变电站数字化改造的经济性分析

周 芳

(1.武汉大学电气工程学院,武汉 430072;2.鄂州供电公司,湖北鄂州 436000)

数字化变电站是由智能化一次设备(电子式互感器、智能化开关等)和网络化二次设备分层(过程层、间隔层、站控层)构建,建立在IEC61850通信规范基础上,能够实现变电站内智能电气设备间信息共享和互操作的现代化变电站[1].在国内,还没有供应商在做变电站数字化改造的研究,而都在研究数字化变电站的实现,热衷于新建一个数字化变电站.而在发达国家,特别是在美国,因为已经很少再造新的变电站,所以他们更加注重于老站的数字化改造.

数字化变电站技术已经得到逐步应用,并且是未来变电站的发展方向.数字化的一次变电设备将在5～10年后成为新建变电站的主流产品.但是对于已经建设的老变电站,我们需要的是一种承前启后的解决方案,在本文中称之为变电站的数字化改造.

1 变电站数字化改造

对于变电站的数字化改造,美国投入了大量资金和人力进行相关技术的研发,GE公司为美国电力公司在俄亥俄州的一个342kV变电站进行数字化改造的成功案例,并且这种解决方案也适用于超高压公司.该方案的核心元件有几种名称:1)Hard Fiber,意为硬核光导纤维,2)IEC61850现场过程总线,3)俗称“Brick”,即砖块的意思.本文给它起了一个中文名字叫“魔砖”,因为它的确有些神奇.

该核心元件实际上是一种IT设备.它可以做如下的事情:1)模数转换,2)控制编码,3)遵循IEC61850-9-2和8-1.它之所以被称作“Brick”是因为它不但看上去就像块砖头,而且和砖头一样经得起日晒雨淋(IP66的防护等级).

它的输入/输出是双向的,一方面就地采集了所有一次设备的信息,由一根细长的单芯光缆连接到控制室的保护、控制及计量等二次设备.另一方面还可以通过这根光缆把来自控制室的控制信号和同步信息送到“魔砖”.实现控制功能.

其实,只要把这块“魔砖”安装在“开关/流变端子箱”外边,从此这些一次设备就被数字化了,具体示意图见图1.

图1 变电站数字化改造方案示意图

该方案核心模块“魔砖”的功能可归纳如下:

(1)它由光缆供电,可以是交流也可以是直流220V或110V.

(2)两组交流(ABC三相及零相,可以是8个电流输入,也可以是4电流和4电压)输入,4个完全独立的数字核输出.即所有输入可分别供4个用户共享.我们可以把它理解为CT/PT次级的扩展功能.输入的交流量,可以来自传统CT/PT,也可以是电子式的EPT/ECT,或光学的OCT/OPT,以便与未来的设备兼容.

(3)直流输入既考虑了开关量也考虑了模拟量.模拟量可以接入非电气量变送器输出(如压力、温度等),开关量共有18个量,模拟量共有3个.

(4)直流输出有4个固态继电器.另外还有2个C型继电器和1个双位置继电器.

(5)典型配置考虑了双母线加旁路或一个半开关结线的双重化冗余配置.

通过在已有变电站中使用“魔砖”,我们传统的一次设备就实现了数字化.

2 数字化变电站改造经济性分析

2.1 变电站数字化改造方案的优点

上文所介绍的变电站数字化改造方案具有如下优点:(1)改造速度快:以一个220kV线路间隔为例,设备停电1s即可以完成改造.系统由于停电方式带来的风险几乎可以不考虑.(2)改造后的保护和二次回路可以免维护.(其实也省去了二次操作)因为二次回路由原来的接线保证方式,改成了通信保证方式.不存在二次回路常见的接触和绝缘隐患.(3)改造后,由于电流/电压互感器的二次负载减小,从而提高了保护、测量及计量的精度.(4)改造后,由于在开关现场就将大电流、高电压转换成了数字量,从而提高了二次回路人员工作的安全性.(5)设计简化,图纸简单.图纸量为传统设计的1/20,极易管理.(6)大量节约了材料和空间(约1/10).

2.2 全周期成本(LCC)比较分析

下面,对传统二次回路改造和数字化改造的全周期成本(LCC)进行比较分析.

非数字化与数字化保护改造方案的LCC分析比较(以常规改造与数字化改造比较),以一条220 kV线路保护改造(单侧双重化)作为对象讨论分析.

一般所考虑的一条220 kV线路的寿命(这里特指二次设备和保护)为20年,以净现金流NPV为比较依据,主要从成本方面进行考虑:全寿命周期成本计算公式

式中,LCC为全寿命周期成本(life cycle cost);CI为投入成本,包括设计成本、采购成本、施工成本(investment costs);CO为运行成本,包括操作成本、管理成本、耗电成本(operation costs);CM为维护成本,包括定期检验成本和备品备件(maintenance costs);CF为故障成本,亦称惩罚成本包括停电成本、不正确动作成本和缺陷处理成本(outage or failure costs);CD为废弃成本包括拆除及回收成本(disposal costs).

对于上式中各种成本进一步解释如下:

(1)投入成本中的解释.①设计成本:尽管数字化设备的二次设计出图量仅是常规设计的1/10,但是由于现行设计费用是根据总造价的百分比来收取的,所以如果造价相似,设计费也不会有变化.②采购成本是指设备的采购成本.实际上数字化的二次设备是一次设备的一部分,而常规的二次设备除保护装置以外,其它的都不算设备.③施工成本是指支付给施工承包商的全部费用,其中包括直接费和间接费利润等,其中直接费用主要由材料和人工等费用组成.

(2)运行成本中的解释.①操作成本是指改变回路运行状态所发生的人工成本,一般一条220kV线路由运行改成检修状态的操作成本包括6个人工加2个车辆台班费大约为10000～15000元.②管理成本是指设备巡视和图纸核对这二项.每年一个220 kV回路二次约需2个人工折合费用约2000元.③耗电成本由二次压降带来的间接成本(以一个220 kV路为抵消计量所增加的网损费用约为5～6万元)和冬雨季用于加热和干燥的电费(如用于加热4kW4个月合电量4×24×30×4=11520kW◦h).

(3)维护成本:定期检验以4年为一个周期,常规约合3.7万元/回路.

(4)故障成本解释.①停电成本包括由于停电造成运行方式改变带来的风险成本,操作成本,及网损约10万元/次.②不正确动作及处理缺陷成本.前者可不计入比较,后者发生的概率约2年一次,平均一个车辆台班2个人工,每次成本约10000元.(5)根据规定,拆除成本为安装成本的70%.

综上所述,结论详见表1.

表1 传统二次回路改造和数字化改造的全周期成本(LCC)比较 (单位:万元RMB)

上述总计可节约成本100万元左右,通过上述分析,可以认为,保护回路进行数字化改造,不仅有利于变电站运行的安全可靠性,而且也将大大提高电网运行的效益.从长远来看,由于大量减少了铜电缆的敷设,减少了对资源的利用率,符合我们国家的循环经济和节约型社会建设的理念,是利国利民之举.

3 结 语

数字化变电站是目前国内电力系统建设的一个热点,但是,国内目前数字化变电站的研究和实现都热衷于新建一个数字化变电站,而没有科研和制造单位在做变电站的数字化改造的研究,但在美国等发达国家,因为很少再造新的变电站,所以如何对已有的变电站进行数字化改造成为重要的课题,本文分析了变电站数字化改造的相关技术,并进行了变电站数字化改造的经济性分析,可为我国变电站的数字化改造提供重要的决策依据.

[1] 朱大新.数字化变电站综合自动化系统的发展[J].电工技术杂志,2001(4):20-22.

[2] 张沛超,高 翔.数字化变电站系统结构[J].电网技术, 2006(24):73-77.

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