一种电网设备全寿命周期的能耗计算方法
【专利摘要】本发明公开了一种电网设备全寿命周期的能耗计算方法，主要包括：⑴设备全寿命周期能耗分析模型建立；⑵设备全寿命周期能耗曲线分析；⑶设备全寿命周期能耗管理评价指标体系。本发明所述电网设备全寿命周期的能耗计算方法，可以克服现有技术中可靠性低、成本高和能耗高等缺陷，以实现可靠性高、成本低和能耗低的优点。
【专利说明】一种电网设备全寿命周期的能耗计算方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及节能减排技术与电网设备能耗评估相结合的【技术领域】,具体地，涉及 一种电网设备全寿命周期的能耗计算方法。
【背景技术】
[0002] 能源是人类生存之本，是社会经济发展的基础条件。但是在传统工业发展模式下， 经济增长是以大量消耗能源与牺牲生态环境为代价的，由此也引发了威胁全球人类发展的 两大严峻问题--能源危机和环境问题。对于我国来说，能源短缺非常严重，同时能源消费 数量却极大，因此，节约能源刻不容缓。作为我国国民经济中重要的能源部门，电力行业的 节能减排具有重要的潜力及意义。
[0003] 电网企业在我国的电力工业中担负着多重的角色职能，承担着关键的经济责任和 重大的社会责任。建设节能型电网是实现电力行业的低碳化发展，是融入世界最新经济发 展、技术新浪潮的内在要求。电网企业是资本密集型企业，固定设备资产比重达资产总额的 2/3且地域分布广、范围大、寿命周期长。电网设备从规划、购置、安装、调试、使用、维修、改 造和更新直至报废，寿命周期多在数十年以上，涉及大量的能源消耗。因此，深入研究面向 电网设备全寿命周期的能耗分析方法，对于电网行业实现全面、有效的节能减排无疑将发 挥重要作用。
[0004] 研究电网行业的节能刻不容缓，而研究电网设备全寿命周期的能耗内容与分析方 法是能源研究领域的重要发展方向。目前，在节能减排领域，全寿命周期分析更多用于能 耗和碳排放的测算分析上，针对电力行业的全寿命周期的能耗分析成果大部分都来自于国 夕卜，国内对电网设备全寿命周期的能耗与碳排放分析工作目前仅限于如下二个方面：一种 微观的设备能耗研究，其专注于特定的或者典型的单一设备能耗分析计算研究；另一种是 宏观的设备能耗研究，其专注于整个电网的能耗分析计算研究。单一电网设备能耗计算是 进行电网设备能耗分析的基础理论，在此方面开展的研究比较多，且理论日趋成熟；相比较 于基础理论，对电网设备全寿命周期能耗分析研究则不够重视，现有的全寿命周期能耗分 析研究中，只是从宏观或者微观的角度对电网设备能耗进行简单的计算，而没有建立电网 设备全寿命周期能耗分析模型，不便于对电网中设备个体进行能耗分析管理。通过对电网 设备全寿命周期的能耗研究可以发现，对于不同类型的电网设备，在其寿命周期内，主要能 耗阶段划分大致相同，如运行能耗、维护能耗等阶段；同时，对于不同型号的同类设备，其能 耗也不会完全一致。对此，传统设备能耗分析计算往往针对某一设备定制一套分析计算方 法，而这类计算有很多弊端，如对电网企业内所有设备进行能耗强度分析时，难以进行不同 设备同一寿命期的能耗对比分析，不能直观的反映对电网企业内所有设备的能耗强度；同 时，一种设备的能耗计算模型也很难应用到其他电网设备的能耗计算上，从而造成大量的 人力和物力资源的浪费，从能耗分析计算的角度而言，是和节能本身相违背的。
[0005] 在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在可靠性低、成本高和能 耗局等缺陷。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种电网设备全寿命周期的能耗计算方 法，以实现可靠性高、成本低和能耗低的优点。
[0007]为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种电网设备全寿命周期的能耗计 算方法，主要包括：
[0008]⑴设备全寿命周期能耗分析模型建立：根据经典的全寿命周期分析方法对设备全 寿命周期进行分解，对各阶段设备能耗进行分析，并建立适用于电网设备的全寿命周期能 耗分析模型；
[0009]⑵设备全寿命周期能耗曲线分析：在设备全寿命周期能耗分析模型的基础上， 从时间尺度上对设备能耗、能耗强度、能耗累积量进行分析并分别绘制基于设备全寿命周 期的能耗曲线、能耗强度曲线、能耗累积量曲线，在此基础上，对三种能耗曲线关系进行分 析；
[0010]⑶设备全寿命周期能耗管理评价指标体系：从设备规划投资、运维、故障方面着 手，分析影响设备全寿命周期能耗的关键因素,从中梳理出实施设备全寿命周期能耗分析 的关键指标并对其进行评价。
[0011] 进一步地，所述步骤⑴，具体包括：
[0012]将时间维度凸显出来，即将设备全寿命周期在时间维度上划分为如下五个阶段， 即规划建设能耗、运行能耗、维护检修能耗、故障检修能耗和报废退役能耗：
[0013] 1· 1)建设投资能耗ECI :ECI主要包括制造能耗ECIm和安装调试能SECIi，其中 ECIm能够分解为：设备生产能耗、专用工具的使用能耗、辅助设备制备能耗以及供货商运 输能耗;ECIi能够分解为：设备建设安装能耗、设备调试能耗、设备特殊试验能耗以及业主 方运输能耗；所以，得到建设投资能耗计算如下：
[0014] ECI = EC^+ECIi (1)；
[0015] 1. 2)设备运行能耗ECO :设备运行能耗EC0主要能够分为设备本体运行能耗EC〇i 以及辅助设备运行能耗ECOa ;设备本体运行能耗就是设备运行时的损耗，比如变压器的设 备本体损耗就是铜耗和铁耗之和；输电线路的设备本体损耗就是线路电晕损耗和线路发热 损耗之和；设备本体能耗在设备过去的生命周期中能够依靠历史的负荷数据来预测，在未 来的生命周期中可以通过负荷预测来估计；所以，能够得到设备本体运行能耗计算：
【权利要求】
1. 一种电网设备全寿命周期的能耗计算方法，其特征在于，主要包括： ⑴设备全寿命周期能耗分析模型建立：根据经典的全寿命周期分析方法对设备全寿命 周期进行分解，对各阶段设备能耗进行分析，并建立适用于电网设备的全寿命周期能耗分 析模型； ⑵设备全寿命周期能耗曲线分析：在设备全寿命周期能耗分析模型的基础上，从时间 尺度上对设备能耗、能耗强度、能耗累积量进行分析并分别绘制基于设备全寿命周期的能 耗曲线、能耗强度曲线、能耗累积量曲线，在此基础上，对三种能耗曲线关系进行分析； (3)设备全寿命周期能耗管理评价指标体系：从设备规划投资、运维、故障方面着手，分 析影响设备全寿命周期能耗的关键因素，从中梳理出实施设备全寿命周期能耗分析的关键 指标并对其进行评价。
2. 根据权利要求1所述的电网设备全寿命周期的能耗计算方法，其特征在于，所述步 骤⑴，具体包括： 将时间维度凸显出来，即将设备全寿命周期在时间维度上划分为如下五个阶段，即规 划建设能耗、运行能耗、维护检修能耗、故障检修能耗和报废退役能耗： I. 1)建设投资能耗ECI:ECI主要包括制造能耗ECIm和安装调试能耗ECIi，其中ECIm 能够分解为：设备生产能耗、专用工具的使用能耗、辅助设备制备能耗以及供货商运输能 耗；ECIi能够分解为：设备建设安装能耗、设备调试能耗、设备特殊试验能耗以及业主方运 输能耗；所以，得到建设投资能耗计算如下：
1. 2)设备运行能耗ECO:设备运行能耗ECO主要能够分为设备本体运行能耗ECOi以及 辅助设备运行能耗ECOa;设备本体运行能耗就是设备运行时的损耗，比如变压器的设备本 体损耗就是铜耗和铁耗之和；输电线路的设备本体损耗就是线路电晕损耗和线路发热损耗 之和；设备本体能耗在设备过去的生命周期中能够依靠历史的负荷数据来预测，在未来的 生命周期中可以诵讨负荷预涮夹估计：所以，能够得到设各本休运行能耗计算：
式中：表示设备本体在第i个典型工作时段下的损耗功率，h为设备本体在此典型 阶段下的运行时间； 辅助设备运行能耗计算：
式中：表示辅助设备在第i个典型工作时段下的损耗功率，h为辅助设备在此典型 阶段下的运行时间； 综上，能够得到设备的运行能耗计算：
I. 3)维护检修能耗ECM:维护检修能耗ECM能够分解为解体检修能耗ECMd与常规维护 能耗ECMr;解体检修能耗仅仅是针对需要解体检修的设备才考虑，对于不需要解体检修的 设备则不需要考虑解体检修能耗；电网常规维护检修是指对当前电网设备定期的大修、小 修和预防性试验等，其检修维护周期一般是相等的；所以，能够得到维护检修能耗的计算公 式：
1. 4)故障检修能耗ECF故障检修能耗ECF能够分解为故障维修能耗ECFr和故障损失 能耗ECFl;其中，ECFr包括设备故障现场处理能耗和设备返厂修理能耗；ECFl包括用户间 接能耗期望以及设备运行附加损耗期望；用户间接能耗期望是指设备发生故障所给用户带 来的间接能耗与设备发生此故障的概率的乘积，其计算如下：
式中：au表示设备发生此故障的概率；Eu表示设备发生此故障所带来的用户间接能 耗； 设备运行附加损耗期望是指设备发生了故障，在以后的设备生命周期中都会产生额外 的能耗的期望，其计算如下：
式中：?为设备发生此故障的概率；&为设备剩余生命周期的运行时间；为设备发 生此故障之后运行所产生的额外的功率损耗； 综上，设备故障检修能耗计算如下：
1. 5)报废退役能耗ECD:设备报废退役能耗ECD主要包括设备报废能耗ECDs与设备最 终处理能耗ECDt;ECDs指设备生命周期即将结束时的拆除和运输所造成的能耗；ECDt是指 设备报废后被运输到指定回收地点之后彻底被废弃或者重新生成可用材料的过程中所引 发的的能耗；综上，设备报废退役能耗计算如下：
综上分析，设备全生命周期能耗模型计算公式如下：
3.根据权利要求1或2所述的电网设备全寿命周期的能耗计算方法，其特征在于，所述 步骤⑵,具体包括： 设备全寿命周期能耗曲线是在设备全寿命周期能耗分析模型的基础上以设备全寿命 周期为时间横轴，确定设备在每个时间段内的能耗值，据此绘制出设备全寿命周期能耗曲 线E=f⑴； 设备全寿命周期能耗曲线E(t)、设备全寿命周期能耗累积曲线E。(t)、设备全寿命周期 能耗强度曲线I(t)，这三种能耗曲线都是以时间为横轴，能耗为纵轴，相互之间可以进行转 换： 2. 1)设备全寿命周期能耗曲线E(t) 设备全寿命周期能耗曲线E=f(t)是以时间为横轴，能耗大小为纵轴做绘制的，其时 间是离散的；当t=i时，f(i)表示当前时段的能耗；当t>;[时，表示未来一段时间的能 耗；当t<i时，表示之前某一段时段的能耗；在某一时刻仅对该时刻右边曲线进行研究， 则代表该设备未来全寿命周期的能耗； 2.2)设备全寿命周期能耗累积曲线Ec^t) 设备全寿命周期能耗累积曲线E。=f(t)是以时间为横轴，能耗累积量为纵轴做绘制 的，其表示从设备的生命周期起点到某一时刻t所产生的全部能耗；当t=i时，EJi)表 示从设备的生命周期起点到当前时刻所积累的生命周期能耗值；在设备生命周期初始时刻 之前，Ee(t)=O;在设备生命周期结束时刻之后，Ee(t) =C为以常数；EJt2)-EJt1)表示设 备从h时刻到t2时刻所累积的生命周期能耗； 2. 3)设备全寿命周期能耗强度曲线I(t) 全寿命周期能耗强度曲线I=f(t)，是以时间为横轴，能耗强度为纵轴，其表示的是设 备在某一时刻的能耗强度；能耗强度是指当前状态下生产单位价值的产品/能源所消耗的 能源大小，其和功率有相同的量纲；在设备全寿命周期能耗强度曲线中，当t=i时，I(i) 表示当前时刻的能耗强度；当t>tmd时，即时间在寿命周期结束时刻之后，I(t) = 0 ;当t <tini时，即时间在寿命周期初始时刻之前，I(t) = 0。
4.根据权利要求3所述的电网设备全寿命周期的能耗计算方法，其特征在于，所述步 骤⑶，具体包括： 从设备投资、运维、故障等方面入手，分析影响电网设备全寿命周期能耗的关键因素， 梳理出在实施电网设备全寿命周期能耗分析工作中的关键指标，并进行评价考核： 3. 1)评价指标库建立 3.I. 1)设备投资能耗指标 ① 设备投资能耗比：设备投资能耗比是指设备投资单位资产所对应的能耗当量，其计 算如下：
式中：E为设备实际运行之前包括生产、安装、调试的总能耗；T。为设备投资总成本； ② 全生命周期设备期望能耗：假设设备保持无故障、额定运行，直至报废退役，统计其 从生产到报废的全寿命周期内的总能耗，其计算如下：
式中：En为全生命周期设备期望能耗；民、匕、民、匕分别为设备理想规划建设能耗、运行 能耗、维护能耗、退役能耗；a、Y、0设备规划假设、运行、维护、退役阶段对应的期望 系数； ③ 节能新型设备投资比重：新型节能设备占所有投资设备的比重； 3. 1. 2)设备运维指标 ①设备时间工作率：设备时间工作率是设备实际工作时间与负载时间的比值，反应的 是设备的时间利用情况，其计算如下：
负载时间是指1天或者1个月的操作时间中减去生产计划上的暂停时间，计划保养上 的暂停时间，以及日常管理上需要去除的时间后所剩余的时间； ② 设备性能工作率：设备性能工作率是指设备运行损耗值与实际损耗值的比值，其计 算如下： 设备性能工作率=速度工作率X净工作率X100% (14)； 其中，速度工作率就是设备实际运行工作速度相对其固有能力而言的速度比率，一般 的设备速度比率下降可知设备速度下降损耗的程度；净工作率表示设备是否在单位时间按 一定的效率工作，它并不是说比额定效率高了还是低了，而是指即使在低的效率工作状态 下是否稳定运行，通过净工作率的计算，能够反映出检查停机等故障产生的损耗； ③ 设备损耗率：指统计期内设备电能损耗量与总抄表电量； ④ 设备定检维护完成率：设备定检维护工作的完成情况，是设备实际完成定检维护的 数量与计划完成定检维护的设备的比值； ⑤ 主变、线路设备利用率：指符合以下情况的主变、线路设备数量占总主变、线路设备 数量的比例： a、 设备年最大负载率〈50%且设备年平均负载率〈30%的主变、线路设备； b、 设备年最大负载率>70 %且设备年平均负载率>50 %主变、线路设备； 其中，各设备最大负载率与平均负载率计算如下： 线路年最大负载率：
线路年平均负载率：
主变年最大负载率：
主变年平均负载率：
3. 1. 3)设备故障指标 ① 设备故障频次：设备故障次数与设备总台数个比值； ② 电网N-I通过率：N-1通过率用以检验电网设备及供电结构是否满足第一级安全稳 定标准要求，一般要求电网N-I通过率应达到100%，否则需要采取稳定控制措施来满足要 求，其计算如下：
电网N-I通过率主要分为无故障的N-I通过率和单一设备元件故障的N-I通过率； 无故障的N-I通过率即静态安全分析是的N-I通过率，要求正常运行方式下电网无任 一设备无故障断开，应能保持电网的稳定运行，且不致使电网设备超过规定的事故过负荷 和电压允许偏差的要求； 单一设备故障的N-I通过率即满足第一级安全稳定标准的N-I通过率，正常运行方式 下电网受到单一设备故障扰动后，保护、开关、及重合闸正确工作，不采取稳定控制措施，必 须保持电网稳定运行及可靠供电，其他设备不发生超过规定的事故过负荷能力，不发生连 续跳闸； 3. 2)评价方法 参照相关电网设备能耗评价方法及原则，结合全寿命周期能耗管理的实施，从电网设 备投资、运维、故障方面进行评价；在评价过程中，对已经能够比较成熟的量化性评价指标 运用能耗量计算公式进行评价，对于较难量化或者尚无法量化能耗的评价指标采用定性分 析： 基于如上分析，建立总体评价的T指标公式如下： T=AdHfr(R)+ff (F) (20)； 其中4(1)、仁〇〇、仁的分别为设备投资、运维、故障能耗指标的折算函数； 3. 3)评价步骤 步骤1、各阶段能耗计算 根据历史电网设备能耗数据分析，对电网设备的投资能耗、运维能耗、故障能耗采用如 上方法进行分析计算； 步骤2、全寿命周期综合指标计算 将上步得到的电网设备投资能耗指标fi(I)、运维能耗指标f；(R)、故障能耗指标ff (F) 分别代入T= & (I)+f； (R)+ff (F)中，得到电网设备全寿命周期综合评价指标值； 步骤3、全寿命周期设备能耗比较评价 将上步得到电网设备全寿命周期综合评价指标值与设备能耗基准值进行比较，通过规 划管理决策，使设备处于良好的工作状态以达到全寿命能耗最小。
【文档编号】G06F19/00GK104268370SQ201410440776
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年9月1日 优先权日:2014年9月1日
【发明者】张刚, 王维洲, 郑晶晶, 杜培东, 韩永军, 马朝晖, 张建华, 解佗, 王庆玲, 李正远, 孟珺遐 申请人:国家电网公司, 国网甘肃省电力公司, 国网甘肃省电力公司电力科学研究院, 西安理工大学, 中国电力科学研究院, 郑州大方软件股份有限公司