标，建立了一个真正量化的经济性评估模型，对故障限流器的实际工程应用具有指导意义。
附图说明
图1是本发明中使用的断路器故障概率模型图；
图2为本发明具体实例中的电力***结构图；
具体实施方式
本实施例基于可靠性的故障限流器经济性评估方法是：建立基于全寿命周期成本理论的含故障限流器***的经济性评估模型，包括可靠性成本和可靠性效益。
本实例所采用***模型为图2所示的安徽省肥西变电站220kV侧简化***，1A、2A、1B、2B为四条220kV母线；有三台变压器分别接1A、2A和2B；2100、2200、2600、2800是母联断路器；接入一组共两台故障限流器，分别接在1A和2A、1B和2B之间；220kV侧共有四组-八回出线，简化为4个负荷，各负荷点数据如表1所示：
表1各负荷点基本数据
本实施例中按如下方式确定可靠性成本LCC(n)：
可靠性成本LCC(n)是指电网规划中接入故障限流器的成本，包括故障限流器的投资成本CI、运行成本CO、维护成本CM、故障成本CF以及退役处置成本CD，并有：
n为故障限流器的使用寿命，i为当年社会的通货膨胀率，r为社会基准折现率；
投资成本CI为故障限流器的购置费用和安装调试费用；
运行成本CO和维护成本CM按投资费用的百分比进行计算，CO＝k1CI，CM＝k2CI，k1和k2是由工程经验得到的比例系数；
故障成本CF为：CF＝B1+B2，B1为直接故障成本，是指因停电造成的电力企业减少售电的损失；B2为间接故障成本，是指因停电造成的国民经济损失；
退役处置成本CD按投资费用的百分比进行计算：CD＝C1+C2＝k3CI-k4CI，C1为退役处理费用，C2为残值回收费用，k3和k4是由工程经验得到的比例系数；
加装FCL的目的是为了限制短路电流水平，提高电力***的运行可靠性。因此在对于含FCL的电力***经济性评估中，故障限流器的全寿命周期成本即为可靠性成本。
一套FCL设备购置成本为3000万元；使用寿命为30年；运行成本、维护成本、退役设备处理费用分别近似为设备投资总额的1％、2％；残值回收率为5％；FCL可靠性高，年故障率为0.1，且故障后对***供电可靠性影响很小，不会造成停运情况，故障成本视为单次故障校正成本，其为5万元/次；全寿命周期成本数据如表2所示：
表2 FCL全寿命周期成本分解表
购置费用是发生在寿命周期初的一次性费用；运行、维护费用以及故障费用是整个寿命周期内每年都会发生的经常费用；退役处理费用和残值回收费用是发生在寿命周期末的一次性费用。基于资金的时间价值，将所有费用折算到寿命周期初，得到的全寿命周期成本即可靠性成本LCC(30)为3477.1万元。
本实施例中按如下方式确定可靠性效益：
可靠性效益是指故障限流器接入电网后，电网短路电流水平降低，断路器动、热稳定负担减小，从而其可靠性提高所带来的经济效益，以BT表征年可靠性效益，并有：
BT＝∑CCB×(PBF,withoutFCL-PBF,withFCL)
PBF,withoutFCL指在接入故障限流器FCL之前断路器的年故障概率；PBF,withFCL指在接入故障限流器FCL之后断路器的年故障概率；CCB指断路器单次拒动造成的停电损失差额，是指在电力***发生故障时，相关断路器拒动造成电力***停电范围扩大所造成的停电损失差额，CCB＝(Pm2-Pm1)×LS，Pm2指当故障m发生时断路器拒动中断的负荷量，Pm1指故障m发生时断路器未拒动中断的负荷量，LS指单位负荷的停电损失，LS包含两个部分，一部分是供电公司损失，取决于供电公司的售电电价；另一部分是电力用户损失，取决于负荷类型与停电时间。本实例电力用户的单位负荷损失采用一个综合负荷停电函数表，该表充分考虑全国城市基本负荷比例和各负荷停电损失函数，如表3所示：
表3综合函数停电损失表
停电时间 30S 1min 20min 1h 2h 4h 8h
停电损失(元/kW·h) 18.22 18.9 38.83 75 118.31 209.84 352.4
断路器年故障概率PBF是一个条件概率，是指当断路器保护区内有故障发生时断路器的拒动概率，其中，1-e-λ指断路器保护范围内有故障发生的概率；If指实测的流过断路器的短路电流；w(If)指流过断路器短路电流的概率密度函数；PF(If)指当流过断路器的短路电流为If时的断路器的拒动概率。
具体实施中，按如下方式确定断路器的拒动概率PF(If)：
若If<I0，则：PF(If)＝0，即断路器可靠动作，I0为断路器故障电流阈值下限，由断路器的电气参数决定；
若If>I1，则：PF(If)＝1，即断路器拒动，I1为断路器故障电流阈值上限，I1取为断路器的遮断电流值；
若是I0≤If≤I1，则：PF(If)＝α(If-I0)，0<α<1，此时，断路器拒动概率PF(If)与短路时流过断路器的故障电流If之间为一次函数关系，如图1所示。当If＝I1时，PF(If)＝1，此为α值的计算方法。
本实例中，考虑的是母线故障时母联断路器是否可以可靠动作。实际的PBF计算公式为：PBFi＝f×PFi，其中f为母线的年故障率，取全国230kV母线平均故障水平，年故障率为1.3％，PFi指母联断路器i在母线故障时的拒动概率。母联断路器的拒动概率在FCL接入前后的变化情况如表4所示：
表4母联断路器拒动概率变化情况
以安徽省肥西2A母线为例分析停运情况，故障时，继电保护动作断开2200、2600断路器，此时由三号主变和四号主变共同为肥西1A、1B、2B三条母线供电，其中肥云、肥莲出线为单回路供电。若主保护动作时2200断路器发生拒动，则由后备保护动作断开2800，此时由三号主变单独为所有出线供电，三号主变压器的容量为1000MVA，而肥西变电站接的总负荷为1613.2MW，所以三号主变将严重过载，不能正常供电，造成肥西所有出线短时停电。当变电站的投切机制完成变压器和出线的投切后，供电恢复，倒闸操作的时间为2h。FCL接入前肥变电站所连负荷的停运情况如表5所示：
表5可靠性数据表
假设肥西变电站负荷的年增长率为5％，售电电价为0.6元/kW。折现率为8％，通货膨胀率为3％。比较FCL接入前后的故障损失费用，得到在FCL整个寿命周期30年的可靠性效益，所有数据均归算到2020年，如表6所示，综合30年的可靠性效益，折算到2020年得到的值为54328968元。
表6可靠性效益表
按式(1)计算获得基于全寿命周期成本的经济性评价指标Es：
依据所述经济性评价指标Es作出如下评估：
若Es>0，表明接入故障限流器的可靠性效益大于可靠性成本，经济性良好；
若Es<0，表明接入故障限流器的可靠性效益小于可靠性成本，经济性不理想；
若Es＝0，表明接入故障限流器的可靠性效益和可靠性成本相当，具有可行性。
本实施例中将所有费用折算到2020年得到经济性评价指标的值为：
Es＝5432.8968-2×3477.1＝-15322.3万元。其Es为负值，在FCL30年的寿命周期内经济性不是很理想。
本发明为故障限流器建立一个量化的经济性评估模型，为故障限流器的实际工程应用提供一个理论指导。

Claims (2)

1.一种基于可靠性的故障限流器经济性评估方法，其特征是：建立基于全寿命周期成本理论的含故障限流器***的经济性评估模型，所述经济性评估模型包括可靠性成本和可靠性效益；
1.1按如下方式确定可靠性成本LCC(n)：
所述可靠性成本LCC(n)是指电网规划中接入故障限流器的成本，包括故障限流器的投资成本CI、运行成本CO、维护成本CM、故障成本CF以及退役处置成本CD，并有：
<mrow> <msub> <mi>LCC</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mi>C</mi> <mi>I</mi> <mo>+</mo> <mi>C</mi> <mi>D</mi> <mo>&amp;times;</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mi>i</mi> </mrow> <mrow> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mi>r</mi> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mi>n</mi> </msup> <mo>+</mo> <msubsup> <mi>&amp;Sigma;</mi> <mrow> <mi>j</mi> <mo>=</mo> <mn>0</mn> </mrow> <mi>n</mi> </msubsup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>C</mi> <mi>O</mi> <mo>+</mo> <mi>C</mi> <mi>F</mi> <mo>+</mo> <mi>C</mi> <mi>M</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;times;</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mi>i</mi> </mrow> <mrow> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mi>r</mi> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mi>j</mi> </msup> <mo>,</mo> </mrow>
n为故障限流器的使用寿命，i为当年社会的通货膨胀率，r为社会基准折现率；
所述投资成本CI为故障限流器的购置费用和安装调试费用；
所述运行成本CO和维护成本CM按投资费用的百分比进行计算，CO＝k1CI，CM＝k2CI，k1和k2是由工程经验得到的比例系数；
所述故障成本CF为：CF＝B1+B2，B1为直接故障成本，是指因停电造成的电力企业减少售电的损失；B2为间接故障成本，是指因停电造成的国民经济损失；
所述退役处置成本CD按投资费用的百分比进行计算：CD＝C1+C2＝k3CI-k4CI，C1为退役处理费用，C2为残值回收费用，k3和k4是由工程经验得到的比例系数；
1.2按如下方式确定可靠性效益：
所述可靠性效益是指故障限流器接入电网后，电网短路电流水平降低，断路器动、热稳定负担减小，从而其可靠性提高所带来的经济效益，以BT表征年可靠性效益，并有：
BT＝∑CCB×(PBF,withoutFCL-PBF,withFCL)，
PBF,withoutFCL指在接入故障限流器FCL之前断路器的年故障概率；PBF,withFCL指在接入故障限流器FCL之后断路器的年故障概率；CCB指断路器单次拒动造成的停电损失差额，是指在电力***发生故障时，相关断路器拒动造成电力***停电范围扩大所造成的停电损失差额，CCB＝(Pm2-Pm1)×LS，Pm2指当故障m发生时断路器拒动中断的负荷量，Pm1指故障m发生时断路器未拒动中断的负荷量，LS指单位负荷的停电损失；
断路器年故障概率PBF是一个条件概率，是指当断路器保护区内有故障发生时断路器的拒动概率，PBF＝(1-e-λ)∑Ifw(If)PF(If)，其中，1-e-λ指断路器保护范围内有故障发生的概率；If指实测的流过断路器的短路电流；w(If)指流过断路器短路电流的概率密度函数；PF(If)指当流过断路器的短路电流为If时的断路器的拒动概率；
1.3按式(1)计算获得基于全寿命周期成本的经济性评价指标Es：
<mrow> <msub> <mi>E</mi> <mi>s</mi> </msub> <mo>=</mo> <msubsup> <mi>&amp;Sigma;</mi> <mrow> <mi>j</mi> <mo>=</mo> <mn>0</mn> </mrow> <mi>n</mi> </msubsup> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>B</mi> <mi>T</mi> </msub> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mi>j</mi> </msup> </mrow> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mi>r</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mi>j</mi> </msup> </mfrac> <mo>-</mo> <msub> <mi>LCC</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>,</mo> </mrow>
依据所述经济性评价指标Es作出如下评估：
若Es>0，表明接入故障限流器的可靠性效益大于可靠性成本，经济性良好；
若Es<0，表明接入故障限流器的可靠性效益小于可靠性成本，经济性不理想；
若Es＝0，表明接入故障限流器的可靠性效益和可靠性成本相当，具有可行性。
2.根据权利要求1所述的基于可靠性的故障限流器经济性评估方法，其特征是：按如下方式确定断路器的拒动概率PF(If)：
若If<I0，则：PF(If)＝0，即断路器可靠动作，I0为断路器故障电流阈值下限，由断路器的电气参数决定；
若If>I1，则：PF(If)＝1，即断路器拒动，I1为断路器故障电流阈值上限，I1取为断路器的遮断电流值；
若是I0≤If≤I1，则：PF(If)＝α(If-I0)，0<α<1。
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