基于LCC理念下的变压器成本与质量评价联动分析应用

Linkage Analysis and Application of Transformer Cost and Quality Evaluation Based on LCC Concept

摘要: 本文通过归集变压器在采购、运行维护及报废阶段的全寿命周期成本，评估各项成本与质量的关联性，筛选质量敏感成本用以构建质量联动评价模型，并结合质量敏感性分析，有效识别影响全寿命周期成本的关键质量因素，综合考虑投入、运维和报废期成本，旨在优化变压器的采购决策，体现模型在变压器采购与运维管理中的实际价值，促使其在电力行业的设备管理中发挥更加重要的作用，进而优化企业管理成本的同时，实现成本与质量的最优平衡，为设备的全生命周期管理提供科学依据。

Abstract: The paper collects the whole life cycle cost of transformers in the stages of procurement, operation and maintenance, and scrap, evaluates the correlation between various costs and quality, screens quality-sensitive costs to build a quality linkage evaluation model, and combines with quality sensitivity analysis, effectively identifies the key quality factors affecting the whole life cycle cost, and comprehensively considers investment, operation and maintenance, and end-of-life costs. The purpose is to optimize the transformer purchasing decision, reflect the actual value of the model in the transformer purchasing and operation and maintenance management, and promote it to play a more important role in the equipment management of the power industry, so as to optimize the enterprise management cost, achieve the optimal balance between cost and quality, and provide a scientific basis for the whole life cycle management of the equipment.

1. 引言

在全球绿色转型背景下，供应链现代化和质量管理的重要性愈发凸显。习近平生态文明思想为中国绿色发展提供了方向指引，国家电网公司积极响应，制定绿色现代数智供应链发展方案，引入全寿命周期管理覆盖设备设计、制造、交付、维护和报废等环节[1]。通过实物“ID”技术实现数据无缝流转，保障设备质量和性价比，为“双碳”目标的实现奠定了基础[2]。

全寿命周期质量管理(LCC)作为一种全面质量控制方式，强调在产品生命周期内持续优化质量，以减少因质量问题引发的成本浪费。特别是在电力行业，这一方法从设备设计到报废全流程管理中发挥了重要作用，提升了供应链质量的全面性与经济性[3]。绿色供应链的快速发展凸显了环境保护与资源节约的重要性。通过从源头控制设备质量并优化供应链决策，国家电网正在推动电力行业实现绿色转型与双碳目标[4]。

LCC管理对设备采购、制造、运行及报废各阶段进行全流程优化，有助于识别成本关键点并控制长期运维成本[5]。通过基于LCC的质量联动评价模型，企业能在采购与运维中平衡质量与成本，提升设备可靠性并降低运营风险，为电力行业绿色低碳供应链和全生命周期管理提供了重要参考[6]。

2. 相关理论研究概述

2.1. LCC分析技术

全寿命周期成本(LCC)分析技术最早在美国军方应用，以优化长期使用的设备成本，包括设计、制造、运行、维护等各阶段的费用核算。其后，LCC逐步扩展到公共事业、建筑业和民用产业，为项目和产品的全生命周期提供全面的成本评估支持[7] [8]。LCC分析的引入帮助企业在早期识别高成本因素并优化资源配置，从而实现长期成本的节约。在我国，LCC方法应用始于国防和航空航天领域，随着LCC理论和技术的发展，电力、交通等行业也逐步采用LCC管理模式，尤其是电力行业正通过LCC方法来降低设备全生命周期的总成本[9]。

2.2. LCC采购评价

LCC采购评价是指在设备采购过程中，不仅考虑初始采购成本，更注重其生命周期内的运行和维护成本[10]。最早在瑞典铁路系统引入的LCC采购评价方法逐渐应用于航空、建筑和电力行业，以期实现设备的经济性与持久性[11]。电力行业因设备生命周期长、运维成本高，更加依赖LCC采购评价体系，特别是国家电网等企业通过LCC模型优化设备的采购决策，确保供应链内的设备在全生命周期内表现出较高的性价比和可靠性。随着LCC采购评价的应用，企业可以在采购阶段全面预测设备的成本构成，促进设备全生命周期的价值实现[12]。

2.3. 采购质量评价

采购质量评价关注设备在采购时的质量标准及其与设备寿命周期的关系。传统的采购质量评价侧重于供应商资质和产品合格性，现代采购质量评价则引入全面质量管理理念，通过综合评价体系，对设备的技术性能、服务质量和社会效用等方面进行多维度考量[13]。在电力行业，采购质量评价通过精细化的指标体系保障了设备质量的持续优化，从而有效降低了设备生命周期内的维护和故障成本。采购质量评价体系为设备管理的科学化和精细化奠定了基础[14]。

3. 联动评价研究框架

主设备全寿命周期成本与质量联动评价研究框架，以变压器为典型物资，首先根据LCC成本归集理论，建立变压器LCC的成本归集规则，再根据专家评价结果，分析逐项LCC成本与质量的关联性，筛选出质量高度相关的成本，最后将质量敏感的成本重新组合，建立基于LCC成本与质量联动的采购应用模型。如图1所示。

Figure 1. LCC and quality linkage model research framework

图1. LCC与质量联动模型研究框架

4. 变压器LCC成本分析研究

在设备全生命周期管理中，LCC分析是一项至关重要的工具，尤其是在电力行业中，变压器作为重要的电网设备，其使用寿命通常较长，且维修和运行费用较高。通过LCC成本分析，可以全面评估变压器在整个生命周期内的成本构成，包括采购成本、运行成本、维护成本和废弃处置成本等。在这一分析中，LCC为电力企业提供了对设备成本的深刻理解，从而为采购决策和设备管理策略提供有力支持。

4.1. LCC成本归集

LCC成本归集涉及从投入期到运行期，直至报废期的所有成本因素。具体而言，变压器的LCC成本分为五大类：投入期成本、运行成本、修理成本、故障成本和报废期成本。如图2所示。

Figure 2. Cost factors involved in LCC cost pooling

图2. LCC成本归集涉及的成本因素

投入期成本(C1)：包括变压器的采购成本、生产制造费用、运输费用、包装费用以及安装调试费用。在采购过程中，投入期成本往往是企业关注的重点，因为这一阶段的成本直接决定了设备的初期投资。

运行成本(C2)：主要是设备在运行过程中产生的能耗费用、巡视检查和日常维护作业的材料成本及服务费用等。这一阶段的成本是变压器全寿命周期中的核心部分，因其直接影响到电力企业的运营效率和能源消耗。

修理成本(C3)：包括一般修理和大修所产生的人工费用、材料费用和委外服务费用。修理成本通常与设备的可靠性密切相关，高质量的变压器能够降低修理频率，从而减少修理成本。

故障成本(C4)：当变压器发生故障时，所产生的抢修成本，包括材料成本和外部服务费用。此类成本通常是突发性的，且对设备的健康状态和管理水平提出较高要求。

报废期成本(C5)：涉及变压器在使用寿命结束后的拆卸、运输和处置等费用。

4.2. LCC参数灵敏度分析

费用估算关系式一般具有如下结构，其公式(1)如下所示：

$\text{LCC}=f\left(P_1,P_2,\cdots ,P_m\right)=a_1{P}_1+a_2{P}_2+\cdots +a_m{P}_m$ (1)

其中，$P_1,P_2,\cdots ,P_m$ 为影响费用各因素的具体数值，可以是数量、容量、单位价格、使用年限、平均故障间隔时间、平均修复时间等；$a_1,a_2,\cdots ,a_m$ 为经线性或非线性变换后的费用系数，可以是一个常数，但在更多情况下可能是$P_1,P_2,\cdots ,P_m$ 的函数。

LCC对任意参数$P_i$ 的敏感性函数为，其公式(2)如下所示：

$\frac{\partial \text{LCC}}{\partial P_i}=\frac{\partial }{\partial P_i}f\left(P_1,P_2,\cdots ,P_m\right)=a_i$ (2)

建立LCC模型之后，下一步将进行参数灵敏度分析，以找出关键的灵敏参数，为准备招标书奠定基础。对于LCC分析来说，分析的重点是显著影响LCC的因素。具体做法为在得到各参数的敏感性函数后，再利用各参数的最小值$P_1\min ,P_2\min ,\cdots ,P_m\min$ 和最大值$P_1\max ,P_2\max ,\cdots ,P_m\max$ ，可以计算出该参数对LCC影响的最小值和最大值，其公式(3)和公式(4)如下所示：

$\left|a_i{P}_{i\min }\right|={\text{SL}}_{Pi\min },i=1,2,\cdots ,m$ (3)

$\left|a_i{P}_{i\max }\right|={\text{SL}}_{Pi\max },i=1,2,\cdots ,m$ (4)

两式计算的结果反映了各参数对LCC绝对值的影响规律。

以10 kV油变为例得出10 kV油变敏感性函数，其公式(5)如下所示：

$\begin{array}{c}\text{LCC}=\text{CI}+\text{CO}+\text{CM}+\text{CF}+\text{CD}\\ ={\displaystyle \sum }_{a=1}^n\left\{故障率*停电损失负荷*平均停电时间*电价*{\left(1+电价增长率\right)}^a+A\right\}*{\left(1+i\right)}^{-a}\end{array}$ (5)

5. LCC成本与质量联动评价

针对10 kV油浸式变压器和预装式变电站，需要厂家提供的相关内容与数据有：设备容量(kVA)、设备报价、空载损耗(W)、负载损耗(W)、变压器重量(吨)、故障率(次/百台年)、声级水平(dB)、设备定期检修维护内容、设备检修维护周期。同时，说明，将对相关数据进行分析，与电力公司所掌握的数据进行比对，尤其对故障率数据根据抽检试验情况进行调整。

设定利率为i，LCC的计算年数为n (本次评标$n=20$ )，年份变量为a年，a在0~20间变化。按照CI，CO，CM，CF和CD五个功能模块计算LCC值。

5.1. 采购评标LCC计算

根据电力公司10 kV油浸式变压器和预装式变电站的数次抽检试验和电网实际运行情况，以最近一次的抽检试验情况，对各厂家的年平均故障率做计算。

设定10 kV变压器的基准年平均故障率为x次/百台年，以0次/百台年为起点计算，抗短路能力试验的步骤每一步不合格则增长x次/百台年，温升试验温升每超过标准1 K则增长3x次/百台年；所有厂家的年平均故障率的平均值为上海市电力公司10 kV变压器的年平均故障率。油浸式变压器各厂家年平均故障率计算值参见表1。

Table 1. Calculation of annual average failure rate of oil-immersed transformer

表1. 油浸式变压器年平均故障率计算值表

项目 公司	试验产品型号	噪音	温升	短路电流承受能力试验 (抗短路能力)	年平均故障率计算值 (次/百台年)
供应商A (315 kVA)	S11-MR-315/10	51 db (标准45 db)	合格	垫块有位移，没通过	0.04
供应商B (400 kVA)	S11-MR-400/10	合格	合格	第5次试验后，电抗超出标准，没通过	0.4
供应商C (400 kVA)	S11-MR-400/10	合格	合格	第2次试验后，电抗超出标准，没通过	0.52
供应商D (400 kVA)	SBH11-M-400/10	47 db (标准45 db)	高绕组66.7 K 低绕组69.3 K (标准65 K)	第1次试验后，电抗超出标准，没通过	1.28

同油浸式变压器类似，预装式变电站的抽检项目包括了噪音温升等内容，短路电流承受能力试验则参考油浸变压器的试验情况。预装式变电站试验数据参见表2。

Table 2. Test data of prefabricated substation

表2. 预装式变电站试验数据

项目 公司	设备及型号	噪音	温升	短路电流承受能力试验 (抗短路能力)	年平均故障率计算值 (次/百台年)
供应商A	预装式变电站 YBP10-12/0.4	合格	合格	垫块有位移，没通过	0.0234
供应商B	预装式变电站 YBP-12/0.4-500	合格	合格	N/A (参考短路试验最差的置信)	0.3276
供应商C	预装式变电站 YBW13-315/10	合格	合格	第1次试验后，电抗超出标准，没通过	0.3276
供应商D	预装式变电站 ZB256-500/10	合格	不合格 顶层油温升68.5 ≤ 60 高压绕组温升67.7 ≤ 65	第2次试验后，电抗超出标准，没通过	1.0904
供应商E	组合式变压器 ZFS11-H-500/10	合格	合格	第5次试验后，电抗超出标准，没通过	0.234

5.2. 损耗计算方案

10 kV油浸式变压器和预装式变电站评标中采用的空载损耗值、负载损耗值以抽检试验结果为重要依据。抽检合格的产品，评标实际计算时按照各厂家的实际投标考核值计算。抽检不合格的数据按照标准值与超出标准部分一半的值进行计算。标准值参照《10 kV油浸式电力变压器技术规范》《10 kV预装式变电站选用技术规范》的相关规定。

特别是对于非晶合金变压器和预装式变电站，因非晶合金空载损耗受抗短路能力影响较大，目前质量合格的非晶合金产品在抗短路能力试验前后，不能保证空载损耗值的增幅在10%以内，根据电网运行情况，目前对于质量合格的非晶合金产品的空载损耗值取厂家所报空载损耗值的110%。预装式变电站空载、负载损耗值抽检结果与空载、负载损耗计算值情况如下表3。

Table 3. Calculated value of no-load and load loss

表3. 空载、负载损耗计算值

项目 公司	设备及型号	空载损耗W	空载损耗计算值W	负载损耗W	负载损耗计算值W
供应商A	预装式变电站 YBP10-12/0.4	合格 466	投标 考核值	合格 5415 标准：5956	投标 考核值
供应商B	预装式变电站 YBP-12/0.4-500	合格 661.5	投标 考核值	5321 标准为：5174	5173.5
供应商C	预装式变电站 YBW13-315/10	合格 152	190×110%	合格 3706	3650
	500kVA预装式变电站	N/A	投标 考核值 × 110%	N/A	5100
供应商D	预装式变电站 ZB256-500/10	合格 ≤680	投标 考核值	5426-5100	5263
供应商E	组合式变压器 ZFS11-H-500/10	合格 650	投标 考核值	5520-5220	5250

6. 总结

本文通过分析变压器LCC与质量联动评价模型的应用，探讨了该模型在变压器采购与运维管理中的实际价值。通过LCC成本分析，企业能够全面评估设备生命周期内的各类成本，包括采购、运行、维修及报废期成本。同时，结合质量敏感性分析，模型有效识别了影响LCC成本的关键质量因素。应用案例表明，LCC与质量联动评价模型能够优化了企业的管理，减少了管理成本，同时保证了各方的质量。未来，随着进一步发展，该模型将在电力行业的设备管理中发挥更加重要的作用，还需要加大对LCC招标的重视水平。