裝置設計壽命估算方法在變電站LCC招標評估中的應用

魏勇馬力李志超張喬賓

（1.許繼電氣股份有限公司技術中心，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)運營方式的變革，電力市場化進程悄然加速，電網(wǎng)企業(yè)越來越關注電力設備資產(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)，以實現(xiàn)“電網(wǎng)堅強，資產(chǎn)優(yōu)良”的發(fā)展目標。電力設備的招投標采購是LCC管理鏈條上的一個重要部分，華東電網(wǎng)公司近兩年已經(jīng)在部分設備招標過程中，如泰和220kV變電站GIS改造工程、500kV世博變電站主設備、江蘇省110kV變電站二次設備集中招投標等項目采用了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“應急電動車集中招標”項目中采用LCC管理方法[2]。變電站的LCC管理也成為高校和研究機構(gòu)研究熱點內(nèi)容之一，有文獻從LCC視角對變電站建設及[3]設備維修策略進行了專項研究[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)字化設備狀態(tài)檢修推動成本管理，實現(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)字化變電站的先進性[6]。

本文分析了變電站自動化系統(tǒng)二次微機保護控制設備LCC的主要組成部分，并就其要素之一的產(chǎn)品設計壽命估算作為重點研究內(nèi)容，并將微機保護裝置設計壽命估算方法應用到變電站自動化系統(tǒng)LCC招投標評估中，主要包括以下內(nèi)容：

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

（2）微機保護裝置LCC組成要素分解。

（3）采用可靠性應力分析方法對微機保護裝置的設計壽命估算進行數(shù)學建模。

（4）微機保護裝置的設計壽命量化估算。

2 變電站自動化系統(tǒng)招投標評價方法對比

現(xiàn)階段變電站自動化系統(tǒng)招投標中，最后決定設備中標方的依據(jù)一般是基于“商務評價+技術評價”的最終分數(shù)[7]，在入圍廠家技術水平大致相當?shù)臈l件下，主要看商務評價，而且從近幾年的實際招標情況來看，商務評價更具有最終的決定權，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中體現(xiàn)地淋漓盡致，這種采購招標方法基本上是以最低價或性價比最優(yōu)為項目中標策略，比較側(cè)重初期的投資成本或采購成本，忽略了設備購置投運后的使用壽命、運行維護費用等，這恰恰是不小的一筆隱形成本，這種招標采購模式是不能適應設備資產(chǎn)LCC管理需要的。

LCC方法是從設備/系統(tǒng)或項目的長期經(jīng)濟效益出發(fā)，全面考慮設備/系統(tǒng)或項目的規(guī)劃、設計、制造、購置、安裝、運行、維修、改造、更新、直至報廢的全過程，在滿足性能/可靠性的前提下使全壽命周期費用最小的一種理念和方法。在設備采購中，不僅僅是考慮設備的購買價格，而更要考慮設備在整個全壽命周期內(nèi)的支持費用，包括安裝、運行、維修、改造、更新直至報廢的全過程，其核心內(nèi)容是對設備或系統(tǒng)的LCC進行分析計算，以量化值進行決策。

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

3 微機保護產(chǎn)品LCC要素分解

根據(jù)IEC標準60300-3-3（可靠性管理第3部分應用指南第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（指由于物理損耗達到停止使用狀態(tài)的時間）和技術壽命（指開始使用到因技術落后而被淘汰的時間），以及經(jīng)濟壽命（指開始使用到平均總費用為最低的時間，因為依照LCC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“減小－持平－增加”的過程）。對應于傳統(tǒng)的電網(wǎng)資產(chǎn)管理，就是設計壽命和使用壽命。對電網(wǎng)企業(yè)業(yè)主而言，在設備資產(chǎn)購入之前（設備招投標為分界線）以設計壽命形式體現(xiàn)，在設備資產(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)二次設備（微機保護裝置為代表）招投標階段使用壽命的估算方法進行專題研究。

4 可靠性應力分析方法

微機保護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)有文獻對電力系統(tǒng)繼電保護裝置運行可靠性指標進行了研究[9]。

裝置的設計壽命估算可以通過可靠性預計基礎理論來實現(xiàn)，目前主流的方法包括元件計數(shù)法、相似設備法、相似電路法、元器件應力分析法[10]，國際上有文獻對電池的設計壽命依照可靠性預計理論進行了論述[11-12]，本文將采用可靠性應力分析法對微機保護裝置的設計壽命進行估算。

元器件應力分析法是在產(chǎn)品設計的后期（技術設計）階段的可靠性預計。這時產(chǎn)品已有原理圖、詳細工作電路圖、結(jié)構(gòu)圖、詳細的元器件清單，而且在產(chǎn)品的使用環(huán)境，元器件的質(zhì)量等級和工作應力已確定的條件下應用。此法以元器件的基本失效率λb為基礎，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)品的制造工藝等項的不同，計算出元器件的工作失效率λp（使用失效率），進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間MTBF（Mean Time Between Failures）作為裝置的設計壽命，MTBF包括兩部分：平均故障前時間MTTF（Mean Time To Failures）和平均修復時間MTTR（Mean TimeTo Repair），其中，MTTF對應于裝置的免維壽命。

對于整個裝置一般計算關鍵插件（電源插件）失效率即可，因為其他插件的理論失效率相比于電源插件是非常低的，另外微機保護裝置基本都是依照插件級進行維護的，所以在進行裝置設計壽命預估時一般按照最小插件壽命進行預估裝置設計壽命即可，可以將裝置內(nèi)所有插件均工作正常的設計壽命定義為裝置免維壽命。

5 微機保護產(chǎn)品設計壽命估算

微機保護產(chǎn)品一般采用插件化設計，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、人機接口插件、各功能CPU插件。下面對各功能插件進行分類壽命估算。各電子元器件的工作失效率λp均取自各產(chǎn)品技術明細手冊，并遵循相關國家檢測標準：《GB/T 1772-1979電子元器件失效率試驗方法》。

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

在微機保護裝置的設計壽命估算中，插件級的壽命預估采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)，即假設插件上任何一個元器件的損壞均導致插件壽命終結(jié)；裝置級的壽命預估采用并串聯(lián)的混合結(jié)構(gòu)，即對關鍵易損插件（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 微機保護裝置混合結(jié)構(gòu)壽命估算

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

5.1 電源插件的設計壽命預估

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計算如下：

MTBF=1/λsp=17.24萬小時，按照裝置每年365天，每天24小時運行計算，設計壽命（下面簡稱年化設計壽命）為19.68年。

5.2 開入插件的設計壽命預估

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計算如下：

MTBF=1/λsp=24.46萬小時，按照裝置每年365天，每天24小時運行計算，設計壽命為27.92年。

5.3 開出插件的設計壽命預估

工作條件：取額定狀態(tài)。（16路開出、直流24V驅(qū)動、負載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計算如下：

MTBF=1/λsp=29.43萬小時，年化設計壽命為33.59年。

5.4 交流變換插件的設計壽命預估

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計算如下：

MTBF=1/λsp=32.07萬小時，年化設計壽命為36.62年。

5.5 人機接口插件設計壽命預估

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 人機接口插件各元件λp列表

人機接口插件的MTBF計算如下：

MTBF=1/λsp=31.09萬小時，年化設計壽命為35.49年。

5.6 功能CPU插件設計壽命預估

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、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計算如下：

MTBF=1/λsp=34.18萬小時，年化設計壽命為39.02年。

5.7 采保插件的設計壽命預估

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計算如下：

MTBF=1/λsp=19.06萬小時，年化設計壽命為21.75年。

5.8 典型整機裝置設計壽命預估

通過前面的分析，可以得到微機保護產(chǎn)品各插件在各自額定工作條件下的設計壽命如表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、開入插件為設計壽命較短的部件，現(xiàn)場實際運行情況和這個情況基本吻合。可以清楚地看出是哪些電子元器件影響了各插件設計壽命，制造廠商研發(fā)人員可以據(jù)此按圖索驥，改進設計。

鑒于裝置的整機設計壽命主要取決于關鍵易損壞插件，如電源插件等的設計壽命，所以一般可以取電源插件的設計壽命作為整機設計壽命。

下面再分析一下整機的免維壽命，假設微機裝置每一插件的失效率為λpd，則整機的失效率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。

一個典型的微機保護裝置一般有2塊CPU插件，其余插件各1，則裝置整機失效率為

MTBF=1/λspd=3.256萬小時，年化免維壽命為3.72年。

5.9 分析

通過前面對微機保護裝置設計壽命的推理和計算得知，裝置壽命主要取決于關鍵易損插件及關鍵易損電子元器件的可靠性。在產(chǎn)品實際設計中，在兼顧經(jīng)濟型基礎上，可以對關鍵易損插件進行雙重化設計，對關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)招投標評標方法的分析，說明了基于LCC的綜合評標方法更加科學，相信這種方法以后將會逐步得到推廣應用。

通過對微機保護裝置的LCC要素分解可知產(chǎn)品的設計壽命估算是在招投標綜合評價LCC時的一個重要組成部分，采用可靠性應力分析方法對微機保護產(chǎn)品的設計壽命估算進行了數(shù)學建模，并從細小的元器件到典型的微機保護產(chǎn)品整機都進行了量化計算，這種方法非常直觀、可操作，便于使用，使得電網(wǎng)企業(yè)微機保護設備資產(chǎn)的備品備件、退役、報廢等成本得到量化。進而可以完善供應商供貨能力評估模型，提高在二次設備招標采購中，設備質(zhì)量對供應商的約束性。另外，本文研究成果對于電力系統(tǒng)繼電保護設備生產(chǎn)廠商優(yōu)化硬件產(chǎn)品設計方案，提高微機保護設備的可靠性也具有一定參考價值。

本文研究成果已經(jīng)在 2009年江蘇110kV變電站自動化系統(tǒng)設備集中招標中（江蘇省的LCC試點項目）得到了實際的應用，取到了較好的效果[13]。

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

[1]關于印發(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.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)的變電站建設的決策分析[D].碩士學位論文,重慶大學,2007.

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

[5]楊凌輝.變電站數(shù)字化進程中的資產(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)保護與控制, 2010, 38(4).

[7]殷可.全壽命周期成本(LCC)在變電站主設備招標采購中的研究與實踐[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)繼電保護裝置運行可靠性指標探討[J].電網(wǎng)技術,2004,28(14):83-85.

[10]張增照,潘勇.電子產(chǎn)品可靠性預計[M].北京:科學出版社, 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用招標.招標技術規(guī)范書.江蘇電網(wǎng)公司,2009.7.