輸變電設(shè)備全壽命周期檢修策略的研究及應(yīng)用?

（蘭州空間技術(shù)物理研究所 蘭州 730030）

1 引言

全壽命周期的成本（LCC）管理，是由設(shè)備/項目長期經(jīng)濟效益入手，綜合考察設(shè)備/項目在全壽命周期內(nèi)的購置、安裝、運行維護、報廢以及設(shè)計、規(guī)劃、制造各階段的成本，研究LCC最優(yōu)管理理念以及方法，這樣做是而為了在經(jīng)濟效益上對企業(yè)有所提升。LCC管理是18世紀初在瑞典鐵路系統(tǒng)中被開發(fā)出來的，20世紀60年代年在USA國防系統(tǒng)得以全面推廣，然后發(fā)布了《LCC估算采購指南》，進而管控在國防上的收支。LCC關(guān)鍵是在工程方面的建設(shè)以及采購設(shè)備等領(lǐng)域被運用。21世紀初期國際大電網(wǎng)會議（CIGRE）將LCC引入設(shè)備管理方面，而且建議其提供設(shè)備的供應(yīng)商也要給出產(chǎn)品的LCC說明。電網(wǎng)公司在系統(tǒng)內(nèi)部，國網(wǎng)上海電力在2004年優(yōu)先在采購設(shè)備中運用了LCC的管理布局［1］，國網(wǎng)公司2010年在“兩會”上給出“提升資產(chǎn)LCC管理，改進設(shè)備應(yīng)用壽命，調(diào)低運維成本”的規(guī)定，大范圍擴展LCC使用于電力設(shè)備慢慢成了組成國民經(jīng)濟的重要板塊，并且也是電力企業(yè)中必備的技術(shù)底蘊和物質(zhì)來源［2～5］。電力企業(yè)在一般狀況下是一種密集型的資產(chǎn)企業(yè)，通常狀況企業(yè)經(jīng)營管理在設(shè)備管理中是極其關(guān)鍵的。合理的企業(yè)經(jīng)營管理能夠給企業(yè)的制造增添新的技術(shù)支撐，能夠讓企業(yè)的日常制造以及營業(yè)范圍完全建立在發(fā)展符合要求、能力超越的物質(zhì)以及能力功底范圍下，從而確保達到企業(yè)的一個經(jīng)營目標［3～4，6～8］。近些年，經(jīng)過民眾產(chǎn)業(yè)的不斷飛速進步和民眾時時改善的生活電氣化程度，電力的需求在我國有了不斷的增長，這使得電力部門加大了對電網(wǎng)的投資建設(shè)力度。對于這種電力設(shè)備的檢修和技術(shù)改造最優(yōu)化方法的研究，可以改進電力公司發(fā)展機制，完善設(shè)備管理水平、確保電網(wǎng)可靠性，提升技能以及公司的潛能是非常關(guān)鍵的［9］。經(jīng)過全能型電力網(wǎng)的一直改進，各式各樣的配電網(wǎng)能夠發(fā)展成個別地區(qū)電力網(wǎng)的關(guān)鍵構(gòu)建模塊，其配電站已經(jīng)成為不可或缺的一部分，它的運維成本變成了公司支付的關(guān)鍵構(gòu)建模塊。當下策略中在檢修上關(guān)鍵有三步，狀態(tài)檢修、計劃檢修、故障檢修［10～12］。這三種的對照按表1表示。前面兩個是當前關(guān)鍵的檢修形式。

表1 三種檢修策略的對比表

通過表1能夠發(fā)現(xiàn)，故障檢修是一種事后的檢修方式，用電過程中其可靠性很難確保；但對于計劃檢修來說，則不需要足夠考察設(shè)備運行情況，通常根據(jù)行業(yè)相關(guān)規(guī)定實施檢修規(guī)劃，保留著欠修以及過修等情況，此類情況會降低設(shè)備安全工作能效以及應(yīng)用壽命［13］。通過一種紅外及部分放射等線上監(jiān)測方式達到檢修目的，對工作過程中的設(shè)備實施必要的參數(shù)分析，進而推斷現(xiàn)在設(shè)備工作情況，然后合理規(guī)劃檢修，并且達到設(shè)備不檢修或者少檢修的目的［14］。

2 LCC檢修成本控制模型的建立

通過研究可得輸變電設(shè)備全壽命成本管理可以用式（1）表示：

其中：LCC表示設(shè)備全壽命周期成本；DC&R分別表示研制費用和研究；PAIE表示采購?fù)顿Y費用；MC&U分別表示維護費用和使用；PE表示采辦費用。本文研究的主要目標是降低LCC中的使用與維護費用。全壽命周期與檢修成本的關(guān)系圖如圖1所示。

圖1 全壽命周期與檢修成本的關(guān)系

由圖1可得，其輸變電設(shè)備使用初期（又被稱作是磨合期），因為其設(shè)備的不穩(wěn)定運行，檢修或檢測設(shè)備是運行過程中需要隨時進行的，所以檢修成本在這個過程中是隨時間慢慢減小變化的，在設(shè)備步入成熟期后，它的運行情況轉(zhuǎn)向平穩(wěn)，其狀態(tài)是處于穩(wěn)定運行的，基本維護費用與設(shè)備正常運行監(jiān)測都屬于檢修成本的范疇，檢修成本這時基本穩(wěn)定，進入成熟期后期，設(shè)備就開始老化，設(shè)備存在的問題主要就是正常操作受阻與運行不穩(wěn)定，檢修成本趨于增高的趨勢。在設(shè)備使用后期，有三種調(diào)節(jié)機制：不做改進、設(shè)備大改進以及去除該設(shè)備；如果選擇設(shè)備大修，初期能夠較大提高檢修成本，新一輪檢修成本周期，在后期又會出現(xiàn)。在使用不及時做處理，會減少其初期以及后期對設(shè)備的使用，設(shè)備運行在后期會出現(xiàn)檢修次數(shù)增加、不穩(wěn)定以及斷電，其過程會迅速增加檢修成本。如果放棄報廢該設(shè)備，盡管它沒有產(chǎn)生檢修成本，但是它的使用價值卻丟失了。通過以上研究所得，對產(chǎn)品全壽命周期檢修成本進行數(shù)學模型的建立。

模型中邊界條件t1，t2，t3的界定主要由內(nèi)、外部因素來決定。使用初期邊界是t1，使用成熟期是t2，使用后期的邊界是t3。

a2，a1，a0，b2，b1，b0，d2，d1，d0為模型中的系數(shù)，通過三個點的數(shù)值來求取其在不同階段的取值。其中a2＞0，b2＞0。由圖得知其數(shù)學模型屬于減函數(shù)，在運用成熟期及初期表現(xiàn)為凹函數(shù)，在運用后期是凸函數(shù)，即

根據(jù)凸凹函數(shù)的性質(zhì)得知||c"(t) 越大，c(t)較陡急，||c"(t) 越小，c(t)較平緩，所以2d2＜2b2＜2a2即d2＜b2＜a2。

通過觀測對檢修成本隨壽命周期變化的關(guān)系圖，得出在機器投入運行初始階段，檢修成本的最低點位置是發(fā)生在投入運行初始點的末端，是設(shè)備工作成熟期中間階段，檢修過程中成本增加率即將達到0。檢修成本重要部分有設(shè)備本身價位改變的費用和工作中保養(yǎng)需求的費用。一般情況下，設(shè)備自身購置成本在不斷地升高（殘值變化在平攤到一個周期之間時也較大），則檢修成本就會相應(yīng)減少，并且有較高設(shè)備檢修成本時，會減少其相應(yīng)的設(shè)備購置成本（殘值變化在平攤到一個周期之間的也較少）。因此，其理論表明，最佳均衡點一定出現(xiàn)在兩者之間，其產(chǎn)品購置成本最低，也是最節(jié)省檢修費用的最佳方案。通過檢修成本所處壽命周期階段性特點，并參考與產(chǎn)品質(zhì)量成本階段性的相似性特點。

2.1 使用初期建模

設(shè)備投運初期檢修成本可依據(jù)田口損失函數(shù)建立如下模型：

式中：V是設(shè)備的故障率，m1為產(chǎn)品日常檢測和保養(yǎng)費用。由產(chǎn)品使用期初檢修成本的加權(quán)值求出m2。

通過指數(shù)函數(shù)對設(shè)備使用初期進行建模：

式中：m1為在正常設(shè)備維護費用情況下控制檢修費用趨于0時所產(chǎn)生的；n1為指數(shù)函數(shù)的斜率，表示為追加成本費用的增長率；m2為設(shè)備購置費用最大值在控制檢修費用趨于0所出現(xiàn)的；n2為指數(shù)函數(shù)的斜率參數(shù)，表示為控制成本費用的增長率；V為設(shè)備的故障率。

2.2 使用成熟期建模

通過科布-道格拉斯生產(chǎn)函數(shù)對設(shè)備成熟期進行建模：

式中：τ1、τ2、σ1、σ2為待估計參數(shù)，且有σ1＞0，σ2＞0；λ表示隨機誤差；V為設(shè)備的故障率。

2.3 使用后期建模

通過K.K.Govil函數(shù)對設(shè)備使用后期進行建模：

式中：K為每次檢修產(chǎn)生的平均費用。

η表示設(shè)備的檢修率，L表示為C2隨不合格率的比值而變化的系數(shù)。

根據(jù)使用成熟期設(shè)備運行的最佳檢修率推導得出：

綜上公式可知，參數(shù)τ1、τ2、σ1、σ2主要決定最佳檢修成本是由來確定。

3 LCC檢修成本控制模型測量分析

對隨機一個變電站斷路器檢修成本進行研究，它的工作年限大約為20年，其中使用初期約為5年，使用成熟期約為10年，使用后期約為5年。統(tǒng)計得知其各階段的檢修成本如表2所示。

表2 斷路器各階段的檢修成本

根據(jù)檢修成本數(shù)學模型將其斷路器各階段的檢修成本表中數(shù)據(jù)代入其數(shù)學模型可得：

在設(shè)備使用初期，其檢修成本每年平均為472.8元。

當5 ≤t≤15時，

在設(shè)備使用成熟期，其檢修成本每年平均為1150.3元。

當15 ≤t≤20時，

在設(shè)備使用后期，其檢修成本每年平均為962.2元。

由以上數(shù)據(jù)觀察得出，其成熟期運行時平均每年的檢修成本最低，因此延長成熟期的時間是檢修成本控制的重點，可以讓檢修成本長期保持在比較低的水平。通過研究檢修成本隨壽命周期變化的情況，對各個階段監(jiān)理的檢修進行數(shù)學模型的建立，由模型得知每個周期檢修成本的最低點，且可以看出哪個階段是我們檢修成本控制的最重要階段，我們選擇設(shè)備時，從采購開始就應(yīng)該注重延長輸變電設(shè)備的運行成熟期，從而降低整個壽命周期內(nèi)的平均檢修成本。同時，運行成熟期的增加也可降低例如斷電成本、其他成本等費用的增加，為輸變電設(shè)備的選擇提供了依據(jù)。

3.1 在制定設(shè)備檢修策略環(huán)節(jié)中的應(yīng)用

在起草產(chǎn)品檢修策略的各個過程時，能夠?qū)CC縮減成該產(chǎn)品檢修開銷的費用。并由運算數(shù)據(jù)對檢修機器實行排序，即可規(guī)劃出高效的檢修方案。和招標步驟不一樣的地方是，此處M的值變越高就體現(xiàn)出檢修情況越緊急，這樣的對比能夠為怎樣合理規(guī)劃已有的檢修費用是非常有效果的。以110kV斷路器的檢修情況來做以闡述，設(shè)備全面性測評能夠有效安排出檢修策略過程的運用辦法。

表3 設(shè)備的測評比對表

表4 設(shè)備的計算指標及分值表

由表4不難得出，運用同樣的風險測評值、檢修費用以及狀態(tài)測評結(jié)果的情景下，在未能運用設(shè)備綜合測評規(guī)劃之前是不能對檢修的緊急性實行順序安排的，采納此計劃以后，就能根據(jù)M值由大到小對檢修順序進行安排。由另一邊出發(fā)能夠得到同樣的效果，從另外條件（風險測評、狀態(tài)測評以及檢修費用）一樣的狀況下，對于可靠性較低的設(shè)備應(yīng)該檢修優(yōu)先進行，由于可靠性低的設(shè)備出現(xiàn)故障的概率較高。

在測算和解讀壽命周期費用時，首先應(yīng)該構(gòu)建它的分支架構(gòu)。以傳統(tǒng)架構(gòu)作為底層外加電力設(shè)備的特性，文中提供了電力設(shè)備費用分配外形結(jié)構(gòu)。通過此方式，應(yīng)該介紹其指定運算實施規(guī)劃比對過程中，外形結(jié)構(gòu)未能包含壽命周期內(nèi)的一切明細成分。由有無對照情況，轉(zhuǎn)變前后一樣或是特別相似的成本以此可以不計，帶有運算不大并不能達到確切比例的成本要素需不易計入。詳細分布如圖2所示，費用分布的確切解讀由初次投入成本。關(guān)鍵部分有組裝調(diào)試費用、機械產(chǎn)品采購費用以及其他相關(guān)費用。采購費用有保險費、專用工具、場地服務(wù)費用、相關(guān)稅費、設(shè)備采購費用、供應(yīng)商運送費以及初次備品備件費等一系列費用。安裝調(diào)配費有業(yè)主方運送費、投運前的調(diào)試費以及設(shè)備建造組裝費。運行成本有平時的巡檢費、環(huán)保費用以及設(shè)備工作階段中的能量損耗費。設(shè)備能量損耗費用有輔助設(shè)備的能耗及設(shè)備本身損耗費用。平時巡檢費有人工費用、巡查設(shè)備和材料費用。環(huán)境保護費用是在工作過程中為能夠達到環(huán)境保護需求應(yīng)該外加開支的費用或是另外開支的環(huán)境保護罰單［15］。就斷路器來說能量損耗費能夠去除，以下就變壓器為例闡述其工作成本中各個費用的通用表示形式。

變壓器的CO等于每年的能量損耗費+環(huán)境保護費+年日常巡檢費；設(shè)備能耗費等于輔助設(shè)備能耗費+設(shè)備本體能耗費；設(shè)備本體能耗費等于空載損耗費用+負載損耗費用；空載損耗費用等于空載損耗保證值×成本電價×年運行小時；負載損耗費用=負載損耗保證值×年負載率×成本電價×年運行小時；變壓器輔助設(shè)備的能耗費用=變壓器輔助設(shè)備總功率×成本電價（輔助設(shè)備總功率根據(jù)設(shè)計值計算）×年運行小時；年日常巡檢費用=設(shè)備占變電站總資產(chǎn)的百分比×變電站年巡檢費用；檢修維護成本有計劃性及非計劃性大修的全部相關(guān)費用、預(yù)防性試驗、小修費用、平日維護保養(yǎng)費；各項費用中含有供貨方給出的設(shè)備材料費；服務(wù)費含有主業(yè)務(wù)方在此活動中給出的材料費、交通費、設(shè)備費及人工費用；車輛根據(jù)臺班定額，人工費根據(jù)工作時長定額運算；檢修維護費及大、小修費用詳細地可用式子列出：該費用=調(diào)試費+供貨方提供的設(shè)備材料費+車輛臺班費+人工費+供貨方提供的服務(wù)費［14］。

圖2 輸變電設(shè)備全壽命周期成本的CBS圖

3.2 全壽命周期成本管理分析

斷路器的LCC管理是通過斷路器，將其看作切入點，全局著手設(shè)備的購買、技改、運行、基建、檢修以及更新到廢棄的整個過程中所出現(xiàn)的每項費用，然后經(jīng)過不斷的經(jīng)濟、技術(shù)、組織舉措就能夠?qū)υO(shè)備在壽命期整個階段出現(xiàn)的費用實施管控，在達到可靠性的背景下尋求物資LCC最低的管控模式。每個單位在籌劃設(shè)計過程中都需要起初實施物資LCC管理思想，把壽命周期費用視為招投標的關(guān)鍵因素，由啟蒙階段出發(fā)管控設(shè)備的壽命周期費用。全壽命周期管理過程由圖3所示。

圖3 全壽命周期管理流程圖

3.3 由維修策略的改變和時機能夠把電力設(shè)備的維修劃分成下面幾種形式

單個設(shè)備的狀態(tài)測評，關(guān)鍵是由此設(shè)備的橫向狀況與相同類型設(shè)備比對，縱向上由本身狀態(tài)考量來測評該設(shè)備性能狀況。電力設(shè)備狀態(tài)檢修的完成全過程由圖4所示。

圖4 狀態(tài)檢修簡易流程圖

4 結(jié)語

通過對LCC檢修成本控制模型的建立，并對其進行計算分析，能夠為LCC輸變電設(shè)備今后大面積發(fā)展以及應(yīng)用保留了參照依據(jù)?？偠灾?，在輸變電站上通過變電技能的不斷改進，每個新技能、新設(shè)計得到了更好的使用。更新一代智能變電站建設(shè)周期短、占地面積少、運維工作量小、集中體現(xiàn)設(shè)備智能化水平高以及可靠性明顯提升的突出特性，達到的建設(shè)要求是“維護簡便、安全可行、節(jié)約環(huán)保、工作自如”，達到推廣運用條件以及較高的參照意義。