电压暂降的经济成本构成及评估模型

电压暂降的经济成本构成及评估模型

0电压暂降结果的评估模型随着社会的快速发展，人们对能源的要求越来越高。电力扰动可能引起工业用户的设备停止运转、运转不平稳或出错、效率下降或寿命缩短等,进而影响(或完全中断)生产过程或服务活动,从而造成经济损失因此,电压暂降的经济损失评估,也已成为电能质量经济影响评估中最重要的组成部分单个用户的电压暂降经济损失评估,即工厂级经济损失评估,是全社会电能质量经济性损失评估的基础。本文从电压暂降造成的生产中断出发,通过分析生产中断特征以及单次电压暂降事件的成本构成,提出了电压暂降工厂级经济损失的具体评估模型。最后结合本课题组国内调研的结果,进行了实例验证1生产中断现象本文将电压暂降引起的设备停止运转、电脑重启、生产流水线中断等的整个或局部生产或经营过程中断现象,统称为生产中断,如图1所示。一般而言,生产中断特征包括中断发生次数,中断严重程度以及权重因子等。1.1生产中断的发生次数电压暂降发生时并不一定造成生产中断,因此若要估计电压暂降引起生产中断的次数,需要掌握用户发生电压暂降的次数以及不同类型电压暂降下生产中断概率。1.1.1年发生次数的计算电压暂降的发生次数的评估,需要考虑到电压暂降的幅值、持续时间以及频率等信息。一般引入二维数组对电压暂降的特征进行统计,如表1所示。设对应单元格的电压暂降为(i,j)型,N(i,j)则表示对应残压幅值、持续时间的电压暂降的年发生次数。文献[11]应用故障点法,结合概率理论对电压暂降发生情况进行了评估。文献[15]介绍了电压暂降随机预估的两种方法,实测法和随机预测法,给出了两者的准确度和适用情形,并结合PSCAD进行了实例仿真验证。1.1.2中断概率的获取定义生产中断概率S(i,j)为在对应残压及持续时间的(i,j)型电压暂降下生产中断发生的概率。一般可以通过现场实测以及设备敏感度评估的方法获取生产中断概率。生产中断概率与生产过程中的设备故障概率、设备连接方式密切相关,即使是同一类型和品牌,各装置对电压暂降的反应也有不同。通过定义与表1格式一致的二维数组,从而提供用于评估电压暂降引起的生产中断信息,如表2所示。1生产中断概率在历史数据完整、现场记录准确时,(i,j)型电压暂降下,生产中断概率S(i,j)可通过式(1)计算。其中:n(i,j)为统计时间内,对应类型电压暂降造成生产中断的次数;n2设备电压受限曲线此外可以通过对比设备电压暂降敏感度和实际发生的电压暂降特征评估生产过程中设备发生故障的概率,进而获取生产中断概率。设备敏感度一般用电压暂降幅度和持续时间曲线来表示,即设备的电压耐受曲线,根据电压耐受曲线,可以明确设备的电压暂降耐受范围然而,各类型设备电压暂降的敏感度各有差异,获取所有设备的电压耐受曲线也不现实。基于上述考虑,文献[11]将常见敏感设备归纳至4个主要类别,即可编程控制器(PLCs)、变频驱动器(ASDs)以及个人计算机(PCs)和交流接触器,并给出了相应的电压耐受度曲线。此外,考虑到各装置对电压暂降的反应的随机性最后,通过将设备电压耐受曲线和母线电压特征图进行对比,从而获得(i,j)型电压暂降下设备故障概率E(i,j),如图2所示。根据生产中断的定义,如果将单台设备看做一个子过程,则单台设备发生故障时,即可引起局部或全局的生产中断,所以在(i,j)型电压暂降下,生产中断的概率S(i,j)为其中:E1.2生故障设备台数然而生产中断的经济损失不仅取决于设备故障概率,还与生产过程中发生故障的设备台数,即生产中断的严重程度密切相关。这里定义(i,j)型电压暂降下,生产中断严重程度L(i,j)为其中:n而在缺乏现场实测数据的情况下,可以结合上述设备故障概率以及设备互联方式1.2.1连接方法如果生产过程中的任何一台设备发生故障,便构成全局生产中断,则称该系统为串联连接1.2.2生产中断的严重程度如果一个生产过程中所有设备都发生故障时,才构成全局生产中断,则称该系统为并联连接,如图3(b)所示。对于并联的生产过程,无论是全局还是局部的生产中断,生产中断的严重程度L(i,j)可以通过式(5)计算。其中:s为对应的设备类型;E任何生产过程(如图3(c))都可以简化成不同设备串联和并联连接的组合,从而结合式(4)~式(6),获得整个生产中断的严重程度。1.2.3生产中断的范围不同类型的电压暂降引起的生产中断不同,其中断严重程度也存在很大的差异。即使是同一类型电压暂降引起的生产中断,其影响范围也各不相同,所得的生产中断严重程度存在较大的随机性。为减少数据离散度和随机性的影响,这里计算同一类型电压暂降下的生产中断严重程度平均值L然后,对于每一次由(i,j)型电压暂降引起的生产中断,可以定义权重因子ω(i,j)为其中:L(i,j)是该次生产中断的严重程度;L2单次电压暂降事件的成本构成对用户的生产中断次数、严重程度等特征进行评估后,若要评估电压暂降的工厂级经济损失,还需掌握单次电压暂降事件的经济损失。然而,不同的生产中断会产生不同的经济损失,其成本特征也存在差异,因此需要结合具体生产流程,分析电压暂降经济损失的成本构成。目前该方面成本结构模型并不统一,在参考文献[6,22]的基础上,结合国内用户的实际情况,下面给出了单次电压暂降事件造成生产中断时的成本构成。一般而言,生产中断发生时,可能造成产品损坏、质量不合格等,同时还可能损坏设备,降低设备的使用寿命,产生相应的经济损失。生产中断期间,用户生产流程终止,产量降低从而引起利润下降;很多情况下,用户可以通过加班等方式来弥补生产力下降,则所需的额外人力也需计入成本。此外,重新启动生产流程期间,需要投入额外的人力、能源以及辅助材料等,从而产生相应的成本。综上所述,考虑到不同用户的生产特点,单次电压暂降事件的成本构成如下:(1)废品损失;(2)停工损失;(3)生产利润损失;(4)重启动成本;(5)设备成本;(6)其他成本;(7)节省成本。2.1不可修复小品的成本废品是指,由于生产原因而造成的质量不符合规定的技术标准,不能按原定使用用途,或者需要加工修理后才能按原定用途使用的在产品、半成品和产成品。如果废品不能维修,也不能在后续过程中使用或作为质量较低的产品销售,则称为不可修复废品,反之则称为可修复废品。不可修复废品的成本就是指生产不可修复废品已消耗的费用。定义不可修复的废品成本W其中:M为不可修复的原材料成本,包括直接材料成本,并减去产品报废价值或残值;E为生产过程所损失的不可恢复的能源动力费用;T可修复废品成本是指,可修复废品在返修过程中发生的各种修复费用。定义W其中:T则废品损失C2.2罢工损失停工损失是指,在该生产过程停工期间仍需耗费的材料费用、人工费用和制造费用等。定义停工损失C其中:T2.3生产损失生产中断会导致产品产量下降或产生次品,从而影响企业的应有利润。为了挽救部分损失,往往会采取加班等方式,因此生产利润损失C其中:T2.4运行过程的恢复生产中断时,加热、冷却、通风和过滤等其他辅助过程可能也会终止。生产过程重新启动前,需要投入额外的人力及辅助材料来恢复上述辅助过程。此外,还可能需要对生产过程进行清理、及校准设备等。因此,定义重启动成本C其中:M2.5生产设备造成的损失设备成本是指,电压暂降引起生产过程突然中断而对生产设备造成的损失,一般包括设备损坏更换成本和设备修理成本等。定义设备损坏更换成本E其中:CE定义设备修理成本E其中:CE则可得设备成本C2.6未履行合同或超过合同期限的罚其他成本是指,其他与生产中断相关的成本。一般而言,其他成本C1)因未履行合同或超过合同期限而产生的罚款。3)人员与设备的疏散成本。4)因人员受伤而无法工作的成本。5)保险费的上升(设备、人员健康、债务)。7)其他未说明的直接或间接成本。2.7材料或库存的节省节省成本是指生产中断后有可能节省费用或延后费用支出。这通常定义为“未使用原材料”、“合同/临时工的未付工资”或“因用电减少而节省的金额”等。一般而言,节省成本C1)未使用的材料或库存的节省费用。2)未付(合同工或临时工)工资的节省费用。4)其他具体的节省费用。综上所述,则单次事件的经济损失C3工厂等级经济损失评价模型和实例3.1生产中断次数的影响综上所述,对于单个工厂而言,(i,j)型电压暂降引起的生产中断次数I(i,j)为则有(i,j)型电压暂降引起生产中断的经济损失的期望值TC(i,j)为则该工厂因电压暂降引起生产中断从而产生的经济损失TC为3.2单次电压暂降的平均损失本文在我国某城市半导体行业用户2005年至2011年近7年的数据为例,对电压暂降产生的经济损失进行评估。通过现场实测的记录,可得S(i,j)的结果如表3所示。下面以2010年的数据为例,则用户该年度发生电压暂降的次数N(i,j),具体结果见表4所示。从该结果可以看出,发生电压暂降的残压幅值均在70%以上。结合表3和表4,进而可得用户2010年生产中断次数I(i,j),具体结果见表5所示。为获取单次生产中断的经济损失数据C面访结束后,基于返回的2005年至2011年的原始数据,计算获得用户的单次电压暂降的平均经济损失。如表6所示。根据式(7),需要先获得生产中断严重程度,才能得到生产中断的权重因子ω(i,j)。对于半导体行业来说,各生产部门间的相互依赖性较低,一般而言,某部门局部生产中断时,其他部门有足够的缓冲余量,从而避免生产线的全部中断。因此其生产子过程可视作并联连接。通过式(3)~式(6),可得统计时间内生产中断严重程度的平均值L结合2010年不同生产中断严重程度的数据,可得用户2010年生产中断的权重因子,如表8所示。利用式(19),进而可得用户2010年(i,j)型电压暂降的经济损失,具体数值见表9。综上可得,用户2010年因电压暂降承受的经济损失总值为最后利用上述方法,分别预估2005年至2010年电压暂降给用户带来的经济损失,并与实际返回的统计数据进行对比,所得结果如图4所示。其中预估值为通过本文方法结合生产中断概率与权重因子所得结果,而实际值则是用户返回的每年所承受的实际经济损失。图4中所得预估值的相对误差绝对值如表10所示。由表中数据可得,2006年的相对误差明显较大,结合图4可以看出,作为基数的2006年的电压暂降经济损失本身较小,因此相对误差值高于其他年份。由图4及表10可得,基于本文所提出的评估方法,可以较好地预估电压暂降给用户带来的经济损失。因此,对于数据缺乏的用户,可以参考已有用户的电压暂降单次经济损失数据,通过建模仿真获取用户的生产中断概率及权重因子,从而对电压暂降经济损失进行较为准确的评估。4电压暂降的工厂级集体经济电压暂降会造成用户生产中断,从而产生巨大的经济损失,然而国内相关的研究还处于起步阶段。本文从用户的生产中断特征以及单次电压暂降事件的成本构成两个方面,详细论述了电压暂降的工厂级经济损失的评估方法。