近年來(lái)，隨著國(guó)家電力行業(yè)運(yùn)營(yíng)方式的變革，電力市場(chǎng)化進(jìn)程悄然加速，電網(wǎng)企業(yè)越來(lái)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(lái)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)。

本文分析了變電站自動(dòng)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?jī)?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(dòng)化系統(tǒng)LCC招投標(biāo)評(píng)估中，主要包括以下內(nèi)容：

• 從LCC視角對(duì)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)二次保護(hù)控制招投標(biāo)過(guò)程的評(píng)標(biāo)方法進(jìn)行分析；
• 微機(jī)保護(hù)裝置LCC組成要素分解；
• 采用可靠性應(yīng)力分析方法對(duì)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；
• 微機(jī)保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)壽命量化估算。

1. 變電站自動(dòng)化系統(tǒng)招投標(biāo)評(píng)價(jià)方法對(duì)比

現(xiàn)階段變電站自動(dòng)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(píng)價(jià)+技術(shù)評(píng)價(jià)”的最終分?jǐn)?shù)，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(píng)價(jià)，而且從近幾年的實(shí)際招標(biāo)情況來(lái)看，商務(wù)評(píng)價(jià)更具有最終的決定權(quán)，這種趨勢(shì)愈發(fā)明顯。

這種采購(gòu)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(gòu)成本，忽略了設(shè)備購(gòu)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(gòu)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(zhǎng)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(gòu)置、安裝、運(yùn)行、維修、改造、更新、直至報(bào)廢的全過(guò)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(gòu)中，不僅僅是考慮設(shè)備的購(gòu)買(mǎi)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(guò)程，其核心內(nèi)容是對(duì)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(dòng)化系統(tǒng)的招標(biāo)和評(píng)標(biāo)，有利于促進(jìn)對(duì)輸變電工程前期規(guī)劃、方案設(shè)計(jì)、設(shè)備采購(gòu)、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(guò)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(zhǎng)期安全可靠運(yùn)行，有利于供需雙方整體利益的最大化。

2. 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，電網(wǎng)資產(chǎn)壽命主要包括自然壽命（指由于物理?yè)p耗達(dá)到停止使用狀態(tài)的時(shí)間）和技術(shù)壽命（指開(kāi)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(kāi)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(gòu)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(guò)程）。

對(duì)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(duì)電網(wǎng)企業(yè)業(yè)主而言，在設(shè)備資產(chǎn)購(gòu)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(gòu)入之后，以使用壽命形式體現(xiàn)。本文就變電站自動(dòng)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。

3. 可靠性應(yīng)力分析方法（略）

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(guó)內(nèi)有文獻(xiàn)對(duì)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。

裝置的設(shè)計(jì)壽命估算可以通過(guò)可靠性預(yù)計(jì)基礎(chǔ)理論來(lái)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，國(guó)際上有文獻(xiàn)對(duì)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，本文將采用可靠性應(yīng)力分析法對(duì)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(jí)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λ_b為基礎(chǔ)，根據(jù)元器件使用環(huán)境、質(zhì)量等級(jí)、工作能力、工作方式以及對(duì)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λ_p（使用失效率），進(jìn)而求出單插件的失效率λ_sp。

本文取裝置的平均無(wú)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 Time To Repair），其中，MTTF對(duì)應(yīng)于裝置的免維壽命。

對(duì)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?，另外微機(jī)保護(hù)裝置基本都是依照插件級(jí)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。

4. 微機(jī)保護(hù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)壽命估算（略）

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(kāi)入插件、開(kāi)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(duì)各功能插件進(jìn)行分類(lèi)壽命估算。各電子元器件的工作失效率λ_p均取自各產(chǎn)品技術(shù)明細(xì)手冊(cè)，并遵循相關(guān)國(guó)家檢測(cè)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(méi)有開(kāi)入插件、開(kāi)出插件、交流插件、采保插件，對(duì)這類(lèi)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(jí)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(jí)的壽命預(yù)估采用并串聯(lián)的混合結(jié)構(gòu)，即對(duì)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λ_p，則“等效”電源插件的失效率為1-(1-0.5)*(1-0.5)=0.75λ_p。

4.1 電源插件的設(shè)計(jì)壽命預(yù)估

4.2 開(kāi)入插件的設(shè)計(jì)壽命預(yù)估

4.3 開(kāi)出插件的設(shè)計(jì)壽命預(yù)估

4.4 交流變換插件的設(shè)計(jì)壽命預(yù)估

4.5 人機(jī)接口插件設(shè)計(jì)壽命預(yù)估

4.6 功能CPU插件設(shè)計(jì)壽命預(yù)估

4.7 采保插件的設(shè)計(jì)壽命預(yù)估

4.8 典型整機(jī)裝置設(shè)計(jì)壽命預(yù)估

通過(guò)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。

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。

4.9 分析

通過(guò)前面對(duì)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(duì)關(guān)鍵易損插件進(jìn)行雙重化設(shè)計(jì)，對(duì)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。

結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)招投標(biāo)評(píng)標(biāo)方法的分析，說(shuō)明了基于LCC的綜合評(píng)標(biāo)方法更加科學(xué)，相信這種方法以后將會(huì)逐步得到推廣應(yīng)用。

通過(guò)對(duì)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(píng)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(duì)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(píng)估模型，提高在二次設(shè)備招標(biāo)采購(gòu)中，設(shè)備質(zhì)量對(duì)供應(yīng)商的約束性。另外，本文研究成果對(duì)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(dòng)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。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(shì)必會(huì)發(fā)揮更大的作用。

（編自《電氣技術(shù)》，原文標(biāo)題為“裝置設(shè)計(jì)壽命估算方法在變電站LCC招標(biāo)評(píng)估中的應(yīng)用”，作者為魏勇、馬力 等。）