装置设计寿命估算方法在变电站LCC招标评估中的应用

魏勇马力李志超张乔宾

（1.许继电气股份有限公司技术中心，河南 许昌 461000；2.河南省许昌供电公司，河南 许昌 461000）

1 引言

近年来，随着国家电力行业运营方式的变革，电力市场化进程悄然加速，电网企业越来越关注电力设备资产的投入产出效益及增值能力，并引入了全生命周期成本（LCC）来管理电力资产，以实现“电网坚强，资产优良”的发展目标。电力设备的招投标采购是LCC管理链条上的一个重要部分，华东电网公司近两年已经在部分设备招标过程中，如泰和220kV变电站GIS改造工程、500kV世博变电站主设备、江苏省110kV变电站二次设备集中招投标等项目采用了LCC方法，探索并取得了一定的成效[1]。国家电网公司2009年召开会议决定将资产全生命周期管理作为未来几年的重点工作之一，制订颁布了《国家电网公司资产全寿命周期管理框架体系》，在“应急电动车集中招标”项目中采用LCC管理方法[2]。变电站的LCC管理也成为高校和研究机构研究热点内容之一，有文献从LCC视角对变电站建设及[3]设备维修策略进行了专项研究[4]；华东电科院探讨了在变电站数字化改造过程中采用LCC管理方法，以数字化设备状态检修推动成本管理，实现质量控制、全局决策、管理信息化的构想[5]；笔者也曾经对数字化变电站的LCC进行了分析，分析结果以量化的数据形式证明了数字化变电站的先进性[6]。

本文分析了变电站自动化系统二次微机保护控制设备LCC的主要组成部分，并就其要素之一的产品设计寿命估算作为重点研究内容，并将微机保护装置设计寿命估算方法应用到变电站自动化系统LCC招投标评估中，主要包括以下内容：

（1）从 LCC视角对变电站自动化系统二次保护控制招投标过程的评标方法进行分析。

（2）微机保护装置LCC组成要素分解。

（3）采用可靠性应力分析方法对微机保护装置的设计寿命估算进行数学建模。

（4）微机保护装置的设计寿命量化估算。

2 变电站自动化系统招投标评价方法对比

现阶段变电站自动化系统招投标中，最后决定设备中标方的依据一般是基于“商务评价+技术评价”的最终分数[7]，在入围厂家技术水平大致相当的条件下，主要看商务评价，而且从近几年的实际招标情况来看，商务评价更具有最终的决定权，这种趋势愈发明显，这在国家电网2008～2009年的框架式集中招标中体现地淋漓尽致，这种采购招标方法基本上是以最低价或性价比最优为项目中标策略，比较侧重初期的投资成本或采购成本，忽略了设备购置投运后的使用寿命、运行维护费用等，这恰恰是不小的一笔隐形成本，这种招标采购模式是不能适应设备资产LCC管理需要的。

LCC方法是从设备/系统或项目的长期经济效益出发，全面考虑设备/系统或项目的规划、设计、制造、购置、安装、运行、维修、改造、更新、直至报废的全过程，在满足性能/可靠性的前提下使全寿命周期费用最小的一种理念和方法。在设备采购中，不仅仅是考虑设备的购买价格，而更要考虑设备在整个全寿命周期内的支持费用，包括安装、运行、维修、改造、更新直至报废的全过程，其核心内容是对设备或系统的LCC进行分析计算，以量化值进行决策。

采用LCC方法进行变电站自动化系统的招标和评标，有利于促进对输变电工程前期规划、方案设计、设备采购、施工安装、运行维护、回收利用等各个阶段进行全系统、全过程、全费用的优化；有利于电网建设和改造项目管理理念和方法的创新，有利于电网长期安全可靠运行，有利于供需双方整体利益的最大化。

3 微机保护产品LCC要素分解

根据IEC标准60300-3-3（可靠性管理第3部分应用指南第3节）寿命周期成本中的全寿命周期成本(LCC)的定义[8]，电网资产寿命主要包括自然寿命（指由于物理损耗达到停止使用状态的时间）和技术寿命（指开始使用到因技术落后而被淘汰的时间），以及经济寿命（指开始使用到平均总费用为最低的时间，因为依照LCC的“浴盆模型”理论，资产的年化成本从购置后摊薄到使用周期年限内经历一个“减小－持平－增加”的过程）。对应于传统的电网资产管理，就是设计寿命和使用寿命。对电网企业业主而言，在设备资产购入之前（设备招投标为分界线）以设计寿命形式体现，在设备资产购入之后，以使用寿命形式体现。本文就变电站自动化系统二次设备（微机保护装置为代表）招投标阶段使用寿命的估算方法进行专题研究。

4 可靠性应力分析方法

微机保护装置主要由大量电子元器件以模件化（插件）形式构成，国内有文献对电力系统继电保护装置运行可靠性指标进行了研究[9]。

装置的设计寿命估算可以通过可靠性预计基础理论来实现，目前主流的方法包括元件计数法、相似设备法、相似电路法、元器件应力分析法[10]，国际上有文献对电池的设计寿命依照可靠性预计理论进行了论述[11-12]，本文将采用可靠性应力分析法对微机保护装置的设计寿命进行估算。

元器件应力分析法是在产品设计的后期（技术设计）阶段的可靠性预计。这时产品已有原理图、详细工作电路图、结构图、详细的元器件清单，而且在产品的使用环境，元器件的质量等级和工作应力已确定的条件下应用。此法以元器件的基本失效率λb为基础，根据元器件使用环境、质量等级、工作能力、工作方式以及对产品的制造工艺等项的不同，计算出元器件的工作失效率λp（使用失效率），进而求出单插件的失效率λsp。

式中，n为插件元件种类数，m为每种元件数量。

本文取装置的平均无故障时间MTBF（Mean Time Between Failures）作为装置的设计寿命，MTBF包括两部分：平均故障前时间MTTF（Mean Time To Failures）和平均修复时间MTTR（Mean TimeTo Repair），其中，MTTF对应于装置的免维寿命。

对于整个装置一般计算关键插件（电源插件）失效率即可，因为其他插件的理论失效率相比于电源插件是非常低的，另外微机保护装置基本都是依照插件级进行维护的，所以在进行装置设计寿命预估时一般按照最小插件寿命进行预估装置设计寿命即可，可以将装置内所有插件均工作正常的设计寿命定义为装置免维寿命。

5 微机保护产品设计寿命估算

微机保护产品一般采用插件化设计，主要包括电源插件、开入插件、开出插件、交流变换插件、采保插件、人机接口插件、各功能CPU插件。下面对各功能插件进行分类寿命估算。各电子元器件的工作失效率λp均取自各产品技术明细手册，并遵循相关国家检测标准：《GB/T 1772-1979电子元器件失效率试验方法》。

由于数字化变电站微机保护装置没有开入插件、开出插件、交流插件、采保插件，对这类装置的设计寿命估算可不考虑这些插件。

在微机保护装置的设计寿命估算中，插件级的寿命预估采用串联结构，即假设插件上任何一个元器件的损坏均导致插件寿命终结；装置级的寿命预估采用并串联的混合结构，即对关键易损插件（如电源插件等）采用冗余方式，这些冗余插件是并联结构，再和其它插件一起组成串联结构，如图1所示。

图1 微机保护装置混合结构寿命估算

假设图1中主电源插件和备电源插件采用相同设计（俗称“双电源”方式），单个电源插件的失效率为λp，则“等效”电源插件的失效率为

5.1 电源插件的设计寿命预估

工作条件：取额定状态（直流电压220V、工作环境温度25℃），插件的各电子元器件的工作失效率λp如表1所示。

表1 电源插件各元件λp列表

电源插件的MTBF计算如下：

MTBF=1/λsp=17.24万小时，按照装置每年365天，每天24小时运行计算，设计寿命（下面简称年化设计寿命）为19.68年。

5.2 开入插件的设计寿命预估

工作条件：取额定状态。（30路开入、直流电压220V、工作环境温度25℃），插件的各电子元器件的工作失效率λp如表2所示。

表2 开入插件各元件λp列表

开入插件的MTBF计算如下：

MTBF=1/λsp=24.46万小时，按照装置每年365天，每天24小时运行计算，设计寿命为27.92年。

5.3 开出插件的设计寿命预估

工作条件：取额定状态。（16路开出、直流24V驱动、负载5A/250V AC 5A/30V DC工作环境温度25℃），插件的各电子元器件的工作失效率λp如表3所示。

表3 开出插件各元件λp列表

出口插件的MTBF计算如下：

MTBF=1/λsp=29.43万小时，年化设计寿命为33.59年。

5.4 交流变换插件的设计寿命预估

工作条件：取额定状态。（8路电流、6路电压；施加交流电流 5A、交流电压100V、工作环境温度25℃），插件的各电子元器件的工作失效率λp如表4所示。

表4 交流变换插件各元件λp列表

交流变换插件的MTBF计算如下：

MTBF=1/λsp=32.07万小时，年化设计寿命为36.62年。

5.5 人机接口插件设计寿命预估

工作条件：取额定状态。（2路以太网、4路异步串行口；液晶接口、键盘管理、工作环境温度25℃），插件的各电子元器件的工作失效率λp如表5所示。

表5 人机接口插件各元件λp列表

人机接口插件的MTBF计算如下：

MTBF=1/λsp=31.09万小时，年化设计寿命为35.49年。

5.6 功能CPU插件设计寿命预估

工作条件：取额定状态。（32路开入、32路开出、2路模拟量转换、LON网络、工作环境温度25℃），插件的各电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计算如下：

MTBF=1/λsp=34.18万小时，年化设计寿命为39.02年。

5.7 采保插件的设计寿命预估

工作条件：取额定状态。（76路模拟量输入、工作环境温度25℃），插件的各电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计算如下：

MTBF=1/λsp=19.06万小时，年化设计寿命为21.75年。

5.8 典型整机装置设计寿命预估

通过前面的分析，可以得到微机保护产品各插件在各自额定工作条件下的设计寿命如表8所示。

表8 装置各主要插件λp列表

从表8数据可以看出电源插件、采保插件、开入插件为设计寿命较短的部件，现场实际运行情况和这个情况基本吻合。可以清楚地看出是哪些电子元器件影响了各插件设计寿命，制造厂商研发人员可以据此按图索骥，改进设计。

鉴于装置的整机设计寿命主要取决于关键易损坏插件，如电源插件等的设计寿命，所以一般可以取电源插件的设计寿命作为整机设计寿命。

下面再分析一下整机的免维寿命，假设微机装置每一插件的失效率为λpd，则整机的失效率λspd依据式（1），可得到

式中，n为装置插件种类数，m为每种插件数量。

一个典型的微机保护装置一般有2块CPU插件，其余插件各1，则装置整机失效率为

MTBF=1/λspd=3.256万小时，年化免维寿命为3.72年。

5.9 分析

通过前面对微机保护装置设计寿命的推理和计算得知，装置寿命主要取决于关键易损插件及关键易损电子元器件的可靠性。在产品实际设计中，在兼顾经济型基础上，可以对关键易损插件进行双重化设计，对关键易损电子元器件选用高质量器件，如军品器件等，提高装置整机的可靠性。

6 结论

本文通过对变电站自动化系统招投标评标方法的分析，说明了基于LCC的综合评标方法更加科学，相信这种方法以后将会逐步得到推广应用。

通过对微机保护装置的LCC要素分解可知产品的设计寿命估算是在招投标综合评价LCC时的一个重要组成部分，采用可靠性应力分析方法对微机保护产品的设计寿命估算进行了数学建模，并从细小的元器件到典型的微机保护产品整机都进行了量化计算，这种方法非常直观、可操作，便于使用，使得电网企业微机保护设备资产的备品备件、退役、报废等成本得到量化。进而可以完善供应商供货能力评估模型，提高在二次设备招标采购中，设备质量对供应商的约束性。另外，本文研究成果对于电力系统继电保护设备生产厂商优化硬件产品设计方案，提高微机保护设备的可靠性也具有一定参考价值。

本文研究成果已经在 2009年江苏110kV变电站自动化系统设备集中招标中（江苏省的LCC试点项目）得到了实际的应用，取到了较好的效果[13]。

在国家电网公司“电网坚强、资产优良”的发展目标驱动下，随着框架式集中招标模式的逐步推广应用，本文研究成果势必会发挥更大的作用。

[1]关于印发《国家电网公司资产全寿命周期管理框架体系》的通知.国家电网公司.2009年130号.

[2]资产全生命周期管理工作简报.国家电网公司,2009年第2期.

[3]张俊.基于全寿命周期成本(LCC)的变电站建设的决策分析[D].硕士学位论文,重庆大学,2007.

[4]张黎明.基于全生命周期成本管理的变电设备维修决策研究[D].硕士学位论文,浙江工业大学,2009.

[5]杨凌辉.变电站数字化进程中的资产全寿命周期管理思考[J].华东电力,2008,36(11).

[6]魏勇.浅析全数字化变电站二次系统的全生命周期成本管理[J].电力系统保护与控制, 2010, 38(4).

[7]殷可.全寿命周期成本(LCC)在变电站主设备招标采购中的研究与实践[J].华东电力,2009, 37(3).

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

[9]曾克娥.电力系统继电保护装置运行可靠性指标探讨[J].电网技术,2004,28(14):83-85.

[10]张增照,潘勇.电子产品可靠性预计[M].北京:科学出版社, 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]变电站全生命周期费用招标.招标技术规范书.江苏电网公司,2009.7.