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(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。

本文分析了變電站自動化系統(tǒng)二次微機保護控制設(shè)備LCC的主要組成部分，并就其要素之一的產(chǎn)品設(shè)計壽命估算作為重點研究內(nèi)容，并將微機保護裝置設(shè)計壽命估算方法應(yīng)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：

• 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；
• 微機保護裝置LCC組成要素分解；
• 采用可靠性應(yīng)力分析方法對微機保護裝置的設(shè)計壽命估算進行數(shù)學建模；
• 微機保護裝置的設(shè)計壽命量化估算。

1. 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(shè)備中標方的依據(jù)一般是基于“商務(wù)評價+技術(shù)評價”的最終分數(shù)，在入圍廠家技術(shù)水平大致相當?shù)臈l件下，主要看商務(wù)評價，而且從近幾年的實際招標情況來看，商務(wù)評價更具有最終的決定權(quán)，這種趨勢愈發(fā)明顯。

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(shè)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(yīng)設(shè)備資產(chǎn)LCC管理需要的。

LCC方法是從設(shè)備/系統(tǒng)或項目的長期經(jīng)濟效益出發(fā)，全面考慮設(shè)備/系統(tǒng)或項目的規(guī)劃、設(shè)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(shè)備采購中，不僅僅是考慮設(shè)備的購買價格，而更要考慮設(shè)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(shè)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(shè)計、設(shè)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(shè)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。

2. 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(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（指由于物理損耗達到停止使用狀態(tài)的時間）和技術(shù)壽命（指開始使用到因技術(shù)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(yīng)于傳統(tǒng)的電網(wǎng)資產(chǎn)管理，就是設(shè)計壽命和使用壽命。對電網(wǎng)企業(yè)業(yè)主而言，在設(shè)備資產(chǎn)購入之前（設(shè)備招投標為分界線）以設(shè)計壽命形式體現(xiàn)，在設(shè)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(shè)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。

3. 可靠性應(yīng)力分析方法（略）

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。

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

元器件應(yīng)力分析法是在產(chǎn)品設(shè)計的后期（技術(shù)設(shè)計）階段的可靠性預(yù)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(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、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λ_p（使用失效率），進而求出單插件的失效率λ_sp。

本文取裝置的平均無故障時間MTBF (Mean Time Between Failures)作為裝置的設(shè)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(fù)時間MTTR（Mean Time To Repair），其中，MTTF對應(yīng)于裝置的免維壽命。

對于整個裝置一般計算關(guān)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(shè)計壽命預(yù)估時一般按照最小插件壽命進行預(yù)估裝置設(shè)計壽命即可，可以將裝置內(nèi)所有插件均工作正常的設(shè)計壽命定義為裝置免維壽命。

4. 微機保護產(chǎn)品設(shè)計壽命估算（略）

微機保護產(chǎn)品一般采用插件化設(shè)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λ_p均取自各產(chǎn)品技術(shù)明細手冊，并遵循相關(guān)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(shè)計壽命估算可不考慮這些插件。

在微機保護裝置的設(shè)計壽命估算中，插件級的壽命預(yù)估采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)，即假設(shè)插件上任何一個元器件的損壞均導(dǎo)致插件壽命終結(jié)；裝置級的壽命預(yù)估采用并串聯(lián)的混合結(jié)構(gòu)，即對關(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 微機保護裝置混合結(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（俗稱“雙電源”方式），單個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)計壽命預(yù)估

4.2 開入插件的設(shè)計壽命預(yù)估

4.3 開出插件的設(shè)計壽命預(yù)估

4.4 交流變換插件的設(shè)計壽命預(yù)估

4.5 人機接口插件設(shè)計壽命預(yù)估

4.6 功能CPU插件設(shè)計壽命預(yù)估

4.7 采保插件的設(shè)計壽命預(yù)估

4.8 典型整機裝置設(shè)計壽命預(yù)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(shè)計壽命。

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

4.9 分析

通過前面對微機保護裝置設(shè)計壽命的推理和計算得知，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)品實際設(shè)計中，在兼顧經(jīng)濟型基礎(chǔ)上，可以對關(guān)鍵易損插件進行雙重化設(shè)計，對關(guān)鍵易損電子元器件選用高質(zhì)量器件，如軍品器件等，提高裝置整機的可靠性。

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(yīng)用。

通過對微機保護裝置的LCC要素分解可知產(chǎn)品的設(shè)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(yīng)力分析方法對微機保護產(chǎn)品的設(shè)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(shè)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(yīng)商供貨能力評估模型，提高在二次設(shè)備招標采購中，設(shè)備質(zhì)量對供應(yīng)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(shè)備生產(chǎn)廠商優(yōu)化硬件產(chǎn)品設(shè)計方案，提高微機保護設(shè)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(shè)備集中招標中（江蘇省的LCC試點項目）得到了實際的應(yīng)用，取到了較好的效果。隨著框架式集中招標模式的逐步推廣應(yīng)用，本文研究成果勢必會發(fā)揮更大的作用。

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