李 斌，馮延明，劉 偉，侯秀梅，陸 杭

(國(guó)網(wǎng)黑龍江省電力有限公司，黑龍江 哈爾濱 150090)

變電站是電能傳輸與變換的關(guān)鍵場(chǎng)所。隨著泛在電力物聯(lián)網(wǎng)概念的提出，萬(wàn)物信息互聯(lián)成為了近期的研究熱點(diǎn)[1]。目前，電力變壓器的巡檢主要是人工巡檢，且未進(jìn)行全壽命周期(life cycle cost，LCC)時(shí)間尺度上的管控。這就容易導(dǎo)致相關(guān)工作人員只關(guān)注設(shè)備的初始購(gòu)入成本，未從全壽命周期的角度去衡量電力設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)與經(jīng)濟(jì)性，在設(shè)備管控上存在全面性不足以及無(wú)法綜合評(píng)價(jià)設(shè)備優(yōu)劣的問題。

為提升設(shè)備的信息化水平，提高運(yùn)維檢修效率[2]，國(guó)家電網(wǎng)公司目前已著手推進(jìn)實(shí)物特定“ID”、視頻跟蹤等技術(shù)，將現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)關(guān)鍵數(shù)據(jù)記錄至信息系統(tǒng)中。通過人工、機(jī)械臺(tái)班、物料等不同的成本分?jǐn)倸w集計(jì)算模型，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)成本向每一臺(tái)設(shè)備的歸集，以更全面地管理變壓器及相關(guān)設(shè)備[3]。本文基于泛在物聯(lián)[4-6]概念，深入剖析目前電力設(shè)備的管理盲點(diǎn)，建立了基于泛在物聯(lián)技術(shù)的電力設(shè)備全壽命周期管控云平臺(tái)。實(shí)際使用效果驗(yàn)證了該平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)電力關(guān)鍵設(shè)備的全壽命周期管理，且能夠顯著減少電力設(shè)備的檢修、維護(hù)費(fèi)用。

1 平臺(tái)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)思路

首先，從實(shí)際業(yè)務(wù)和管理情況出發(fā)，將工作事項(xiàng)分為多種并行處理，完善資產(chǎn)全壽命周期各項(xiàng)成本的來(lái)源、產(chǎn)生、采集以及分?jǐn)倸w集方法，確保獲取的各項(xiàng)成本信息的完整性、準(zhǔn)確性和及時(shí)性，以及研究成果的適用性與可推廣性；其次，充分考慮區(qū)域發(fā)展、自然氣候等可變因素的影響，堅(jiān)持重點(diǎn)突出、先易后難的原則，以220 kV電壓等級(jí)變電站站內(nèi)變壓器、斷路器為研究對(duì)象，以實(shí)物“ID”為總體核心思路，成立專項(xiàng)工作組開展資產(chǎn)成本分?jǐn)偱c歸集研究工作；最后，針對(duì)全壽命周期成本受多種要素的影響，研究成果的實(shí)效性難以衡量，強(qiáng)化全壽命周期管理的模型驗(yàn)證、研究成果的實(shí)證分析，進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證。同時(shí)科學(xué)、有效地運(yùn)用課題成果，保證研究成果能切實(shí)、有效地減少設(shè)備運(yùn)行成本，提高生產(chǎn)效率。

1.2 實(shí)施路徑

1.2.1數(shù)據(jù)治理

根據(jù)全壽命周期模型計(jì)算及場(chǎng)景應(yīng)用要求[7-8]，全面梳理信息系統(tǒng)中的220 kV變壓器、斷路器設(shè)備資產(chǎn)數(shù)據(jù)，制定220 kV變壓器、斷路器資產(chǎn)相關(guān)數(shù)據(jù)收集模板及說(shuō)明，主要包括220 kV變壓器和斷路器的運(yùn)檢記錄單、SAP項(xiàng)目、工單、缺陷、故障、巡視等工作記錄及成本信息。收集220 kV變壓器、斷路器技術(shù)參數(shù)及相關(guān)規(guī)范信息等，剔除錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，彌補(bǔ)缺失數(shù)據(jù)，重點(diǎn)解決缺陷、故障等數(shù)據(jù)缺失問題。提升數(shù)據(jù)質(zhì)量，確保現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物“ID”、實(shí)物、ERP(enterprise resource planning)[9]以及PMS(power production management system)[10]系統(tǒng)設(shè)備模塊、資產(chǎn)模塊中的數(shù)據(jù)一致，做到實(shí)物“ID”信息貫通、賬實(shí)相符，賬、卡、物數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)一致。

1.2.2建立全壽命周期成本模型

借鑒國(guó)內(nèi)外電力企業(yè)在單體設(shè)備全壽命周期成本研究方面的成果，確定分?jǐn)偧皻w集方法，構(gòu)建變壓器、斷路器全壽命周期成本模型。

1.2.3單體設(shè)備全壽命周期成本計(jì)算

選取2015年—2019年在役或退役的220 kV變壓器、斷路器，在ERP、PMS系統(tǒng)中根據(jù)設(shè)備實(shí)物“ID”，在前期數(shù)據(jù)溯源成果的基礎(chǔ)上，獲取相關(guān)采購(gòu)訂單、維修工單等信息，分別計(jì)算每一臺(tái)設(shè)備的全壽命周期成本。

1.2.4信息系統(tǒng)改造

1)優(yōu)化移動(dòng)巡檢APP。

優(yōu)化移動(dòng)巡檢APP，在移動(dòng)巡檢APP中增加掃碼檢修功能。將掃碼檢修與PMS、ERP系統(tǒng)中的工單相對(duì)應(yīng)，實(shí)時(shí)記錄工單對(duì)應(yīng)的每一臺(tái)設(shè)備的檢修時(shí)間，方便計(jì)算單體設(shè)備人工工時(shí)。

2)改造ERP工單。

在ERP工單中增加機(jī)械臺(tái)班、物料等與單體設(shè)備的對(duì)應(yīng)關(guān)系，增加后臺(tái)ERP工單與PMS工單的對(duì)應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臺(tái)班、物料等與單體設(shè)備的對(duì)應(yīng)，確保單體設(shè)備機(jī)械臺(tái)班、輔材等成本的分?jǐn)偱c計(jì)算。

1.2.5成果應(yīng)用

構(gòu)建220 kV變壓器、斷路器設(shè)備應(yīng)用場(chǎng)景，開展以下幾個(gè)模型的研究與應(yīng)用：1)不同生產(chǎn)廠家變壓器、斷路器設(shè)備的成本對(duì)比分析；2)不同運(yùn)行年限變壓器、斷路器的成本對(duì)比分析；3)不同班組配置運(yùn)維、檢修成本對(duì)比。

2 全壽命周期理論

傳統(tǒng)的全壽命周期管理的含義，是指對(duì)設(shè)備從購(gòu)買至退役全時(shí)期各個(gè)階段的全面管理。電力設(shè)備全壽命周期管理所包含的方面更多、更為復(fù)雜，主要包括研發(fā)、購(gòu)買、設(shè)計(jì)、征地、投運(yùn)調(diào)試、大件運(yùn)輸以及所產(chǎn)生的人工費(fèi)用等[11-13]，且由于電能傳輸和變換的特殊性，電力設(shè)備全壽命周期還包括較多的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用。因此將全壽命周期理論應(yīng)用于電力領(lǐng)域，需要細(xì)分各個(gè)階段的深層含義，結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，更好地將每個(gè)階段的衡量指標(biāo)和狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_(tái)中去。

全壽命周期理論的模塊較多，應(yīng)用到每個(gè)場(chǎng)景時(shí)需做針對(duì)性的改進(jìn)，以滿足實(shí)際需要。電力行業(yè)全壽命周期理論的應(yīng)用，可以提升工作人員對(duì)電力設(shè)備全面把控的能力，方便查看每一臺(tái)設(shè)備的歷史運(yùn)行信息，提升規(guī)劃、運(yùn)行及退役計(jì)劃的執(zhí)行效率等[14]。

全壽命周期理論可分為預(yù)測(cè)計(jì)算(包括費(fèi)用分解與總費(fèi)用結(jié)算)、方案評(píng)價(jià)及查找影響因素等模塊，可表達(dá)為：

LCC=C1+C2+C3+C4+C5

(1)

式中：LCC為全壽命周期成本；C1為投資成本；C2為運(yùn)維成本；C3為檢修成本；C4為故障成本；C5為退役處置成本。

電力設(shè)備全壽命周期模型架構(gòu)如圖1所示。

圖1 電力設(shè)備全壽命周期模型架構(gòu)

3 綜合管控云平臺(tái)設(shè)計(jì)

3.1 全壽命周期架構(gòu)分析

電力設(shè)備投資成本包括多個(gè)階段多個(gè)環(huán)節(jié)的費(fèi)用，表達(dá)式為：

(2)

式中：Cds為前期工作成本(規(guī)劃、可研設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)等)；Cer為施工前期階段總成本；Cio為環(huán)節(jié)i完成調(diào)試、運(yùn)行的成本；m為資金支出項(xiàng)數(shù)；n為每一項(xiàng)的權(quán)重。

運(yùn)維成本C2是指在投運(yùn)成功后所需的人工維護(hù)及設(shè)備維修和更換、交通運(yùn)輸、保養(yǎng)材料等各類維持設(shè)備正常運(yùn)行的成本。其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

C2=Cu+Cv+Cw

(3)

式中：Cu為人工維護(hù)及設(shè)備維修和更換成本；Cv為交通運(yùn)輸成本；Cw為保養(yǎng)材料成本。

由于自然災(zāi)害所致故障及計(jì)劃?rùn)z修等而產(chǎn)生的成本，各個(gè)設(shè)備疊加的維護(hù)總成本可用下式表示：

(4)

式中：M為某個(gè)設(shè)備的總數(shù)；Si為單個(gè)電力設(shè)備的單位維護(hù)成本。

故障成本主要指由于因故障停電需支付給用戶的懲罰費(fèi)用，退役處置成本是指某個(gè)電力設(shè)備到達(dá)服務(wù)期限后對(duì)其拆除、報(bào)廢、歸檔、搬運(yùn)等形成的費(fèi)用。

3.2 輸入數(shù)據(jù)預(yù)處理

在輸入平臺(tái)之前，需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括數(shù)據(jù)清洗、校核和歸一化處理。

假設(shè){Xt}是未檢測(cè)到輸變電設(shè)備狀態(tài)信息數(shù)據(jù)異常的時(shí)間序列，則利用ARIMA模型表示{Xt}為：

(5)

α(B)=1-α1B-α2B2-…-αqBq

(6)

β(B)=1-β1B-β2B2-…-βqBq

(7)

4 算例分析

4.1 云平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

本文采用Java語(yǔ)言建立電力設(shè)備全壽命周期管控云平臺(tái)[15]，平臺(tái)包括服務(wù)器模塊、數(shù)據(jù)輸入模塊及數(shù)據(jù)庫(kù)，如圖2所示。其主要包括Pod(輕量級(jí)標(biāo)記語(yǔ)言)、Deployment(部署)、Service(服務(wù))和Secret(信息安全)4種元素[16]。

圖2 云平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

本文所建立云平臺(tái)中有多個(gè)Pod，包括設(shè)備名稱、設(shè)備類型、設(shè)備購(gòu)置年限、費(fèi)用以及歷史故障信息等，命名為pod-unit1～pod-unitn。Pod是被信息管控平臺(tái)綜合管理的，信息管控平臺(tái)是比Pod高一級(jí)別的專門用來(lái)管理Pod的組件。信息管控平臺(tái)被Deployment控制，Deployment是比信息管控平臺(tái)高一級(jí)別用于管理信息管控平臺(tái)的組件，在信息管控平臺(tái)級(jí)別上發(fā)生的事件，均是對(duì)Pod的操作。

Deployment不再受其他組件的控制，其狀態(tài)轉(zhuǎn)變是其自身滾動(dòng)更新而產(chǎn)生的。在Deployment級(jí)別上發(fā)生的事件一般是創(chuàng)建服務(wù)、滾動(dòng)更新一個(gè)服務(wù)，或者是操作信息管控平臺(tái)伸縮Pod集群，以此來(lái)調(diào)控整個(gè)電力資產(chǎn)云平臺(tái)的數(shù)據(jù)輸入、整理與輸出。

4.2 云平臺(tái)搭建主要步驟

電力設(shè)備全壽命周期管控云平臺(tái)的建立過程如下：

1)盤點(diǎn)現(xiàn)狀資產(chǎn)，核實(shí)資產(chǎn)各項(xiàng)成本數(shù)據(jù)；

2)根據(jù)3.1節(jié)的論述，進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗和預(yù)處理，補(bǔ)充缺少的數(shù)據(jù)與修改明顯錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)；

3)選取影響電網(wǎng)電能輸送成本的主要因素，本文取變電站、斷路器及送電線路等；

4)建立電力資產(chǎn)全壽命周期成本模型，并通過歷史相對(duì)準(zhǔn)確數(shù)據(jù)校對(duì)其準(zhǔn)確性；

5)搭建信息傳遞接口，改造現(xiàn)有的信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，增加云平臺(tái)數(shù)據(jù)傳輸接口；

6)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵電力設(shè)備的單個(gè)、集約管理以及測(cè)算和維護(hù)。

其詳細(xì)步驟，如圖3所示。

圖3 云平臺(tái)搭建主要步驟

根據(jù)前述全生命周期模型及云平臺(tái)所需數(shù)據(jù)，基于某兩地電網(wǎng)公司ERP、PMS系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)，包括220 kV變壓器56臺(tái)、斷路器204臺(tái)，輸入至模型中進(jìn)行求解分析。得到的結(jié)果如圖4～圖6所示。

圖4 變壓器使用年限統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖5 斷路器使用年限統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖6 綜合運(yùn)維成本對(duì)比

由圖可以看出，本文基于泛在電力物聯(lián)技術(shù)建立的電力設(shè)備全壽命周期管控云平臺(tái)，能夠在用戶端對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和查看，通過盤點(diǎn)歷史檢修運(yùn)維規(guī)律，提升運(yùn)維檢修的效率，節(jié)省人員費(fèi)用，更優(yōu)地保證電力系統(tǒng)持續(xù)、可靠地運(yùn)行。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文所建立的綜合管控云平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)的功能主要有：1)盤點(diǎn)單個(gè)設(shè)備資產(chǎn)壽命周期階段和折算費(fèi)用，以便電網(wǎng)公司合理制定逐年的投資計(jì)劃和老舊設(shè)備退役計(jì)劃；2)根據(jù)不同使用年限對(duì)設(shè)備進(jìn)行劃分，統(tǒng)計(jì)其需要檢修和維護(hù)的次數(shù)，便于電網(wǎng)公司安排管轄區(qū)內(nèi)的計(jì)劃?rùn)z修與故障維護(hù)人力；3)通過泛在物聯(lián)技術(shù)建立的綜合管控云平臺(tái)，便于工作人員實(shí)時(shí)查看設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，記錄設(shè)備的運(yùn)行情況，便于評(píng)估設(shè)備發(fā)生故障的可能性。