近年來，隨著國家電力行業運營方式的變革，電力市場化進程悄然加速，電網企業越來越關注電力設備資產的投入產出效益及增值能力，并引入了全生命周期成本（LCC）來管理電力資產，以實現“電網堅強，資產優良”的發展目標。

本文分析了變電站自動化系統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品設計壽命估算作為重點研究內容，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LCC招投標評估中，主要包括以下內容：

• 從LCC視角對變電站自動化系統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；
• 采用可靠性應力分析方法對微機保護裝置的設計壽命估算進行數學建模；
• 微機保護裝置的設計壽命量化估算。

1. 變電站自動化系統招投標評價方法對比

現階段變電站自動化系統招投標中，最后決定設備中標方的依據一般是基于“商務評價+技術評價”的最終分數，在入圍廠家技術水平大致相當的條件下，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，這種趨勢愈發明顯。

這種采購招標方法基本上是以最低價或性價比最優為項目中標策略，比較側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LCC管理需要的。

LCC方法是從設備/系統或項目的長期經濟效益出發，全面考慮設備/系統或項目的規劃、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，其核心內容是對設備或系統的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的招標和評標，有利于促進對輸變電工程前期規劃、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、全過程、全費用的優化；有利于電網建設和改造項目管理理念和方法的創新，有利于電網長期安全可靠運行，有利于供需雙方整體利益的最大化。

2. 微機保護產品LCC要素分解

根據IEC標準60300-3-3 ( 可靠性管理第3部分應用指南第3節)壽命周期成本中的全壽命周期成本(LCC)的定義，電網資產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，資產的年化成本從購置后攤薄到使用周期年限內經歷一個“減小-持平-增加”的過程）。

對應于傳統的電網資產管理，就是設計壽命和使用壽命。對電網企業業主而言，在設備資產購入之前（設備招投標為分界線）以設計壽命形式體現，在設備資產購入之后，以使用壽命形式體現。本文就變電站自動化系統二次設備（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。

3. 可靠性應力分析方法（略）

微機保護裝置主要由大量電子元器件以模件化（插件）形式構成，國內有文獻對電力系統繼電保護裝置運行可靠性指標進行了研究。

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，目前主流的方法包括元件計數法、相似設備法、相似電路法、元器件應力分析法，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，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品設計的后期（技術設計）階段的可靠性預計。這時產品已有原理圖、詳細工作電路圖、結構圖、詳細的元器件清單，而且在產品的使用環境，元器件的質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λ_b為基礎，根據元器件使用環境、質量等級、工作能力、工作方式以及對產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 Time To 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，可以將裝置內所有插件均工作正常的設計壽命定義為裝置免維壽命。

4. 微機保護產品設計壽命估算（略）

微機保護產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λ_p均取自各產品技術明細手冊，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結構，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；裝置級的壽命預估采用并串聯的混合結構，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結構，再和其它插件一起組成串聯結構，如圖1所示。

圖1 微機保護裝置混合結構壽命估算

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 電源插件的設計壽命預估

4.2 開入插件的設計壽命預估

4.3 開出插件的設計壽命預估

4.4 交流變換插件的設計壽命預估

4.5 人機接口插件設計壽命預估

4.6 功能CPU插件設計壽命預估

4.7 采保插件的設計壽命預估

4.8 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品各插件在各自額定工作條件下的設計壽命。

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。

4.9 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。在產品實際設計中，在兼顧經濟型基礎上，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量器件，如軍品器件等，提高裝置整機的可靠性。

結論

本文通過對變電站自動化系統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品的設計壽命估算進行了數學建模，并從細小的元器件到典型的微機保護產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，使得電網企業微機保護設備資產的備品備件、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，設備質量對供應商的約束性。另外，本文研究成果對于電力系統繼電保護設備生產廠商優化硬件產品設計方案，提高微機保護設備的可靠性也具有一定參考價值。

本文研究成果已經在2009年江蘇110kV變電站自動化系統設備集中招標中（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。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揮更大的作用。

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