裝置設(shè)計(jì)壽命估算方法在變電站LCC招標(biāo)評估中的應(yīng)用

魏勇馬力李志超張喬賓

（1.許繼電氣股份有限公司技術(shù)中心，河南 許昌 461000；2.河南省許昌供電公司，河南 許昌 461000）

1 引言

近年來，隨著國家電力行業(yè)運(yùn)營方式的變革，電力市場化進(jìn)程悄然加速，電網(wǎng)企業(yè)越來越關(guān)注電力設(shè)備資產(chǎn)的投入產(chǎn)出效益及增值能力，并引入了全生命周期成本（LCC）來管理電力資產(chǎn)，以實(shí)現(xiàn)“電網(wǎng)堅(jiān)強(qiáng)，資產(chǎn)優(yōu)良”的發(fā)展目標(biāo)。電力設(shè)備的招投標(biāo)采購是LCC管理鏈條上的一個(gè)重要部分，華東電網(wǎng)公司近兩年已經(jīng)在部分設(shè)備招標(biāo)過程中，如泰和220kV變電站GIS改造工程、500kV世博變電站主設(shè)備、江蘇省110kV變電站二次設(shè)備集中招投標(biāo)等項(xiàng)目采用了LCC方法，探索并取得了一定的成效[1]。國家電網(wǎng)公司2009年召開會議決定將資產(chǎn)全生命周期管理作為未來幾年的重點(diǎn)工作之一，制訂頒布了《國家電網(wǎng)公司資產(chǎn)全壽命周期管理框架體系》，在“應(yīng)急電動車集中招標(biāo)”項(xiàng)目中采用LCC管理方法[2]。變電站的LCC管理也成為高校和研究機(jī)構(gòu)研究熱點(diǎn)內(nèi)容之一，有文獻(xiàn)從LCC視角對變電站建設(shè)及[3]設(shè)備維修策略進(jìn)行了專項(xiàng)研究[4]；華東電科院探討了在變電站數(shù)字化改造過程中采用LCC管理方法，以數(shù)字化設(shè)備狀態(tài)檢修推動成本管理，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量控制、全局決策、管理信息化的構(gòu)想[5]；筆者也曾經(jīng)對數(shù)字化變電站的LCC進(jìn)行了分析，分析結(jié)果以量化的數(shù)據(jù)形式證明了數(shù)字化變電站的先進(jìn)性[6]。

本文分析了變電站自動化系統(tǒng)二次微機(jī)保護(hù)控制設(shè)備LCC的主要組成部分，并就其要素之一的產(chǎn)品設(shè)計(jì)壽命估算作為重點(diǎn)研究內(nèi)容，并將微機(jī)保護(hù)裝置設(shè)計(jì)壽命估算方法應(yīng)用到變電站自動化系統(tǒng)LCC招投標(biāo)評估中，主要包括以下內(nèi)容：

（1）從 LCC視角對變電站自動化系統(tǒng)二次保護(hù)控制招投標(biāo)過程的評標(biāo)方法進(jìn)行分析。

（2）微機(jī)保護(hù)裝置LCC組成要素分解。

（3）采用可靠性應(yīng)力分析方法對微機(jī)保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)壽命估算進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。

（4）微機(jī)保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)壽命量化估算。

2 變電站自動化系統(tǒng)招投標(biāo)評價(jià)方法對比

現(xiàn)階段變電站自動化系統(tǒng)招投標(biāo)中，最后決定設(shè)備中標(biāo)方的依據(jù)一般是基于“商務(wù)評價(jià)+技術(shù)評價(jià)”的最終分?jǐn)?shù)[7]，在入圍廠家技術(shù)水平大致相當(dāng)?shù)臈l件下，主要看商務(wù)評價(jià)，而且從近幾年的實(shí)際招標(biāo)情況來看，商務(wù)評價(jià)更具有最終的決定權(quán)，這種趨勢愈發(fā)明顯，這在國家電網(wǎng)2008～2009年的框架式集中招標(biāo)中體現(xiàn)地淋漓盡致，這種采購招標(biāo)方法基本上是以最低價(jià)或性價(jià)比最優(yōu)為項(xiàng)目中標(biāo)策略，比較側(cè)重初期的投資成本或采購成本，忽略了設(shè)備購置投運(yùn)后的使用壽命、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用等，這恰恰是不小的一筆隱形成本，這種招標(biāo)采購模式是不能適應(yīng)設(shè)備資產(chǎn)LCC管理需要的。

LCC方法是從設(shè)備/系統(tǒng)或項(xiàng)目的長期經(jīng)濟(jì)效益出發(fā)，全面考慮設(shè)備/系統(tǒng)或項(xiàng)目的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、制造、購置、安裝、運(yùn)行、維修、改造、更新、直至報(bào)廢的全過程，在滿足性能/可靠性的前提下使全壽命周期費(fèi)用最小的一種理念和方法。在設(shè)備采購中，不僅僅是考慮設(shè)備的購買價(jià)格，而更要考慮設(shè)備在整個(gè)全壽命周期內(nèi)的支持費(fèi)用，包括安裝、運(yùn)行、維修、改造、更新直至報(bào)廢的全過程，其核心內(nèi)容是對設(shè)備或系統(tǒng)的LCC進(jìn)行分析計(jì)算，以量化值進(jìn)行決策。

采用LCC方法進(jìn)行變電站自動化系統(tǒng)的招標(biāo)和評標(biāo)，有利于促進(jìn)對輸變電工程前期規(guī)劃、方案設(shè)計(jì)、設(shè)備采購、施工安裝、運(yùn)行維護(hù)、回收利用等各個(gè)階段進(jìn)行全系統(tǒng)、全過程、全費(fèi)用的優(yōu)化；有利于電網(wǎng)建設(shè)和改造項(xiàng)目管理理念和方法的創(chuàng)新，有利于電網(wǎng)長期安全可靠運(yùn)行，有利于供需雙方整體利益的最大化。

3 微機(jī)保護(hù)產(chǎn)品LCC要素分解

根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)60300-3-3（可靠性管理第3部分應(yīng)用指南第3節(jié)）壽命周期成本中的全壽命周期成本(LCC)的定義[8]，電網(wǎng)資產(chǎn)壽命主要包括自然壽命（指由于物理損耗達(dá)到停止使用狀態(tài)的時(shí)間）和技術(shù)壽命（指開始使用到因技術(shù)落后而被淘汰的時(shí)間），以及經(jīng)濟(jì)壽命（指開始使用到平均總費(fèi)用為最低的時(shí)間，因?yàn)橐勒誏CC的“浴盆模型”理論，資產(chǎn)的年化成本從購置后攤薄到使用周期年限內(nèi)經(jīng)歷一個(gè)“減小－持平－增加”的過程）。對應(yīng)于傳統(tǒng)的電網(wǎng)資產(chǎn)管理，就是設(shè)計(jì)壽命和使用壽命。對電網(wǎng)企業(yè)業(yè)主而言，在設(shè)備資產(chǎn)購入之前（設(shè)備招投標(biāo)為分界線）以設(shè)計(jì)壽命形式體現(xiàn)，在設(shè)備資產(chǎn)購入之后，以使用壽命形式體現(xiàn)。本文就變電站自動化系統(tǒng)二次設(shè)備（微機(jī)保護(hù)裝置為代表）招投標(biāo)階段使用壽命的估算方法進(jìn)行專題研究。

4 可靠性應(yīng)力分析方法

微機(jī)保護(hù)裝置主要由大量電子元器件以模件化（插件）形式構(gòu)成，國內(nèi)有文獻(xiàn)對電力系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置運(yùn)行可靠性指標(biāo)進(jìn)行了研究[9]。

裝置的設(shè)計(jì)壽命估算可以通過可靠性預(yù)計(jì)基礎(chǔ)理論來實(shí)現(xiàn)，目前主流的方法包括元件計(jì)數(shù)法、相似設(shè)備法、相似電路法、元器件應(yīng)力分析法[10]，國際上有文獻(xiàn)對電池的設(shè)計(jì)壽命依照可靠性預(yù)計(jì)理論進(jìn)行了論述[11-12]，本文將采用可靠性應(yīng)力分析法對微機(jī)保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)壽命進(jìn)行估算。

元器件應(yīng)力分析法是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的后期（技術(shù)設(shè)計(jì)）階段的可靠性預(yù)計(jì)。這時(shí)產(chǎn)品已有原理圖、詳細(xì)工作電路圖、結(jié)構(gòu)圖、詳細(xì)的元器件清單，而且在產(chǎn)品的使用環(huán)境，元器件的質(zhì)量等級和工作應(yīng)力已確定的條件下應(yīng)用。此法以元器件的基本失效率λb為基礎(chǔ)，根據(jù)元器件使用環(huán)境、質(zhì)量等級、工作能力、工作方式以及對產(chǎn)品的制造工藝等項(xiàng)的不同，計(jì)算出元器件的工作失效率λp（使用失效率），進(jìn)而求出單插件的失效率λsp。

式中，n為插件元件種類數(shù)，m為每種元件數(shù)量。

本文取裝置的平均無故障時(shí)間MTBF（Mean Time Between Failures）作為裝置的設(shè)計(jì)壽命，MTBF包括兩部分：平均故障前時(shí)間MTTF（Mean Time To Failures）和平均修復(fù)時(shí)間MTTR（Mean TimeTo Repair），其中，MTTF對應(yīng)于裝置的免維壽命。

對于整個(gè)裝置一般計(jì)算關(guān)鍵插件（電源插件）失效率即可，因?yàn)槠渌寮睦碚撌氏啾扔陔娫床寮欠浅５偷模硗馕C(jī)保護(hù)裝置基本都是依照插件級進(jìn)行維護(hù)的，所以在進(jìn)行裝置設(shè)計(jì)壽命預(yù)估時(shí)一般按照最小插件壽命進(jìn)行預(yù)估裝置設(shè)計(jì)壽命即可，可以將裝置內(nèi)所有插件均工作正常的設(shè)計(jì)壽命定義為裝置免維壽命。

5 微機(jī)保護(hù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)壽命估算

微機(jī)保護(hù)產(chǎn)品一般采用插件化設(shè)計(jì)，主要包括電源插件、開入插件、開出插件、交流變換插件、采保插件、人機(jī)接口插件、各功能CPU插件。下面對各功能插件進(jìn)行分類壽命估算。各電子元器件的工作失效率λp均取自各產(chǎn)品技術(shù)明細(xì)手冊，并遵循相關(guān)國家檢測標(biāo)準(zhǔn)：《GB/T 1772-1979電子元器件失效率試驗(yàn)方法》。

由于數(shù)字化變電站微機(jī)保護(hù)裝置沒有開入插件、開出插件、交流插件、采保插件，對這類裝置的設(shè)計(jì)壽命估算可不考慮這些插件。

在微機(jī)保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)壽命估算中，插件級的壽命預(yù)估采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)，即假設(shè)插件上任何一個(gè)元器件的損壞均導(dǎo)致插件壽命終結(jié)；裝置級的壽命預(yù)估采用并串聯(lián)的混合結(jié)構(gòu)，即對關(guān)鍵易損插件（如電源插件等）采用冗余方式，這些冗余插件是并聯(lián)結(jié)構(gòu)，再和其它插件一起組成串聯(lián)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 微機(jī)保護(hù)裝置混合結(jié)構(gòu)壽命估算

假設(shè)圖1中主電源插件和備電源插件采用相同設(shè)計(jì)（俗稱“雙電源”方式），單個(gè)電源插件的失效率為λp，則“等效”電源插件的失效率為

5.1 電源插件的設(shè)計(jì)壽命預(yù)估

工作條件：取額定狀態(tài)（直流電壓220V、工作環(huán)境溫度25℃），插件的各電子元器件的工作失效率λp如表1所示。

表1 電源插件各元件λp列表

電源插件的MTBF計(jì)算如下：

MTBF=1/λsp=17.24萬小時(shí)，按照裝置每年365天，每天24小時(shí)運(yùn)行計(jì)算，設(shè)計(jì)壽命（下面簡稱年化設(shè)計(jì)壽命）為19.68年。

5.2 開入插件的設(shè)計(jì)壽命預(yù)估

工作條件：取額定狀態(tài)。（30路開入、直流電壓220V、工作環(huán)境溫度25℃），插件的各電子元器件的工作失效率λp如表2所示。

表2 開入插件各元件λp列表

開入插件的MTBF計(jì)算如下：

MTBF=1/λsp=24.46萬小時(shí)，按照裝置每年365天，每天24小時(shí)運(yùn)行計(jì)算，設(shè)計(jì)壽命為27.92年。

5.3 開出插件的設(shè)計(jì)壽命預(yù)估

工作條件：取額定狀態(tài)。（16路開出、直流24V驅(qū)動、負(fù)載5A/250V AC 5A/30V DC工作環(huán)境溫度25℃），插件的各電子元器件的工作失效率λp如表3所示。

表3 開出插件各元件λp列表

出口插件的MTBF計(jì)算如下：

MTBF=1/λsp=29.43萬小時(shí)，年化設(shè)計(jì)壽命為33.59年。

5.4 交流變換插件的設(shè)計(jì)壽命預(yù)估

工作條件：取額定狀態(tài)。（8路電流、6路電壓；施加交流電流 5A、交流電壓100V、工作環(huán)境溫度25℃），插件的各電子元器件的工作失效率λp如表4所示。

表4 交流變換插件各元件λp列表

交流變換插件的MTBF計(jì)算如下：

MTBF=1/λsp=32.07萬小時(shí)，年化設(shè)計(jì)壽命為36.62年。

5.5 人機(jī)接口插件設(shè)計(jì)壽命預(yù)估

工作條件：取額定狀態(tài)。（2路以太網(wǎng)、4路異步串行口；液晶接口、鍵盤管理、工作環(huán)境溫度25℃），插件的各電子元器件的工作失效率λp如表5所示。

表5 人機(jī)接口插件各元件λp列表

人機(jī)接口插件的MTBF計(jì)算如下：

MTBF=1/λsp=31.09萬小時(shí)，年化設(shè)計(jì)壽命為35.49年。

5.6 功能CPU插件設(shè)計(jì)壽命預(yù)估

工作條件：取額定狀態(tài)。（32路開入、32路開出、2路模擬量轉(zhuǎn)換、LON網(wǎng)絡(luò)、工作環(huán)境溫度25℃），插件的各電子元器件的工作失效率λp如表6所示。

表6 CPU插件各元件λp列表

功能CPU插件的MTBF計(jì)算如下：

MTBF=1/λsp=34.18萬小時(shí)，年化設(shè)計(jì)壽命為39.02年。

5.7 采保插件的設(shè)計(jì)壽命預(yù)估

工作條件：取額定狀態(tài)。（76路模擬量輸入、工作環(huán)境溫度25℃），插件的各電子元器件的工作失效率λp如表7所示。

表7 采保插件各元件λp列表

采保插件的MTBF計(jì)算如下：

MTBF=1/λsp=19.06萬小時(shí)，年化設(shè)計(jì)壽命為21.75年。

5.8 典型整機(jī)裝置設(shè)計(jì)壽命預(yù)估

通過前面的分析，可以得到微機(jī)保護(hù)產(chǎn)品各插件在各自額定工作條件下的設(shè)計(jì)壽命如表8所示。

表8 裝置各主要插件λp列表

從表8數(shù)據(jù)可以看出電源插件、采保插件、開入插件為設(shè)計(jì)壽命較短的部件，現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行情況和這個(gè)情況基本吻合?？梢郧宄乜闯鍪悄男╇娮釉骷绊懥烁鞑寮O(shè)計(jì)壽命，制造廠商研發(fā)人員可以據(jù)此按圖索驥，改進(jìn)設(shè)計(jì)。

鑒于裝置的整機(jī)設(shè)計(jì)壽命主要取決于關(guān)鍵易損壞插件，如電源插件等的設(shè)計(jì)壽命，所以一般可以取電源插件的設(shè)計(jì)壽命作為整機(jī)設(shè)計(jì)壽命。

下面再分析一下整機(jī)的免維壽命，假設(shè)微機(jī)裝置每一插件的失效率為λpd，則整機(jī)的失效率λspd依據(jù)式（1），可得到

式中，n為裝置插件種類數(shù)，m為每種插件數(shù)量。

一個(gè)典型的微機(jī)保護(hù)裝置一般有2塊CPU插件，其余插件各1，則裝置整機(jī)失效率為

MTBF=1/λspd=3.256萬小時(shí)，年化免維壽命為3.72年。

5.9 分析

通過前面對微機(jī)保護(hù)裝置設(shè)計(jì)壽命的推理和計(jì)算得知，裝置壽命主要取決于關(guān)鍵易損插件及關(guān)鍵易損電子元器件的可靠性。在產(chǎn)品實(shí)際設(shè)計(jì)中，在兼顧經(jīng)濟(jì)型基礎(chǔ)上，可以對關(guān)鍵易損插件進(jìn)行雙重化設(shè)計(jì)，對關(guān)鍵易損電子元器件選用高質(zhì)量器件，如軍品器件等，提高裝置整機(jī)的可靠性。

6 結(jié)論

本文通過對變電站自動化系統(tǒng)招投標(biāo)評標(biāo)方法的分析，說明了基于LCC的綜合評標(biāo)方法更加科學(xué)，相信這種方法以后將會逐步得到推廣應(yīng)用。

通過對微機(jī)保護(hù)裝置的LCC要素分解可知產(chǎn)品的設(shè)計(jì)壽命估算是在招投標(biāo)綜合評價(jià)LCC時(shí)的一個(gè)重要組成部分，采用可靠性應(yīng)力分析方法對微機(jī)保護(hù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)壽命估算進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模，并從細(xì)小的元器件到典型的微機(jī)保護(hù)產(chǎn)品整機(jī)都進(jìn)行了量化計(jì)算，這種方法非常直觀、可操作，便于使用，使得電網(wǎng)企業(yè)微機(jī)保護(hù)設(shè)備資產(chǎn)的備品備件、退役、報(bào)廢等成本得到量化。進(jìn)而可以完善供應(yīng)商供貨能力評估模型，提高在二次設(shè)備招標(biāo)采購中，設(shè)備質(zhì)量對供應(yīng)商的約束性。另外，本文研究成果對于電力系統(tǒng)繼電保護(hù)設(shè)備生產(chǎn)廠商優(yōu)化硬件產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案，提高微機(jī)保護(hù)設(shè)備的可靠性也具有一定參考價(jià)值。

本文研究成果已經(jīng)在 2009年江蘇110kV變電站自動化系統(tǒng)設(shè)備集中招標(biāo)中（江蘇省的LCC試點(diǎn)項(xiàng)目）得到了實(shí)際的應(yīng)用，取到了較好的效果[13]。

在國家電網(wǎng)公司“電網(wǎng)堅(jiān)強(qiáng)、資產(chǎn)優(yōu)良”的發(fā)展目標(biāo)驅(qū)動下，隨著框架式集中招標(biāo)模式的逐步推廣應(yīng)用，本文研究成果勢必會發(fā)揮更大的作用。

[1]關(guān)于印發(fā)《國家電網(wǎng)公司資產(chǎn)全壽命周期管理框架體系》的通知.國家電網(wǎng)公司.2009年130號.

[2]資產(chǎn)全生命周期管理工作簡報(bào).國家電網(wǎng)公司,2009年第2期.

[3]張俊.基于全壽命周期成本(LCC)的變電站建設(shè)的決策分析[D].碩士學(xué)位論文,重慶大學(xué),2007.

[4]張黎明.基于全生命周期成本管理的變電設(shè)備維修決策研究[D].碩士學(xué)位論文,浙江工業(yè)大學(xué),2009.

[5]楊凌輝.變電站數(shù)字化進(jìn)程中的資產(chǎn)全壽命周期管理思考[J].華東電力,2008,36(11).

[6]魏勇.淺析全數(shù)字化變電站二次系統(tǒng)的全生命周期成本管理[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2010, 38(4).

[7]殷可.全壽命周期成本(LCC)在變電站主設(shè)備招標(biāo)采購中的研究與實(shí)踐[J].華東電力,2009, 37(3).

[8]International Standard IEC300-3-3,Life cycle costing,1996:27-28.

[9]曾克娥.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置運(yùn)行可靠性指標(biāo)探討[J].電網(wǎng)技術(shù),2004,28(14):83-85.

[10]張?jiān)稣?潘勇.電子產(chǎn)品可靠性預(yù)計(jì)[M].北京:科學(xué)出版社, 2007.9.

[11]Green.A.Life cycle costing for batteries in telecom applications. Telecommunications Energy Conference,1998(10):1-7.

[12]McDowall.J.Battery life considerations in energy storage applications and their effect on life cycle costing.Power Engineering Society Summer Meeting,2001. IEEE,2001(1):452-455.

[13]變電站全生命周期費(fèi)用招標(biāo).招標(biāo)技術(shù)規(guī)范書.江蘇電網(wǎng)公司,2009.7.