输变电设备全寿命周期检修策略的研究及应用∗

（兰州空间技术物理研究所 兰州 730030）

1 引言

全寿命周期的成本（LCC）管理，是由设备/项目长期经济效益入手，综合考察设备/项目在全寿命周期内的购置、安装、运行维护、报废以及设计、规划、制造各阶段的成本，研究LCC最优管理理念以及方法，这样做是而为了在经济效益上对企业有所提升。LCC管理是18世纪初在瑞典铁路系统中被开发出来的，20世纪60年代年在USA国防系统得以全面推广，然后发布了《LCC估算采购指南》，进而管控在国防上的收支。LCC关键是在工程方面的建设以及采购设备等领域被运用。21世纪初期国际大电网会议（CIGRE）将LCC引入设备管理方面，而且建议其提供设备的供应商也要给出产品的LCC说明。电网公司在系统内部，国网上海电力在2004年优先在采购设备中运用了LCC的管理布局［1］，国网公司2010年在“两会”上给出“提升资产LCC管理，改进设备应用寿命，调低运维成本”的规定，大范围扩展LCC使用于电力设备慢慢成了组成国民经济的重要板块，并且也是电力企业中必备的技术底蕴和物质来源［2～5］。电力企业在一般状况下是一种密集型的资产企业，通常状况企业经营管理在设备管理中是极其关键的。合理的企业经营管理能够给企业的制造增添新的技术支撑，能够让企业的日常制造以及营业范围完全建立在发展符合要求、能力超越的物质以及能力功底范围下，从而确保达到企业的一个经营目标［3～4，6～8］。近些年，经过民众产业的不断飞速进步和民众时时改善的生活电气化程度，电力的需求在我国有了不断的增长，这使得电力部门加大了对电网的投资建设力度。对于这种电力设备的检修和技术改造最优化方法的研究，可以改进电力公司发展机制，完善设备管理水平、确保电网可靠性，提升技能以及公司的潜能是非常关键的［9］。经过全能型电力网的一直改进，各式各样的配电网能够发展成个别地区电力网的关键构建模块，其配电站已经成为不可或缺的一部分，它的运维成本变成了公司支付的关键构建模块。当下策略中在检修上关键有三步，状态检修、计划检修、故障检修［10～12］。这三种的对照按表1表示。前面两个是当前关键的检修形式。

表1 三种检修策略的对比表

通过表1能够发现，故障检修是一种事后的检修方式，用电过程中其可靠性很难确保；但对于计划检修来说，则不需要足够考察设备运行情况，通常根据行业相关规定实施检修规划，保留着欠修以及过修等情况，此类情况会降低设备安全工作能效以及应用寿命［13］。通过一种红外及部分放射等线上监测方式达到检修目的，对工作过程中的设备实施必要的参数分析，进而推断现在设备工作情况，然后合理规划检修，并且达到设备不检修或者少检修的目的［14］。

2 LCC检修成本控制模型的建立

通过研究可得输变电设备全寿命成本管理可以用式（1）表示：

其中：LCC表示设备全寿命周期成本；DC&R分别表示研制费用和研究；PAIE表示采购投资费用；MC&U分别表示维护费用和使用；PE表示采办费用。本文研究的主要目标是降低LCC中的使用与维护费用。全寿命周期与检修成本的关系图如图1所示。

图1 全寿命周期与检修成本的关系

由图1可得，其输变电设备使用初期（又被称作是磨合期），因为其设备的不稳定运行，检修或检测设备是运行过程中需要随时进行的，所以检修成本在这个过程中是随时间慢慢减小变化的，在设备步入成熟期后，它的运行情况转向平稳，其状态是处于稳定运行的，基本维护费用与设备正常运行监测都属于检修成本的范畴，检修成本这时基本稳定，进入成熟期后期，设备就开始老化，设备存在的问题主要就是正常操作受阻与运行不稳定，检修成本趋于增高的趋势。在设备使用后期，有三种调节机制：不做改进、设备大改进以及去除该设备；如果选择设备大修，初期能够较大提高检修成本，新一轮检修成本周期，在后期又会出现。在使用不及时做处理，会减少其初期以及后期对设备的使用，设备运行在后期会出现检修次数增加、不稳定以及断电，其过程会迅速增加检修成本。如果放弃报废该设备，尽管它没有产生检修成本，但是它的使用价值却丢失了。通过以上研究所得，对产品全寿命周期检修成本进行数学模型的建立。

模型中边界条件t1，t2，t3的界定主要由内、外部因素来决定。使用初期边界是t1，使用成熟期是t2，使用后期的边界是t3。

a2，a1，a0，b2，b1，b0，d2，d1，d0为模型中的系数，通过三个点的数值来求取其在不同阶段的取值。其中a2＞0，b2＞0。由图得知其数学模型属于减函数，在运用成熟期及初期表现为凹函数，在运用后期是凸函数，即

根据凸凹函数的性质得知||c"(t) 越大，c(t)较陡急，||c"(t) 越小，c(t)较平缓，所以2d2＜2b2＜2a2即d2＜b2＜a2。

通过观测对检修成本随寿命周期变化的关系图，得出在机器投入运行初始阶段，检修成本的最低点位置是发生在投入运行初始点的末端，是设备工作成熟期中间阶段，检修过程中成本增加率即将达到0。检修成本重要部分有设备本身价位改变的费用和工作中保养需求的费用。一般情况下，设备自身购置成本在不断地升高（残值变化在平摊到一个周期之间时也较大），则检修成本就会相应减少，并且有较高设备检修成本时，会减少其相应的设备购置成本（残值变化在平摊到一个周期之间的也较少）。因此，其理论表明，最佳均衡点一定出现在两者之间，其产品购置成本最低，也是最节省检修费用的最佳方案。通过检修成本所处寿命周期阶段性特点，并参考与产品质量成本阶段性的相似性特点。

2.1 使用初期建模

设备投运初期检修成本可依据田口损失函数建立如下模型：

式中：V是设备的故障率，m1为产品日常检测和保养费用。由产品使用期初检修成本的加权值求出m2。

通过指数函数对设备使用初期进行建模：

式中：m1为在正常设备维护费用情况下控制检修费用趋于0时所产生的；n1为指数函数的斜率，表示为追加成本费用的增长率；m2为设备购置费用最大值在控制检修费用趋于0所出现的；n2为指数函数的斜率参数，表示为控制成本费用的增长率；V为设备的故障率。

2.2 使用成熟期建模

通过科布-道格拉斯生产函数对设备成熟期进行建模：

式中：τ1、τ2、σ1、σ2为待估计参数，且有σ1＞0，σ2＞0；λ表示随机误差；V为设备的故障率。

2.3 使用后期建模

通过K.K.Govil函数对设备使用后期进行建模：

式中：K为每次检修产生的平均费用。

η表示设备的检修率，L表示为C2随不合格率的比值而变化的系数。

根据使用成熟期设备运行的最佳检修率推导得出：

综上公式可知，参数τ1、τ2、σ1、σ2主要决定最佳检修成本是由来确定。

3 LCC检修成本控制模型测量分析

对随机一个变电站断路器检修成本进行研究，它的工作年限大约为20年，其中使用初期约为5年，使用成熟期约为10年，使用后期约为5年。统计得知其各阶段的检修成本如表2所示。

表2 断路器各阶段的检修成本

根据检修成本数学模型将其断路器各阶段的检修成本表中数据代入其数学模型可得：

在设备使用初期，其检修成本每年平均为472.8元。

当5 ≤t≤15时，

在设备使用成熟期，其检修成本每年平均为1150.3元。

当15 ≤t≤20时，

在设备使用后期，其检修成本每年平均为962.2元。

由以上数据观察得出，其成熟期运行时平均每年的检修成本最低，因此延长成熟期的时间是检修成本控制的重点，可以让检修成本长期保持在比较低的水平。通过研究检修成本随寿命周期变化的情况，对各个阶段监理的检修进行数学模型的建立，由模型得知每个周期检修成本的最低点，且可以看出哪个阶段是我们检修成本控制的最重要阶段，我们选择设备时，从采购开始就应该注重延长输变电设备的运行成熟期，从而降低整个寿命周期内的平均检修成本。同时，运行成熟期的增加也可降低例如断电成本、其他成本等费用的增加，为输变电设备的选择提供了依据。

3.1 在制定设备检修策略环节中的应用

在起草产品检修策略的各个过程时，能够将LCC缩减成该产品检修开销的费用。并由运算数据对检修机器实行排序，即可规划出高效的检修方案。和招标步骤不一样的地方是，此处M的值变越高就体现出检修情况越紧急，这样的对比能够为怎样合理规划已有的检修费用是非常有效果的。以110kV断路器的检修情况来做以阐述，设备全面性测评能够有效安排出检修策略过程的运用办法。

表3 设备的测评比对表

表4 设备的计算指标及分值表

由表4不难得出，运用同样的风险测评值、检修费用以及状态测评结果的情景下，在未能运用设备综合测评规划之前是不能对检修的紧急性实行顺序安排的，采纳此计划以后，就能根据M值由大到小对检修顺序进行安排。由另一边出发能够得到同样的效果，从另外条件（风险测评、状态测评以及检修费用）一样的状况下，对于可靠性较低的设备应该检修优先进行，由于可靠性低的设备出现故障的概率较高。

在测算和解读寿命周期费用时，首先应该构建它的分支架构。以传统架构作为底层外加电力设备的特性，文中提供了电力设备费用分配外形结构。通过此方式，应该介绍其指定运算实施规划比对过程中，外形结构未能包含寿命周期内的一切明细成分。由有无对照情况，转变前后一样或是特别相似的成本以此可以不计，带有运算不大并不能达到确切比例的成本要素需不易计入。详细分布如图2所示，费用分布的确切解读由初次投入成本。关键部分有组装调试费用、机械产品采购费用以及其他相关费用。采购费用有保险费、专用工具、场地服务费用、相关税费、设备采购费用、供应商运送费以及初次备品备件费等一系列费用。安装调配费有业主方运送费、投运前的调试费以及设备建造组装费。运行成本有平时的巡检费、环保费用以及设备工作阶段中的能量损耗费。设备能量损耗费用有辅助设备的能耗及设备本身损耗费用。平时巡检费有人工费用、巡查设备和材料费用。环境保护费用是在工作过程中为能够达到环境保护需求应该外加开支的费用或是另外开支的环境保护罚单［15］。就断路器来说能量损耗费能够去除，以下就变压器为例阐述其工作成本中各个费用的通用表示形式。

变压器的CO等于每年的能量损耗费+环境保护费+年日常巡检费；设备能耗费等于辅助设备能耗费+设备本体能耗费；设备本体能耗费等于空载损耗费用+负载损耗费用；空载损耗费用等于空载损耗保证值×成本电价×年运行小时；负载损耗费用=负载损耗保证值×年负载率×成本电价×年运行小时；变压器辅助设备的能耗费用=变压器辅助设备总功率×成本电价（辅助设备总功率根据设计值计算）×年运行小时；年日常巡检费用=设备占变电站总资产的百分比×变电站年巡检费用；检修维护成本有计划性及非计划性大修的全部相关费用、预防性试验、小修费用、平日维护保养费；各项费用中含有供货方给出的设备材料费；服务费含有主业务方在此活动中给出的材料费、交通费、设备费及人工费用；车辆根据台班定额，人工费根据工作时长定额运算；检修维护费及大、小修费用详细地可用式子列出：该费用=调试费+供货方提供的设备材料费+车辆台班费+人工费+供货方提供的服务费［14］。

图2 输变电设备全寿命周期成本的CBS图

3.2 全寿命周期成本管理分析

断路器的LCC管理是通过断路器，将其看作切入点，全局着手设备的购买、技改、运行、基建、检修以及更新到废弃的整个过程中所出现的每项费用，然后经过不断的经济、技术、组织举措就能够对设备在寿命期整个阶段出现的费用实施管控，在达到可靠性的背景下寻求物资LCC最低的管控模式。每个单位在筹划设计过程中都需要起初实施物资LCC管理思想，把寿命周期费用视为招投标的关键因素，由启蒙阶段出发管控设备的寿命周期费用。全寿命周期管理过程由图3所示。

图3 全寿命周期管理流程图

3.3 由维修策略的改变和时机能够把电力设备的维修划分成下面几种形式

单个设备的状态测评，关键是由此设备的横向状况与相同类型设备比对，纵向上由本身状态考量来测评该设备性能状况。电力设备状态检修的完成全过程由图4所示。

图4 状态检修简易流程图

4 结语

通过对LCC检修成本控制模型的建立，并对其进行计算分析，能够为LCC输变电设备今后大面积发展以及应用保留了参照依据。总而言之，在输变电站上通过变电技能的不断改进，每个新技能、新设计得到了更好的使用。更新一代智能变电站建设周期短、占地面积少、运维工作量小、集中体现设备智能化水平高以及可靠性明显提升的突出特性，达到的建设要求是“维护简便、安全可行、节约环保、工作自如”，达到推广运用条件以及较高的参照意义。