投资配电设备数字化有着怎样的回报？施耐德电气的研究人员发布分析成果
施耐德电气（中国）有限公司的研究人员王照、刘浩，在2020年第12期《电气技术》上撰文，针对配电设备生命周期管理以及配电设备数字化的生命周期成本进行了探讨。配电设备的数字化有助于配电系统自动化和配电设备运维水平的提高，但数字化是否有投资回报需要定量的分析。
作者从配电设备的生命周期管理理论入手，分析了配电设备生命周期管理的关键问题，包括配电设备对供电可靠性的影响、配电设备维护及其生命周期成本。通过计算配电设备数字化的生命周期成本，本文量化地分析了配电设备数字化的投资回报。总体上，配电设备的投资回报是正的，对于重要负荷，配电设备的投资回报较好。
配电网是电力系统中承上启下的重要环节，随着分布式电源日益增多，其作用愈加关键。配电设备一直存在点多面广、运检难度大、运检人员相对较少的特点。在电网公司越来越重视提质增效的背景下，配电设备的投资回报受到了有关人士更多的关注。
生命周期管理（life cycle management, LCM）以提升整体绩效为目标，适用于配电设备的管理。国内外在配电设备生命周管理方面进行了很多研究，并且随着市场和技术进步而深。本文通过分解配电设备的成本及收益，计算配电设备的生命周期成本，定量地评估配电设备的投资回报，指导配电设备的选型、技术要求和运行维护管理等。
有学者将LCM描述为一种应用于工业和服务业的管理概念，旨在改善产品和服务，同时增强企业及其价值链的整体可持续发展。
一般可将生命周期分为前期（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设计和生产，中期主要包括使用和维护，而末期则涉及回收再利用和废物处理等。
具体到某个产品，产品全生命周期管理（product lifecycle management, PLM）是指管理产品从需求、规划、设计、生产、经销、运行、使用、维修保养直到回收再用处置的全生命周期中的信息与过程。
电力设备在项目中的生命周期各个阶段见表1。对于某项目而言，生命周期的前期还包括定制化产品的设计。电力设备生命的中期是设备生命周期跨度最长的部分，也是项目整个生命周期时间最长的部分。
一般情况下，项目的生命周期末期和电力设备的生命周期末期并不一致，以电力二次设备为例，其生命周期一般小于15年，而项目生命周期一般大于30年，在项目的整个生命周期中，一般会包括多个设备的生命周期。为方便表示，表1描述的是一个特例，即项目生命周期等于设备生命周期。
表1 电力设备在项目中的生命周期
设备的生命周期管理是资产管理的重要组成部分。有学者在研究中指出，资产管理卓越是实现最佳解决方案的性能、风险和成本之间的平衡。不同设备类型对于资产管理的需求是有差异的。
以基础设施为例，其对资产管理的需求集中在：①按地理位置显示资产层次结构和数据；②折旧和维护预测重点。从全生命周期角度评估资产管理的成效，可以更清晰地识别设备从采购到退役的整体花费，而非只简单关注设备价格。
有学者对资产管理各个环节的流程进行了详尽的介绍。有学者研究了一种基于图数据库的电力设备全生命周期管理系统。
国内外在生命周期管理以及电力设备的生命周期管理方面已经进行了较多研究，但针对配电设备的研究还有待继续完善。本文重点研究配电设备的整体性能以及采用数字化技术改善性能的生命周期成本，从投资回报的角度分析配电设备生命周期管理，为配电设备数字化配置提供量化的技术经济指导。
随着分布式发电、储能、电力电子等技术的发展，电力系统的形态已经发生了深刻的变化。分布式电源（包括储能）的增加，使得连接传统输电网、负荷以及新的分布式电源的配网变得更加重要。
作为配电系统的重要组成部分，配电设备的品质是配电系统性能的关键影响因素。从全生命周期管理的角度，配电设备比以往更加重视对于整体供电质量的贡献，更加重视设备自身的运行和维护，也更加重视全生命周期成本。
01
配电设备对供电可靠性的影响
电力设备的目标之一是对电力系统的整体供电质量有帮助。电力系统的供电质量有两个方面是比较关键的，一个是供电可靠性，另一个是电能质量。这两点也是定制电力的主要部分。电力系统的关键需求之一是供电可靠性（或者供电连续性）。行业标准给出了系统平均停电可靠率的计算。
对某负荷点，供电可靠率的计算如上。
从式（3）可以看出，电力设备的可用率与平均停电小时数直接相关，选择高品质的电力设备可以直接减少停电频率。而故障恢复时间则与配电网的拓扑结构以及自动化技术相关。
如果配电网具有冗余的结构和转供电的容量，那么在配电自动化技术的支持下，就可以完成故障定位、隔离和负荷转供，从而减小停电范围，缩短故障后恢复供电所需时间。
供电可靠性的提升需要配电网及配电设备的投入。以配电网为例，增加配电网的分段和遥控开关可以为配电自动化奠定故障自动恢复处理的基础，但同时会增加配电设备的资金成本。根据负荷重要程度，即停电损失的程度，可以计算出投入产出比最高的遥控开关的数量。
02
配电设备的运行维护
配电系统的平均年停电时间除了平均年故障停电时间，还有平均年预安排停电时间，具体计算如式（4）所示。而平均年预安排停电时间是配电设施预安排停运率及其恢复供电时间的乘积和。有学者分析了减少客户预安排停电时间的方法，包括开展带电作业、优化停电计划和作业等。
设备的预期寿命和可靠性往往会受到多种因素的影响，如环境条件（温度、空气污染、通风情况等）、生产工艺环境（震动、冲击性负载等）、运维管理状况（巡检、维护质量等）。运用先进的设备维护可以改善设备运行状态，减少预安排停电时间，甚至延长设备的寿命。
有学者对维护类型进行了定义。在固有可靠性特征没有变化的情况下，故障前进行的维护是预防性维护，故障后进行的维护是矫正性维护（或事故后维修）。在预防性维护中，如果对状态有监测，可以实现基于状态的维护。进而，如果对状态劣化的发展有预测，就可以实现预测性维护。
预测性维护是利用先进的传感器和仪表技术，以及这些技术所提供的持续分析的功能来对设备进行的状态维护。它代表着“及时”（just-in-time）原则在预防性维护中的应用。预测性维护可以减少（但并非完全取消）周期性的维护活动。
后者要求按照固定时间间隔进行停电检修，且不得少于严格规定的最低标准。从被动响应式维护到预防性维护，再到预测性维护，代表着维护能力更加成熟，同时其投入的成本也从低到高。采用哪种维护类型，与负荷的关键程度密切相关。对于医疗、金融、电子等重要负荷，先进的维护会具备更高的性价比。
03
配电设备的生命周期成本
设备的生命周期成本（life-cycle cost, LCC）[16]是指一个项目或系统在整个生命周期内所需要的总费用。设备生命周期成本既包括购置成本（capital expenditure，CAPEX），也包括运营成本（operational expenditure, OPEX），而后者在设备的整个生命周期成本中占比更大，往往是设备购置成本的数倍。
配电设备的生命周期成本主要由购置成本（记作CAPEX1）、可能的升级改造成本（记作CAPEX2）、运行成本（记作OPEX1）、设备故障停电引起的电量损失成本（记作OPEX2）、故障停电引起的用户损失成本（记作OPEX3）、检修成本（记作OPEX4）、检修停电引起的电量损失成本（记作OPEX5）、改造/升级成本（记作CAPEX2）以及退役成本等组成，见表2。CAPEX和OPEX合在一起，称为总拥有成本（total cost of ownership, TCO）。
表2 生命周期成本的组成部分
其中，OPEX3用于表示配电设备故障停电引起的商业、生产过程等的损失。该成本可以引用行业统计分析数据，例如对用于商业楼宇的配电设备，根据2017年我国一些典型的商业坪效数据，购物中心的平均坪效为1500～2500元/(月·m2)，配电配比为0.1kW/m2，配置系统为0.8，则每电度停电引起的用户损失约为35元/kW.h。
综上所述，在配电设备的全生命周期采用高品质的配电设备及配电自动化可以提高供电可靠性，采用先进的维护技术可以提高配电设备的维护水平，而综合考虑配电设备的生命周期成本与设备对于整体性能的贡献，可以在成本和性能之间找到更好的平衡点。
随着配电技术的发展，配电设备在产品可靠性、数字化等方面的研发和应用都取得了丰硕的成果，如图1所示。配电设备的数字化有3个主要方面：
①配电自动化的支撑技术，包括配电设备运行控制相关的遥测、遥信和遥控能力，由电压/电流互感器（或者传感器）、电动操作、保护控制设备等组成，在边缘层通过数据采集与监视控制（supervisory control and data acquisition, SCADA）系统、配电终端、台区终端等形成边缘计算能力，并且能接入配电主站实现配电自动化功能；
②资产管理的支撑技术，包括配电设备维护相关的状态监测能力，由关键状态信息的传感器等组成，在边缘通过主动运维单元等形成就地的设备健康状况分析和预警，并且能接入生产管理系统或者物联网平台实现资产管理功能；
③综合能源服务的支撑，例如微电网监控和能量调度系统。
图1 配电设备的数字化
配电设备的数字化使得设备具备了全局感知能力，使运维人员不仅可以获得系统的电气量信息，而且可以获得设备的健康状态信息。这些信息可以优化系统或设备的运行和维护，提高系统的可靠性，减少年平均停电时间。
当然，高品质配电设备及其数字化是有成本的，对于配电设备的数字化是否具有经济性这一问题，通过生命周期成本的计算可以给出一个定量的判断依据。
以有关研究文献中10kV开关站典型设计KB-1为例，单母线分段，2进线，12馈线，开关设备选用金属铠装移开式。馈线容量为1000kVA，负载率为30%。居民电价按照0.488元/kW.h，商业电价按照工商业电价的平价0.7697元/kW.h。
在设备数字化前，供电可靠率按照2018年全国除计划单列市、副省级市外的各地级行政区用户平均停电时间为16.16h/户、年运维成本按照设备成本的5%考虑，检修时长假设为40h。
在数字化后，供电可靠率按照双电源自动切换计算，维护时长的减少按照状态监测覆盖的缺陷类型估计（全面采用温度、局放、结构电气元件等状态监测技术，约覆盖83.2%的主要缺陷）。在计算中，OPEX按照年均成本计算，而CAPEX按照等年值计算。退役成本在本次计算中未作计算。
表3 10kV开关站数字化的LCC分析
从表3可以看出，对于一个开关站，设备数字化总体的投资回报是正的。在年均成本节约中，年均故障引起的停电损失占主要部分，这反映出配电自动化技术的重要性。负荷类型是影响投资回报计算的重要因素，因为故障停电的损失占比较大，负荷越重要，则停电损失占比越大。重要负荷的数字化投资回报会更快。
为进一步评估不同状态监测技术的性价比，本文基于居民电价对不同的状态监测技术的技术经济性进行了对比，见表4。
表4 状态监测的LCC分析
结果显示，根据文献提供的配电设备缺陷比例的数据，不同状态监测技术的技术经济性差异比较大，其中温度和机构电气元件状态监测的性价比较高。结合表3的结果，测温和机构电气元件状态监测的投资回报超过了设备数字化的平均投资回报水平。
需要注意的是，本文的计算结果基于状态监测技术检出率和有效性为100%的理想状态，具体的设备其效果会有所差异。另外，投资回报差异主要是受状态监测技术的成本影响。随着状态监测技术的发展，成本逐渐降低，经济性会有所提高。
电力公司正在进行数字化转型，同时越来越重视投资的效益。配电设备在电力公司中是数量最多的设备，配电设备的生命周期成本对于电力公司管控投资、提高收益是非常重要的。
本文探讨了配电设备的生命周期管理，通过对生命周期成本的分解可知，配电设备数字化的生命周期成本是可以量化计算的。
该分析可以为电力公司选择收益更好的配电设备以及配电设备的数字化功能提供指导。配电设备的生命周期成本分析可以进一步细化到具体的用户类型、负荷类型以及电力质量需求，从而计算配电系统及配电设备数字化的最优配置，为最终用户提供高性价比的定制电力。