（蘭州空間技術(shù)物理研究所 蘭州 730030）

1 引言

全壽命周期的成本（LCC）管理，是由設(shè)備/項(xiàng)目長期經(jīng)濟(jì)效益入手，綜合考察設(shè)備/項(xiàng)目在全壽命周期內(nèi)的購置、安裝、運(yùn)行維護(hù)、報(bào)廢以及設(shè)計(jì)、規(guī)劃、制造各階段的成本，研究LCC最優(yōu)管理理念以及方法，這樣做是而為了在經(jīng)濟(jì)效益上對(duì)企業(yè)有所提升。LCC管理是18世紀(jì)初在瑞典鐵路系統(tǒng)中被開發(fā)出來的，20世紀(jì)60年代年在USA國防系統(tǒng)得以全面推廣，然后發(fā)布了《LCC估算采購指南》，進(jìn)而管控在國防上的收支。LCC關(guān)鍵是在工程方面的建設(shè)以及采購設(shè)備等領(lǐng)域被運(yùn)用。21世紀(jì)初期國際大電網(wǎng)會(huì)議（CIGRE）將LCC引入設(shè)備管理方面，而且建議其提供設(shè)備的供應(yīng)商也要給出產(chǎn)品的LCC說明。電網(wǎng)公司在系統(tǒng)內(nèi)部，國網(wǎng)上海電力在2004年優(yōu)先在采購設(shè)備中運(yùn)用了LCC的管理布局［1］，國網(wǎng)公司2010年在“兩會(huì)”上給出“提升資產(chǎn)LCC管理，改進(jìn)設(shè)備應(yīng)用壽命，調(diào)低運(yùn)維成本”的規(guī)定，大范圍擴(kuò)展LCC使用于電力設(shè)備慢慢成了組成國民經(jīng)濟(jì)的重要板塊，并且也是電力企業(yè)中必備的技術(shù)底蘊(yùn)和物質(zhì)來源［2～5］。電力企業(yè)在一般狀況下是一種密集型的資產(chǎn)企業(yè)，通常狀況企業(yè)經(jīng)營管理在設(shè)備管理中是極其關(guān)鍵的。合理的企業(yè)經(jīng)營管理能夠給企業(yè)的制造增添新的技術(shù)支撐，能夠讓企業(yè)的日常制造以及營業(yè)范圍完全建立在發(fā)展符合要求、能力超越的物質(zhì)以及能力功底范圍下，從而確保達(dá)到企業(yè)的一個(gè)經(jīng)營目標(biāo)［3～4，6～8］。近些年，經(jīng)過民眾產(chǎn)業(yè)的不斷飛速進(jìn)步和民眾時(shí)時(shí)改善的生活電氣化程度，電力的需求在我國有了不斷的增長，這使得電力部門加大了對(duì)電網(wǎng)的投資建設(shè)力度。對(duì)于這種電力設(shè)備的檢修和技術(shù)改造最優(yōu)化方法的研究，可以改進(jìn)電力公司發(fā)展機(jī)制，完善設(shè)備管理水平、確保電網(wǎng)可靠性，提升技能以及公司的潛能是非常關(guān)鍵的［9］。經(jīng)過全能型電力網(wǎng)的一直改進(jìn)，各式各樣的配電網(wǎng)能夠發(fā)展成個(gè)別地區(qū)電力網(wǎng)的關(guān)鍵構(gòu)建模塊，其配電站已經(jīng)成為不可或缺的一部分，它的運(yùn)維成本變成了公司支付的關(guān)鍵構(gòu)建模塊。當(dāng)下策略中在檢修上關(guān)鍵有三步，狀態(tài)檢修、計(jì)劃檢修、故障檢修［10～12］。這三種的對(duì)照按表1表示。前面兩個(gè)是當(dāng)前關(guān)鍵的檢修形式。

表1 三種檢修策略的對(duì)比表

通過表1能夠發(fā)現(xiàn)，故障檢修是一種事后的檢修方式，用電過程中其可靠性很難確保；但對(duì)于計(jì)劃檢修來說，則不需要足夠考察設(shè)備運(yùn)行情況，通常根據(jù)行業(yè)相關(guān)規(guī)定實(shí)施檢修規(guī)劃，保留著欠修以及過修等情況，此類情況會(huì)降低設(shè)備安全工作能效以及應(yīng)用壽命［13］。通過一種紅外及部分放射等線上監(jiān)測(cè)方式達(dá)到檢修目的，對(duì)工作過程中的設(shè)備實(shí)施必要的參數(shù)分析，進(jìn)而推斷現(xiàn)在設(shè)備工作情況，然后合理規(guī)劃檢修，并且達(dá)到設(shè)備不檢修或者少檢修的目的［14］。

2 LCC檢修成本控制模型的建立

通過研究可得輸變電設(shè)備全壽命成本管理可以用式（1）表示：

其中：LCC表示設(shè)備全壽命周期成本；DC&R分別表示研制費(fèi)用和研究；PAIE表示采購?fù)顿Y費(fèi)用；MC&U分別表示維護(hù)費(fèi)用和使用；PE表示采辦費(fèi)用。本文研究的主要目標(biāo)是降低LCC中的使用與維護(hù)費(fèi)用。全壽命周期與檢修成本的關(guān)系圖如圖1所示。

圖1 全壽命周期與檢修成本的關(guān)系

由圖1可得，其輸變電設(shè)備使用初期（又被稱作是磨合期），因?yàn)槠湓O(shè)備的不穩(wěn)定運(yùn)行，檢修或檢測(cè)設(shè)備是運(yùn)行過程中需要隨時(shí)進(jìn)行的，所以檢修成本在這個(gè)過程中是隨時(shí)間慢慢減小變化的，在設(shè)備步入成熟期后，它的運(yùn)行情況轉(zhuǎn)向平穩(wěn)，其狀態(tài)是處于穩(wěn)定運(yùn)行的，基本維護(hù)費(fèi)用與設(shè)備正常運(yùn)行監(jiān)測(cè)都屬于檢修成本的范疇，檢修成本這時(shí)基本穩(wěn)定，進(jìn)入成熟期后期，設(shè)備就開始老化，設(shè)備存在的問題主要就是正常操作受阻與運(yùn)行不穩(wěn)定，檢修成本趨于增高的趨勢(shì)。在設(shè)備使用后期，有三種調(diào)節(jié)機(jī)制：不做改進(jìn)、設(shè)備大改進(jìn)以及去除該設(shè)備；如果選擇設(shè)備大修，初期能夠較大提高檢修成本，新一輪檢修成本周期，在后期又會(huì)出現(xiàn)。在使用不及時(shí)做處理，會(huì)減少其初期以及后期對(duì)設(shè)備的使用，設(shè)備運(yùn)行在后期會(huì)出現(xiàn)檢修次數(shù)增加、不穩(wěn)定以及斷電，其過程會(huì)迅速增加檢修成本。如果放棄報(bào)廢該設(shè)備，盡管它沒有產(chǎn)生檢修成本，但是它的使用價(jià)值卻丟失了。通過以上研究所得，對(duì)產(chǎn)品全壽命周期檢修成本進(jìn)行數(shù)學(xué)模型的建立。

模型中邊界條件t1，t2，t3的界定主要由內(nèi)、外部因素來決定。使用初期邊界是t1，使用成熟期是t2，使用后期的邊界是t3。

a2，a1，a0，b2，b1，b0，d2，d1，d0為模型中的系數(shù)，通過三個(gè)點(diǎn)的數(shù)值來求取其在不同階段的取值。其中a2＞0，b2＞0。由圖得知其數(shù)學(xué)模型屬于減函數(shù)，在運(yùn)用成熟期及初期表現(xiàn)為凹函數(shù)，在運(yùn)用后期是凸函數(shù)，即

根據(jù)凸凹函數(shù)的性質(zhì)得知||c"(t) 越大，c(t)較陡急，||c"(t) 越小，c(t)較平緩，所以2d2＜2b2＜2a2即d2＜b2＜a2。

通過觀測(cè)對(duì)檢修成本隨壽命周期變化的關(guān)系圖，得出在機(jī)器投入運(yùn)行初始階段，檢修成本的最低點(diǎn)位置是發(fā)生在投入運(yùn)行初始點(diǎn)的末端，是設(shè)備工作成熟期中間階段，檢修過程中成本增加率即將達(dá)到0。檢修成本重要部分有設(shè)備本身價(jià)位改變的費(fèi)用和工作中保養(yǎng)需求的費(fèi)用。一般情況下，設(shè)備自身購置成本在不斷地升高（殘值變化在平攤到一個(gè)周期之間時(shí)也較大），則檢修成本就會(huì)相應(yīng)減少，并且有較高設(shè)備檢修成本時(shí)，會(huì)減少其相應(yīng)的設(shè)備購置成本（殘值變化在平攤到一個(gè)周期之間的也較少）。因此，其理論表明，最佳均衡點(diǎn)一定出現(xiàn)在兩者之間，其產(chǎn)品購置成本最低，也是最節(jié)省檢修費(fèi)用的最佳方案。通過檢修成本所處壽命周期階段性特點(diǎn)，并參考與產(chǎn)品質(zhì)量成本階段性的相似性特點(diǎn)。

2.1 使用初期建模

設(shè)備投運(yùn)初期檢修成本可依據(jù)田口損失函數(shù)建立如下模型：

式中：V是設(shè)備的故障率，m1為產(chǎn)品日常檢測(cè)和保養(yǎng)費(fèi)用。由產(chǎn)品使用期初檢修成本的加權(quán)值求出m2。

通過指數(shù)函數(shù)對(duì)設(shè)備使用初期進(jìn)行建模：

式中：m1為在正常設(shè)備維護(hù)費(fèi)用情況下控制檢修費(fèi)用趨于0時(shí)所產(chǎn)生的；n1為指數(shù)函數(shù)的斜率，表示為追加成本費(fèi)用的增長率；m2為設(shè)備購置費(fèi)用最大值在控制檢修費(fèi)用趨于0所出現(xiàn)的；n2為指數(shù)函數(shù)的斜率參數(shù)，表示為控制成本費(fèi)用的增長率；V為設(shè)備的故障率。

2.2 使用成熟期建模

通過科布-道格拉斯生產(chǎn)函數(shù)對(duì)設(shè)備成熟期進(jìn)行建模：

式中：τ1、τ2、σ1、σ2為待估計(jì)參數(shù)，且有σ1＞0，σ2＞0；λ表示隨機(jī)誤差；V為設(shè)備的故障率。

2.3 使用后期建模

通過K.K.Govil函數(shù)對(duì)設(shè)備使用后期進(jìn)行建模：

式中：K為每次檢修產(chǎn)生的平均費(fèi)用。

η表示設(shè)備的檢修率，L表示為C2隨不合格率的比值而變化的系數(shù)。

根據(jù)使用成熟期設(shè)備運(yùn)行的最佳檢修率推導(dǎo)得出：

綜上公式可知，參數(shù)τ1、τ2、σ1、σ2主要決定最佳檢修成本是由來確定。

3 LCC檢修成本控制模型測(cè)量分析

對(duì)隨機(jī)一個(gè)變電站斷路器檢修成本進(jìn)行研究，它的工作年限大約為20年，其中使用初期約為5年，使用成熟期約為10年，使用后期約為5年。統(tǒng)計(jì)得知其各階段的檢修成本如表2所示。

表2 斷路器各階段的檢修成本

根據(jù)檢修成本數(shù)學(xué)模型將其斷路器各階段的檢修成本表中數(shù)據(jù)代入其數(shù)學(xué)模型可得：

在設(shè)備使用初期，其檢修成本每年平均為472.8元。

當(dāng)5 ≤t≤15時(shí)，

在設(shè)備使用成熟期，其檢修成本每年平均為1150.3元。

當(dāng)15 ≤t≤20時(shí)，

在設(shè)備使用后期，其檢修成本每年平均為962.2元。

由以上數(shù)據(jù)觀察得出，其成熟期運(yùn)行時(shí)平均每年的檢修成本最低，因此延長成熟期的時(shí)間是檢修成本控制的重點(diǎn)，可以讓檢修成本長期保持在比較低的水平。通過研究檢修成本隨壽命周期變化的情況，對(duì)各個(gè)階段監(jiān)理的檢修進(jìn)行數(shù)學(xué)模型的建立，由模型得知每個(gè)周期檢修成本的最低點(diǎn)，且可以看出哪個(gè)階段是我們檢修成本控制的最重要階段，我們選擇設(shè)備時(shí)，從采購開始就應(yīng)該注重延長輸變電設(shè)備的運(yùn)行成熟期，從而降低整個(gè)壽命周期內(nèi)的平均檢修成本。同時(shí)，運(yùn)行成熟期的增加也可降低例如斷電成本、其他成本等費(fèi)用的增加，為輸變電設(shè)備的選擇提供了依據(jù)。

3.1 在制定設(shè)備檢修策略環(huán)節(jié)中的應(yīng)用

在起草產(chǎn)品檢修策略的各個(gè)過程時(shí)，能夠?qū)CC縮減成該產(chǎn)品檢修開銷的費(fèi)用。并由運(yùn)算數(shù)據(jù)對(duì)檢修機(jī)器實(shí)行排序，即可規(guī)劃出高效的檢修方案。和招標(biāo)步驟不一樣的地方是，此處M的值變?cè)礁呔腕w現(xiàn)出檢修情況越緊急，這樣的對(duì)比能夠?yàn)樵鯓雍侠硪?guī)劃已有的檢修費(fèi)用是非常有效果的。以110kV斷路器的檢修情況來做以闡述，設(shè)備全面性測(cè)評(píng)能夠有效安排出檢修策略過程的運(yùn)用辦法。

表3 設(shè)備的測(cè)評(píng)比對(duì)表

表4 設(shè)備的計(jì)算指標(biāo)及分值表

由表4不難得出，運(yùn)用同樣的風(fēng)險(xiǎn)測(cè)評(píng)值、檢修費(fèi)用以及狀態(tài)測(cè)評(píng)結(jié)果的情景下，在未能運(yùn)用設(shè)備綜合測(cè)評(píng)規(guī)劃之前是不能對(duì)檢修的緊急性實(shí)行順序安排的，采納此計(jì)劃以后，就能根據(jù)M值由大到小對(duì)檢修順序進(jìn)行安排。由另一邊出發(fā)能夠得到同樣的效果，從另外條件（風(fēng)險(xiǎn)測(cè)評(píng)、狀態(tài)測(cè)評(píng)以及檢修費(fèi)用）一樣的狀況下，對(duì)于可靠性較低的設(shè)備應(yīng)該檢修優(yōu)先進(jìn)行，由于可靠性低的設(shè)備出現(xiàn)故障的概率較高。

在測(cè)算和解讀壽命周期費(fèi)用時(shí)，首先應(yīng)該構(gòu)建它的分支架構(gòu)。以傳統(tǒng)架構(gòu)作為底層外加電力設(shè)備的特性，文中提供了電力設(shè)備費(fèi)用分配外形結(jié)構(gòu)。通過此方式，應(yīng)該介紹其指定運(yùn)算實(shí)施規(guī)劃比對(duì)過程中，外形結(jié)構(gòu)未能包含壽命周期內(nèi)的一切明細(xì)成分。由有無對(duì)照情況，轉(zhuǎn)變前后一樣或是特別相似的成本以此可以不計(jì)，帶有運(yùn)算不大并不能達(dá)到確切比例的成本要素需不易計(jì)入。詳細(xì)分布如圖2所示，費(fèi)用分布的確切解讀由初次投入成本。關(guān)鍵部分有組裝調(diào)試費(fèi)用、機(jī)械產(chǎn)品采購費(fèi)用以及其他相關(guān)費(fèi)用。采購費(fèi)用有保險(xiǎn)費(fèi)、專用工具、場(chǎng)地服務(wù)費(fèi)用、相關(guān)稅費(fèi)、設(shè)備采購費(fèi)用、供應(yīng)商運(yùn)送費(fèi)以及初次備品備件費(fèi)等一系列費(fèi)用。安裝調(diào)配費(fèi)有業(yè)主方運(yùn)送費(fèi)、投運(yùn)前的調(diào)試費(fèi)以及設(shè)備建造組裝費(fèi)。運(yùn)行成本有平時(shí)的巡檢費(fèi)、環(huán)保費(fèi)用以及設(shè)備工作階段中的能量損耗費(fèi)。設(shè)備能量損耗費(fèi)用有輔助設(shè)備的能耗及設(shè)備本身損耗費(fèi)用。平時(shí)巡檢費(fèi)有人工費(fèi)用、巡查設(shè)備和材料費(fèi)用。環(huán)境保護(hù)費(fèi)用是在工作過程中為能夠達(dá)到環(huán)境保護(hù)需求應(yīng)該外加開支的費(fèi)用或是另外開支的環(huán)境保護(hù)罰單［15］。就斷路器來說能量損耗費(fèi)能夠去除，以下就變壓器為例闡述其工作成本中各個(gè)費(fèi)用的通用表示形式。

變壓器的CO等于每年的能量損耗費(fèi)+環(huán)境保護(hù)費(fèi)+年日常巡檢費(fèi)；設(shè)備能耗費(fèi)等于輔助設(shè)備能耗費(fèi)+設(shè)備本體能耗費(fèi)；設(shè)備本體能耗費(fèi)等于空載損耗費(fèi)用+負(fù)載損耗費(fèi)用；空載損耗費(fèi)用等于空載損耗保證值×成本電價(jià)×年運(yùn)行小時(shí)；負(fù)載損耗費(fèi)用=負(fù)載損耗保證值×年負(fù)載率×成本電價(jià)×年運(yùn)行小時(shí)；變壓器輔助設(shè)備的能耗費(fèi)用=變壓器輔助設(shè)備總功率×成本電價(jià)（輔助設(shè)備總功率根據(jù)設(shè)計(jì)值計(jì)算）×年運(yùn)行小時(shí)；年日常巡檢費(fèi)用=設(shè)備占變電站總資產(chǎn)的百分比×變電站年巡檢費(fèi)用；檢修維護(hù)成本有計(jì)劃性及非計(jì)劃性大修的全部相關(guān)費(fèi)用、預(yù)防性試驗(yàn)、小修費(fèi)用、平日維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)；各項(xiàng)費(fèi)用中含有供貨方給出的設(shè)備材料費(fèi)；服務(wù)費(fèi)含有主業(yè)務(wù)方在此活動(dòng)中給出的材料費(fèi)、交通費(fèi)、設(shè)備費(fèi)及人工費(fèi)用；車輛根據(jù)臺(tái)班定額，人工費(fèi)根據(jù)工作時(shí)長定額運(yùn)算；檢修維護(hù)費(fèi)及大、小修費(fèi)用詳細(xì)地可用式子列出：該費(fèi)用=調(diào)試費(fèi)+供貨方提供的設(shè)備材料費(fèi)+車輛臺(tái)班費(fèi)+人工費(fèi)+供貨方提供的服務(wù)費(fèi)［14］。

圖2 輸變電設(shè)備全壽命周期成本的CBS圖

3.2 全壽命周期成本管理分析

斷路器的LCC管理是通過斷路器，將其看作切入點(diǎn)，全局著手設(shè)備的購買、技改、運(yùn)行、基建、檢修以及更新到廢棄的整個(gè)過程中所出現(xiàn)的每項(xiàng)費(fèi)用，然后經(jīng)過不斷的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、組織舉措就能夠?qū)υO(shè)備在壽命期整個(gè)階段出現(xiàn)的費(fèi)用實(shí)施管控，在達(dá)到可靠性的背景下尋求物資LCC最低的管控模式。每個(gè)單位在籌劃設(shè)計(jì)過程中都需要起初實(shí)施物資LCC管理思想，把壽命周期費(fèi)用視為招投標(biāo)的關(guān)鍵因素，由啟蒙階段出發(fā)管控設(shè)備的壽命周期費(fèi)用。全壽命周期管理過程由圖3所示。

圖3 全壽命周期管理流程圖

3.3 由維修策略的改變和時(shí)機(jī)能夠把電力設(shè)備的維修劃分成下面幾種形式

單個(gè)設(shè)備的狀態(tài)測(cè)評(píng)，關(guān)鍵是由此設(shè)備的橫向狀況與相同類型設(shè)備比對(duì)，縱向上由本身狀態(tài)考量來測(cè)評(píng)該設(shè)備性能狀況。電力設(shè)備狀態(tài)檢修的完成全過程由圖4所示。

圖4 狀態(tài)檢修簡易流程圖

4 結(jié)語

通過對(duì)LCC檢修成本控制模型的建立，并對(duì)其進(jìn)行計(jì)算分析，能夠?yàn)長CC輸變電設(shè)備今后大面積發(fā)展以及應(yīng)用保留了參照依據(jù)。總而言之，在輸變電站上通過變電技能的不斷改進(jìn)，每個(gè)新技能、新設(shè)計(jì)得到了更好的使用。更新一代智能變電站建設(shè)周期短、占地面積少、運(yùn)維工作量小、集中體現(xiàn)設(shè)備智能化水平高以及可靠性明顯提升的突出特性，達(dá)到的建設(shè)要求是“維護(hù)簡便、安全可行、節(jié)約環(huán)保、工作自如”，達(dá)到推廣運(yùn)用條件以及較高的參照意義。