基于全壽命周期的配電自動化工程經濟效益評估

謝義苗，張忠會

(1. 國網上饒供電公司，江西 上饒 334000；2. 南昌大學 信息工程學院，南昌 330031)

?

基于全壽命周期的配電自動化工程經濟效益評估

謝義苗1，張忠會2

(1. 國網上饒供電公司，江西 上饒 334000；2. 南昌大學 信息工程學院，南昌 330031)

為更加科學合理地對配電自動化工程經濟效益進行評估，提出基于全壽命周期理論，考慮配電自動化工程整個壽命周期內的初始投入成本、運行成本、故障損失成本和設備退役處置成本，對配電自動化工程的經濟、管理和社會三方面的效益進行了量化，構建了配電自動化工程成效經濟評價指標，定義了相應的評價模型。以某自動化實施區配電自動化試點工程為例進行系統、客觀評價和靈敏度分析，為今后配電自動化工程試點的建設提供決策依據。

全壽命周期；靈敏度分析；配電自動化；經濟效益

自2009年國家電網啟動配電自動化試點工作，已超過30多個城市配電自動化通過國家電網公司驗收。配電自動化試點工程的成功，說明我國在配電管理和技術水平方面有了長足進步，為進一步建設智能電網夯實了基礎。因此，為進一步推動配電網改造升級，提升配電網運行管理水平，對配電自動化建設成效進行合理評價，具有重要意義[1-2]。

近年來國內學者主要從可靠性方面對配電自動化的效益進行了分析，文獻[3，4]較早地從可靠性角度分析了配電自動化的經濟效益；文獻[5] 則介紹了20世紀90年代我國的配電自動化工程特點，并結合具體的停電損失，對配電自動化進行了綜合性的經濟評估；文獻[6，7]通過正態云理論，結合可靠性理論，定義多個評價指標對配電自動化改造方案進行了經濟性評估；文獻[8] 對傳統的配電可靠性方法進行修正，建立配電自動化可靠性評估模型，通過成本效益法，分析了配電自動化的經濟效益；文獻[1，9]提出要對配電自動化工程進行社會經濟定性分析，但并無具體量化方法。

這些文獻對配電自動化的效益評估側重單個設備的局部效益，對自動化工程長期的時間因素考慮不足，本文基于全壽命周期理論，考慮配電自動化工程整個壽命周期內的初始投入成本、運行成本、故障損失成本和設備退役處置成本，對配電自動化工程的經濟、管理和社會三方面的效益進行了量化，構建了配電自動化工程經濟評估指標，定義了相應的評價模型，對某自動化實施區配電自動化試點工程進行系統、客觀評價和靈敏度分析，為今后配電自動化工程試點的建設提供決策依據。

1 全壽命周期理論

國際電工委員會(IEC60300-3-3)將設備的壽命周期分為4個階段：最原始的設計與開發階段、制造安裝等準備階段、運行維護等實際投入運行階段以及產品最后報廢階段。根據IEC60300-3-3對設備全壽命周期的分析，設備在其整個壽命期間所消耗的總成本，稱為設備全壽命周期成本(Life Cycle Cost，簡稱LCC)。本文應用全壽命周期理論的思想對配電自動化試點工程進行整個全壽命期間內成本的分析與決策。

2 配電自動化全壽命周期成效分析

2.1 配電自動化全壽命成本分析

配電自動化全壽命周期內的成本包含配電自動化試點工程所有設備的初始購置成本、運行成本、設備運行故障成本、設備報廢費用，則配電自動化試點工程全壽命周期成本LCC公式為：

LCC=C1+C2+C3+C4

(1)

式中C1——配電自動化試點所有設備的初始購置成本；

C2——配電自動化試點工程的運行成本；C3——配電自動化工程中的設備運行故障成本；

C4——配電自動化試點工程設備報廢費用。

(1)配電自動化試點工程全壽命周期內設備購置成本C1為：

C1=C主站+C通信+C一次網架改造+C配電終端+C自動化機房

(2)

式中C主站——配電自動化工程主站投資；

C通信——通信系統及相應的通信終端投資；

C一次網架改造——自動化建設所需的一次網架及設備投資；

C配電終端——配電終端投資；

C自動化機房——配電自動化機房投資。

其中配電自動化通信投資C通信為

C通信=C通信系統+C通信終端+C通信光纖+C無線公網+C通信電源

(3)

式中C通信系統——配電自動化通信系統建設投資；

C通信終端——通信終端建設投資；C通信光纖——配電終端信息采集通信光纖投資；

C無線公網——配電終端信息采集無線公網投資；

C通信電源——通信電源投資。

其中配電終端投資C通信終端為

C配電終端=CDTU+CFTU+CTTU

(4)

式中CDTU——環網柜站所終端投資；

CFTU——饋線柱上開關終端投資；

CTTU——配變終端投資。

(2)配電自動化試點工程全壽命周期內運行成本C2為：

C2=C1×λ運行

(5)

式中λ運行——配電自動化工程全壽命周期內年運行成本系數。

(3)配電自動化工程中的設備運行故障成本C3為

(6)

式中EENSi——第i個設備故障引起的缺電負荷；

Ti——第i個設備故障中斷供電時間；

μ——售電價格；

f——故障設備總和。

(4)配電自動化試點工程設備報廢費用C4為

C4=C1×λ報廢

(7)

式中λ報廢——自動化工程設備由于設備退役所造成的搬運、儲存損失系數。

2.2 配電自動化全壽命效益分析

為合理反映配電自動化建設帶來的經濟效益，某自動化實施區運用全壽命周期管理理論，采用投入產出比作為試點工程效益的評價指標，并通過敏感性分析對配電自動化效益的影響因素進行分析。某自動化實施區進行配電自動化效益可以從經濟、管理和社會三方面進行評價，如圖1所示。

圖1 配電自動化成效分析圖

2.2.1 經濟效益

實現配電網自動化，供電部門在增加一定投入的同時，也可通過得到可觀的經濟效益。通過配電自動化建設可提高配網供電能力，增加系統的可靠性，縮短人員查找和處理故障的時間，節省人力、物力，提高工效和電網運行穩定性。在用戶不變的情況下最大限度地提高了售電量，增加經濟效益。

(1)節約企業成本

1)節約操作成本

配電自動化工程可以實現故障自動隔離并恢復供電，可節約平常因故障所需出車次數及減少相應的車輛、工具的配備與日常維護。配電自動化年節約現場操作成本R操作效益：

R操作=C量測×N量測次數×M

(8)

式中C量測——每條線路負荷量測成本；

N量測次數——每年每條線路開展負荷量測次數；

M——裝設了配電自動化的總條數。

按照某市實際情況，單條線路開展負荷量測平均時間為3天，按照費用300/天，每條線路每年量測5次計算，共66條線路裝設配電自動化，每年共節約日常現場操作成本29.7萬元。

2)減少故障檢測成本

配電自動化工程可以實現故障自動定位與隔離，故可減少查找故障所需的車輛及人力成本，配電自動化減少故障檢測成本R檢測效益為

R檢測=C檢測成本×N故障次數×M

(9)

式中C檢測成本——每條線路故障檢測成本；

N故障次數——每年每條線路每年因配電自動化可減少的故障檢測次數。

按照某市實際情況，單條線路故障檢測成本按照500元/條，故障檢測減少次數按照每條線路5次計算，每年減少故障現場檢測成本16.5萬元。

3)節約人力成本

由于配電自動化的建設，對于現場維護所需的人員降低。故配電自動化建設可節約的年人力成本R人力效益為

(10)

式中C人力成本——每個員工的年收入；

N運維——配電自動化實施前所需的配電運維人數；

按照某市實際情況，配電自動化實施前運維人數按照100人，自動化實施后按照40人，人力成本按照每年10萬元計算，配電自動化建設節省日常運維人力成本600萬元。

4)降低線損率

配電自動化的建設，對線路進行監測，可及時發現偷電現象，通過監測線路負載率，調整運行方式，可降低線路的線損率。配電自動化年降損收益R線損為

R線損=μ×P電量×(Lo-Lo′)

(11)

式中P電量——配電自動化實施區電量；

Lo——配電自動化實施前線損率；

Lo′——配電自動化實施后線損率；

μ——售電價格。

按照區域內線損率由4.08%降至3.98%，按照區域內售電量7億kWh，綜合電價0.6元/kWh計，則實施配電自動化一年降低線路損耗帶來的經濟效益為42萬元。

5)緩解電網一次投資

配電自動化建設，通過監測線路負載率，調整運行方式，優化潮流分布，可充分利用現有設備，緩解一次網架及設備的建設投資，每年節約資金收益為

R投資=C投資×λ利率×λ貸款率

(12)

式中C投資——配電自動化實施區每年配電網投資金額；

λ利率——銀行貸款利率，λ貸款率——貸款金額占總金額的比例。

按照區域內每年配電網投資0.6億元，銀行利率4.9%，向銀行貸款80%，則實施配電自動化一年可少向銀行繳納235.2萬元利息。

(2)增加企業經濟效益

通過配電自動化技術，可縮小停電范圍和停電時間，故每年可為企業增加售電量

R增售電=P電量×μ×(r-r′)

(13)

式中P電量為配電自動化實施區電量；

r——配電自動化實施前供電可靠率；

r′——配電自動化實施后供電可靠率；

μ——售電價格。

實施配電自動化后，供電可靠性從99.962 4%提升至99.977 4%。按照售電量7億kWh，綜合電價0.6元/kWh，則實施配電自動化一年降低線路損耗帶來的經濟效益為6.3萬元。

則配電自動化總體經濟效益R經濟為

R經濟=R操作+R檢測+R人力+R線損+R投資+R增售電

(14)

2.2.2 管理效益

通過配網自動化的實施，某自動化實施區實現對配電資源的集中管理，配電網數據管理水平、電網的安全運行水平、企業管理水平和企業形象都得到極大提升。

(1)提高配電數據管理水平

由于配電自動化的建設，提升了對數據的管理水平。故配電自動化建設可節約的數據管理人員的成本R數據水平效益為

(15)

式中C數據管理——每個數據管理員工的年收入；

N數據管理——配電自動化實施前數據管理人數；

按照某市實際情況，配電自動化實施前數據管理人數按照10人，自動化實施后按照3人，人力成本按照每年10萬元計算，配電自動化建設節省數據管理人力成本70萬元。

(2)提高電網的安全運行水平

配電自動化建設有利于提高電網運行水平，降低電網運行風險，減少運行損失。配電自動化建設提高電網安全運行水平R運行水平為

R運行水平=C經濟效益×λ運行水平

(16)

式中C經濟效益——配電自動化經濟效益的總和；

λ運行水平——配電自動化安全運行水平效益系數。

按照某市實際情況，配電自動化安全運行水平效益系數為5%，配電自動化建設提高電網的安全運行水平產生效益為41.48萬元。

(3)促進電力企業管理水平的提高

配電自動化建設有利于促進電力企業管理水平的提高。配電自動化建設促進電力企業管理水平提高效益R運行水平為

R管理水平=C管理費用×λ管理費率

(17)

式中C管理費用——企業年管理費用，

λ管理費率——企業管理費率。

按照某市實際情況，某自動化實施區管理費用每年為500元，管理費率為3%，則配電自動化建設促進電力企業管理水平提高產生的效益為15萬元。

(4)提升電力企業的形象

配電自動化建設。提升供電可靠性，有利于維護電力企業的形象。配電自動化建設提升電力企業的形象效益R品牌形象為

R品牌形象=C品牌形象×λ品牌形象

(18)

式中C品牌形象——企業品牌形象；

λ品牌形象——自動化建設提升公司品牌系數。

按照世界品牌實驗室的數據國家電網品牌價值2 508.18億元，折算某市供電公司的品牌價值為5.6億元，取自動化建設提升公司品牌系數為3%，則配電自動化建設提升電力企業的形象產生的效益為14.07萬元。則配電自動化管理效益為

R管理=R數據管理+R運行水平+R管理水平+R品牌形象

(19)

2.2.3 社會效益

在提高能源可供條件，降低社會能耗指標，保障社會安定等方面，具有巨大的社會效益。

(1)拉動經濟

配電自動化實施區用電量較大，是重要用戶的集中區，保障這部分用戶的用電，能夠促進經濟發展，配電自動化建設拉動經濟效益R拉動經濟為

R拉動經濟=V×P電量×(r-r′)

(20)

式中P電量——配電自動化實施區電量；

r配電自動化實施前供電可靠率；

r′——配電自動化實施后供電可靠率；

V——每度電量促進的經濟效果。

按照2014年某市的GDP為1 124.8億元，售電量為46.07億kWh，也就是說每kWh電量可間接帶來的經濟效益約為24.4元。由于提高供電可靠性，范圍內每年可減少10.5萬kWh的電量損失，因此減少的電量損失可帶來間接經濟效益約為10.5×24.4=256.35萬元。

(2)節能減排

電力系統的損耗需要發電來抵消，因此，高效的電網將減少能源消耗，減少二氧化碳及其它污染物的排放，故配電自動化節能減排效益。

R節能減排=μ標準煤×λ煤-CO2×λ電-煤×λ電-CO2×P電量×(Lo-Lo′)

(21)

式中P電量——配電自動化實施區電量；

r——配電自動化實施前供電可靠率；

r′——配電自動化實施后供電可靠率；

μ標準煤為標準煤的價格；

λ煤-CO2——每噸煤產生的二氧化碳；

λ電-煤——火電廠每千瓦時煤耗(按標準煤計算)；

λ電-CO2——每千瓦時減少二氧化碳排放。

根據統計，每節約1 kWh電可減少0.997 kg二氧化碳的排放，而實現配電自動化后每年可降低線損約70萬kWh，也就說光是這一項便可減少“二氧化碳”的排放大約：70×0.997=69.79萬kW=697.9 t，按照1噸標準煤產生2.66 t二氧化碳，火電廠每千瓦時煤耗350 g標準煤計算，每年節能減排減少的二氧化碳排放量相當于262.37 t標準煤，按每噸標準煤500元計算，相當于產生13.12萬元的社會效益。

此外，降低線損還可減少大量由于發電而產生的碳粉塵、二氧化硫等有害物質。

配電自動化工程社會效益R社會為

R社會=R拉動經濟+R節能減排

(22)

2.2.4 全壽命周期效益

配電自動化工程全壽命周期效益R全壽命周期為

R全壽命周期=(R經濟+R管理+R社會)×T+R殘值

(23)

式中T——設備全壽命周期；

R殘值——設備殘值，一般取設備初值的5%。

2.3 配電自動化工程成效評價

根據前述方法，從經濟指標評價配電自動化工程成效。

(1)財務凈現值

財務是指按社會折現率將項目計算期內各年的經濟凈現金流量折現到建設期初的現值之和，在經濟費用效益分析中，如果經濟凈現值大于零或等于零，表明項目可以達到符合社會折現率的效率水平，認為該項目從經濟資源配置的角度可以被接受，財務凈現值FNPV為

(24)

式中Ra——每年現金流入；

Ca——每年現金流出；

T——全壽命周期。

(2)內部收益率

經濟內部收益率(EIRR)指項目在計算期內經濟凈效益流量的現值累計等于零時的折現率，如果經濟內部收益率大于或等于社會折現率，表明項目經濟資源配置的經濟效率達到了可以被接受的水平,經濟內部收益率(EIRR)為

(25)

(3)投資回收期

項目投資回收期也稱返本期，是反映項目投資回收能力的重要指標。

(26)

式中T0——累計凈現值首次不為負值時的年數。

(4)投入產出比

配電自動化全壽命周期的效益與全壽命周期內的成本LCC比值定義為投入產出比η

(27)

3 算例分析

3.1 計算邊界條件

(1)售電價格按照0.60.63元/kWh。

(2)運維費用：按增量效益的2%提取。

(3)折舊率：6.67%，(按15年平均折舊),

(4)設備殘值率取5%。

(5)稅負：增值稅17%，城建稅7%，教育費附加3%，所得稅率25%。

(6)資本金為20%。

(7)銀行貸款利息：4.9%(長期貸款)。

(8)項目全壽命周期時間為2016～2030年。

3.2 配電自動化成效

本文以某自動化實施區為算例，根據前述配電自動化工程評價指標體系，得出計算結果，驗證本文方法的正確性。

根據2.1節，計算了配電自動化的全壽命周期成本，根據2.2節的理論，配電自動化從經濟效益、管理效益和社會效益三方面評價了配電自動化的全壽命周期內的效益，采用2.4節對經濟指標的定義，得出配電自動化工程的成效如表1所示。從表1可以看出，配電自動化全壽命周期內，配電自動化工程財務凈現值為818.69萬元，內部收益率為8.92%，回收期為9.27年；同時全壽命周期內配電自動化總投入17 432萬元，產生的總效益為20 396萬元，投入產出比為1.17。可見配電自動化工程內部收益率、投資回收期等指標較為合理，同時全壽命周期內的投入產出比高于1，說明達到了預期的成效。

3.3 配電自動化成效敏感性分析

配電自動化建設過程中，有很多不確定性因素的影響，為了考慮配電自動化工程中的不確定性，本文對配電自動化工程引入靈敏度分析方法，評價這些因素對配電自動化建設成效指標的影響程度，本文定義配電自動化成效指標與影響因素的靈敏度為：

(28)

式中SE——配電自動化建設成效對影響因素的靈敏度指標；

Out——配電自動化建設成效指標；

Input表示影響因素。

3.3.1 設備價格

隨著配電自動化技術的進步以及生產工藝的成熟，生產成本逐漸下降，設備價格會有一定的回落，配電終端及主站設備投資將減小，必將對配電自動化的建設成效產生較大的影響，配電自動化的經濟效益將日益顯現，配電自動化工程的全壽命周期內的成本、效益及相應的配電自動化指標如表1所示。

表1 設備價格波動靈敏度分析

從表1可以看出隨著設備價格的波動，配電自動化工程的財務內部收益率、財務凈現值以及投入產出比隨著價格降低呈上升趨勢，投資回收期縮短，說明隨著設備價格降低，配電自動化工程效益越明顯，這與實際是相符的。

3.3.2 售電價格

隨著電力市場的開放，未來電力市場競爭將日漸激烈，電價有可能發生波動，因此需將電力價格的波動作為一個影響因素，考慮電價波動對配電自動化工程的影響，配電自動化工程的全壽命周期內的成本、效益及相應的配電自動化指標如表2所示。

表2 電價波動靈敏度分析

從表2可以看出，電價波動對配電自動化工程的影響不明顯，這是因為配電自動化的效益分析中，與電價直接關聯的效益比較少，故對整個配電自動化工程的影響不大。

根據表1和表2分析得出，對配電自動化成效影響更大是設備的價格波動，故在今后配電自動化工程的建設過程中，更應該關注設備的價格波動，以期更好地達到配電自動化的預期效果。

4 結語

本文提出了一種基于全壽命周期的配電自動化工程經濟效益評估方法，并對配電自動化成效進行了敏感性分析，得出以下結論：

(1)在全壽命周期內，分析了配電自動化工程的成本、效益，并根據定義的經濟指標，計算了財務內部收益率、財務凈現值、回收期和投入產出比，說明了配電自動化工程的合理性。

(2)采用靈敏度分析方法，分析了設備價格和售電價格波動對配電自動化成效的影響，結果說明設備價格波動比售電價格波動對其影響更大，所以更應該關注設備的價格波動，以期更好地達到配電自動化的預期效果。

[1] 沈兵兵,吳 琳,王 鵬. 配電自動化試點工程技術特點及應用成效分析[J]. 電力系統自動化, 2012, 36(18): 27-32.

SHEN Bing-bing, WU Lin, WANG Peng. Technological characteristics and application effects analysis of distribution automation pilot projects[J].Automation of Electric Power Systems,2012,36(18):27-32.

[2] 于金鎰,劉 健,徐 立,等. 大型城市核心區配電網高可靠性接線模式及故障處理策略[J]. 電力系統自動化, 2014,38(20):74-80.

YU Jin-yi, LIU Jian, XU Li, et al. Distribution grids of high reliability for core areas of large cities[J]. Automation of Electric Power Systems,2014,38(20):74-80.

[3] 王 敏. 配電系統實施自動化的可靠性投資評估[J]. 繼電器, 2004, 32(7): 31-34.

WANG Min. Investment evaluation of reliability of distribution network automation[J]. Relay,2004,32(7):31-34.

[4] 別朝紅,李更豐,王錫凡. 含微網的新型配電系統可靠性評估綜述[J]. 電力自動化設備, 2011, 31(1):1-6.

BIE Zhao-hong, LI Geng-feng, WANG Xi-fan. Review on reliability evaluation of new distribution system with micro-grid[J].Electric Power Automation Equipment,2011,31(1):1-6.

[5] 劉 潔,余 熙. 配電網自動化工程綜合效益分析[J]. 電力自動化設備, 2000, 20(3): 56-58.

LIU Jie. Economic evaluation of distribution automation project[J]. Electric Power Automation Equipment,2000,20(3):56-58.

[6] 王宗耀, 蘇浩益. 配網自動化系統可靠性成本效益分析[J]. 電力系統保護與控制, 2014, 42(6): 98-103.

WANG Zong-yao, SU Hao-yi. Cost-benefit analysis model for reliability of distribution network automation system[J].Relay,2014,42(6):98-103.

[7] 蘇浩益, 賀偉明, 吳小勇, 等. 基于云理論的配電自動化系統可靠性成本效益分析模型[J]. 廣東電力, 2014, 27(8): 102-108.

SU Hao-yi, HE Wei-ming, WU Xiao-yong, et al. Cost-benefit analysis model for distribution automation system reliability based on cloud theory[J]. Guangdong Electric Power,2014(8):102-108.

[8] 趙曉慧, 梁 標, 李海波, 等. 城市配網自動化可靠性評估與成本效益分析[J]. 電力科學與技術學報, 2015, 30(1): 73-79.

ZHAO Xiao-hui, LIANG Biao, LI Hai-bo, et al. Reliability assessment and cost-benefit analysis of urban distribution network automation[J]. Journal of Electric Power Science And Technology,2015, 30(1): 73-79.

[9] 徐丙垠, 李天友. 配電自動化若干問題的探討 [J]. 電力系統自動化, 2010, 34(9): 81-86.

XU Bing-yin, LI Tian-you. Investigations to some distribution automation issues[J]. Automation of Electric Power Systems, 2010,34(9):81-86.

[10]International Electro Technical Commission. Life cycle costing[S]. International Standard 60300-3-3，2004.

(本文編輯：楊林青)

Economic Benefits Evaluation of Power Distribution Automation Projects Based on Life Cycle Theory

XIE Yi-miao1， ZHANG Zhong-hui2

(1. State Grid Shangrao Power Supply Company，Shangrao 334000，China2. School of Information Engineering，Nanchang University, Nanchang 330031，China)

To achieve more scientific and reasonable evaluatio of economic benefits of power distribution automation pilot projects, this paper proposes the method based on life cycle theory. Considering the initial investment cost, running cost, breakdown cost and equipment decommissioning disposal cost in the full life cycle, the economic benefits, management benefits and social benefits of power distribution automation projects are quantified; economic evaluation indicators are listed; evaluation model is defined. The systematic and objective evaluation and sensitivity analysis of a pilot project of distribution automation have verified the proposed method, which can provide a guidance for automation project in the future.

life cycle；sensitivity analysis；distribution automation；economic benefits

10.11973/dlyny201605002

謝義苗(1990)，男，碩士，研究方向為電力系統自動檢測與控制及配電自動化等。

TM76

A

2095-1256(2016)05-0538-07

2016-04-13