戴麗君 趙紫龍 童巖峰 武智慧

(南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院鐵道供電系， 210031， 南京∥第一作者， 教授)

目前，各運(yùn)營(yíng)單位對(duì)于牽引變電所內(nèi)設(shè)備的管理主要是采用傳統(tǒng)的人工定期巡檢方式。這種巡檢方式依賴于人工，流程繁瑣：需為各設(shè)備設(shè)立臺(tái)賬信息，并為每個(gè)設(shè)備做靜態(tài)履歷簿；值班人員根據(jù)變電所設(shè)備狀況,制定設(shè)備定期巡視周期表，并在變電所內(nèi)建立專用設(shè)備巡視記錄簿和日常設(shè)備巡視卡，每巡視一次則登記一次；設(shè)備巡視一般由2人或2人以上共同執(zhí)行；變電所應(yīng)標(biāo)注醒目的設(shè)備巡視路線及重點(diǎn)巡視部位；設(shè)備巡視中如發(fā)現(xiàn)異?；蛟O(shè)備事故，再按相關(guān)管理規(guī)程及安全工作規(guī)程的規(guī)定匯報(bào)處理；各變電所每月巡視2次,每季度夜間巡視1次,節(jié)假日或惡劣氣候時(shí)應(yīng)進(jìn)行特殊巡視，發(fā)生緊急情況時(shí)巡視應(yīng)立即終止，并迅速參加事故處理,事畢后再及時(shí)補(bǔ)巡?？梢?jiàn)，采用傳統(tǒng)的人工巡視方式，人員工作強(qiáng)度非常大，且受人為方式或其他不可預(yù)測(cè)情況影響，突發(fā)事件處理也不夠及時(shí)。

移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起，使各種在線采集系統(tǒng)得以廣泛應(yīng)用。“互聯(lián)網(wǎng)+”融合了云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)人與人、人與物、人與服務(wù)、人與場(chǎng)景、人與未來(lái)的連接，給整個(gè)行業(yè)帶來(lái)新的發(fā)展格局，為變電所設(shè)備的在線狀態(tài)評(píng)估提供了條件。

本文提出的牽引變電所設(shè)備狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱為“變電所設(shè)備評(píng)估系統(tǒng)”)，將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與通信技術(shù)相結(jié)合，通過(guò)構(gòu)建統(tǒng)一的設(shè)備管理數(shù)據(jù)庫(kù)，能實(shí)現(xiàn)變電所內(nèi)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)和輔助監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的全面共享，創(chuàng)新了設(shè)備管理信息化應(yīng)用模式。采用該系統(tǒng)，一方面可為處理事件、流轉(zhuǎn)業(yè)務(wù)的應(yīng)急調(diào)度指揮、后臺(tái)盯控、及時(shí)有效進(jìn)行處理等業(yè)務(wù)提供有力保障；另一方面，還能提升工作效率、降低運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本，并為制定維護(hù)策略提供切實(shí)、可用、安全、可控的技術(shù)支持。

1 變電所設(shè)備評(píng)估系統(tǒng)總體架構(gòu)

變電所設(shè)備評(píng)估系統(tǒng)由設(shè)備信息及運(yùn)維管理、設(shè)備可靠性分析、系統(tǒng)管理等部分組成，通過(guò)對(duì)設(shè)備基本信息、運(yùn)行數(shù)據(jù)、檢修數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)及既有知識(shí)庫(kù)的查詢，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的可靠性評(píng)估分析，作出相應(yīng)的健康狀態(tài)評(píng)估，為設(shè)備檢修提供依據(jù)。

1.1 變電所設(shè)備評(píng)估系統(tǒng)的研發(fā)

變電所設(shè)備評(píng)估系統(tǒng)采用B/S(瀏覽器和服務(wù)器)架構(gòu)模式，采用Dot Net 或 Java開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，其數(shù)據(jù)層為Oracle 網(wǎng)絡(luò)的分布式存儲(chǔ)；通過(guò)Web service、HTTP(超文本傳輸協(xié)議)等同ERP(企業(yè)資源計(jì)劃)系統(tǒng)、SCADA(監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集)系統(tǒng)及輔助監(jiān)控系統(tǒng)集成。便于用戶通過(guò)瀏覽器可直接訪問(wèn)服務(wù)器數(shù)據(jù)，提高了用戶端使用的便捷性。

設(shè)備評(píng)估系統(tǒng)采用SOA(面向服務(wù)的架構(gòu))體系的企業(yè)級(jí)軟件架構(gòu)。在SOA體系下，應(yīng)用軟件被劃分為具有不同功能的服務(wù)單元，各服務(wù)單元利用標(biāo)準(zhǔn)的軟件接口相互連通。通過(guò)SOA，企業(yè)能快速適應(yīng)業(yè)務(wù)的迅速變化，可有效整合新舊軟件資產(chǎn)，降低軟件整體擁有成本;能有效兼容不同設(shè)備服務(wù)器的數(shù)據(jù)，提高不同設(shè)備數(shù)據(jù)有效傳輸及讀取效率，提升系統(tǒng)的可擴(kuò)展性、靈活性、先進(jìn)性和可控性。

1.2 系統(tǒng)整體架構(gòu)

變電所設(shè)備評(píng)估系統(tǒng)基于牽引變電所的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行搭建，并通過(guò)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)接口連接輔助監(jiān)控系統(tǒng)、操作票管理、環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)、生產(chǎn)計(jì)劃管理等各外部系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)在線的靜態(tài)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)共享。接口實(shí)時(shí)傳送的數(shù)據(jù)保證了設(shè)備可靠性分析、設(shè)備維修管理及設(shè)備狀態(tài)評(píng)估結(jié)果的真實(shí)性和準(zhǔn)確性。

變電所設(shè)備評(píng)估系統(tǒng)整體架構(gòu)(如圖1所示)由數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)分析計(jì)算處理層(核心部分)、擴(kuò)展應(yīng)用層三部分構(gòu)成。

圖1 變電所設(shè)備評(píng)估系統(tǒng)整體架構(gòu)Fig.1 Overall architecture of substation equipmentevaluation system

1.2.1 設(shè)備可靠性分析

可靠性分析算法基于系統(tǒng)建模理論。按變電所內(nèi)相關(guān)設(shè)備及其周邊設(shè)備組成的系統(tǒng)，采用XML(可拓展標(biāo)記語(yǔ)言)格式建立起可靠性模型，作為可靠性分析的基礎(chǔ)。根據(jù)可靠性數(shù)據(jù)庫(kù)及設(shè)備自身的故障歷史數(shù)據(jù)，來(lái)計(jì)算上述設(shè)備所構(gòu)成系統(tǒng)的可靠性水平?？煽啃栽u(píng)價(jià)指標(biāo)包括：MTBF(平均故障間隔時(shí)間)、失效率λ(t)及可靠度R(t)。

1.2.2 設(shè)備維護(hù)檢修管理

將由RCM(以可靠性為中心的維修)、RBI(基于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的設(shè)備檢驗(yàn)技術(shù))、SIL(安全完整性等級(jí))、RCA(根本原因分析)等模塊得到的結(jié)論，以及由其他模塊得到的維護(hù)檢修建議進(jìn)行統(tǒng)一管理和可靠性分析，并通過(guò)集成各模塊的實(shí)施過(guò)程，促進(jìn)策略的優(yōu)化。

1.2.3 設(shè)備故障診斷與狀態(tài)評(píng)估

通過(guò)對(duì)變電所供電設(shè)備健康狀況和可靠性進(jìn)行評(píng)估推斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)既有監(jiān)控狀態(tài)信息、臺(tái)賬信息、檢修信息、故障信息等多數(shù)據(jù)的高效融合，并識(shí)別設(shè)備狀態(tài)，對(duì)設(shè)備的健康狀態(tài)進(jìn)行量化處理，進(jìn)而提供多維度解決方案。

1.3 九大模塊

變電所設(shè)備評(píng)估系統(tǒng)主要包含九大模塊,各模塊功能為：

1) 設(shè)備信息管理模塊：系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理、系統(tǒng)設(shè)備基本信息管理、知識(shí)庫(kù)管理。

2) 設(shè)備運(yùn)維管理模塊：主要包括設(shè)備維修數(shù)據(jù)管理、設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)管理、設(shè)備故障案例庫(kù)。

3) 項(xiàng)目管理模塊：確定項(xiàng)目類型，管理項(xiàng)目評(píng)價(jià)。

4) 可靠性分析模塊：提供可靠性計(jì)算、可靠性結(jié)果查看和標(biāo)準(zhǔn)失效庫(kù)管理等功能。

5) FMEA(潛在失效模式與效應(yīng)分析)模塊：包括設(shè)備關(guān)鍵性分析、FMEA及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和FMEA報(bào)表。

6) 設(shè)備維修維護(hù)模塊：包括設(shè)備維修策略和設(shè)備維護(hù)策略兩部分。

7) 維修維護(hù)策略庫(kù)模塊：為設(shè)備維修和維護(hù)提供策略支持，包括維修方式、維修項(xiàng)目、維護(hù)方法等。

8) 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理模塊：能便捷快速地查詢系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息，包括安裝地點(diǎn)、故障模式、故障機(jī)理、故障原因、設(shè)備類型、設(shè)備類故障模式、設(shè)備類故障部件、應(yīng)用領(lǐng)域、生產(chǎn)廠家等。

9) 系統(tǒng)管理模塊：可以對(duì)系統(tǒng)菜單進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)，提供角色和用戶管理，以及單位管理等。

2 變電所設(shè)備評(píng)估系統(tǒng)的技術(shù)要求

2.1 技術(shù)原理

變電所設(shè)備評(píng)估系統(tǒng)采用基于深度學(xué)習(xí)的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估算法，結(jié)合變電所設(shè)備物理模型，建立供電設(shè)備多源異構(gòu)故障信息的融合及識(shí)別機(jī)制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)變電所內(nèi)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)和輔助監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)全面共享；結(jié)合設(shè)備指數(shù)分布的生命周期曲線，統(tǒng)一構(gòu)建設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)管理；基于多元數(shù)據(jù)整合，評(píng)估設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)；將原有以單一時(shí)間維度作為檢修間隔的模式，創(chuàng)新為通過(guò)在線狀態(tài)評(píng)估的預(yù)檢修模式；通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析失效判定和故障預(yù)測(cè)，對(duì)設(shè)備失效狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估分級(jí)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)變化和可能存在的安全隱患，并自動(dòng)給出檢修預(yù)案。

2.2 變電所設(shè)備評(píng)估系統(tǒng)的功能

通過(guò)設(shè)備臺(tái)賬等靜態(tài)設(shè)備信息及SCADA系統(tǒng)動(dòng)態(tài)在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的融合，結(jié)合設(shè)備指數(shù)分布的生命周期曲線，統(tǒng)一構(gòu)建設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)管理。變電所設(shè)備評(píng)估系統(tǒng)主要功能包括：

1) 設(shè)備數(shù)據(jù)管理功能。包括牽引變電所設(shè)備系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理、維修數(shù)據(jù)管理、運(yùn)行數(shù)據(jù)管理、故障案例庫(kù)管理、知識(shí)庫(kù)管理等功能。

2) 可靠性分析功能。可實(shí)現(xiàn)對(duì)牽引變電所設(shè)備的可靠性分析及可靠性數(shù)據(jù)管理，提供可靠性數(shù)據(jù)庫(kù)建立、可靠性數(shù)據(jù)的趨勢(shì)分析、可靠性分布分析、故障模式與影響分析等功能。

3) 檢維修策略管理及應(yīng)用功能。可提供維修策略庫(kù)管理、牽引變電所設(shè)備分級(jí)及維修策略等功能。

4) 系統(tǒng)管理功能。提供菜單自定義功能、角色和用戶管理功能，以及使用單位、安裝地點(diǎn)等公共信息管理功能。

5) 強(qiáng)大的后臺(tái)管理功能。該功能真正實(shí)現(xiàn)了模塊和角色的靈活定制，突出了通用性。變電所設(shè)備評(píng)估系統(tǒng)將模塊、使用單位與用戶權(quán)限相結(jié)合，可有效地對(duì)登陸用戶進(jìn)行分類管理。

2.3 主要技術(shù)指標(biāo)

變電所設(shè)備評(píng)估系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)為：一般查詢功能平均相應(yīng)時(shí)間≤2 s、消息推送或預(yù)警時(shí)間延遲≤3 s，運(yùn)行環(huán)境溫度為-40～70 ℃、運(yùn)行環(huán)境濕度為5%～95%RH，觸頭溫度分辨率≤1 ℃、觸頭測(cè)溫精度≤±1 ℃；采用15 kV空氣放電作為靜電隔離保護(hù)措施，并采用8 kV接觸放電保護(hù)；采用4 kV光電隔離防護(hù)及36 V直流過(guò)壓保護(hù)；電磁兼容性能指標(biāo)須滿足電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；健康因子準(zhǔn)確率≥95%。

3 變電所設(shè)備評(píng)估系統(tǒng)的實(shí)施與應(yīng)用

3.1 變電所設(shè)備評(píng)估系統(tǒng)的實(shí)施

變電所設(shè)備評(píng)估系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)變電所設(shè)備的全生命周期管理，可根據(jù)設(shè)備大數(shù)據(jù)分析結(jié)果自動(dòng)生成維修申請(qǐng)單。設(shè)備大數(shù)據(jù)分析的數(shù)據(jù)源如圖2所示。

圖2 設(shè)備大數(shù)據(jù)分析的數(shù)據(jù)源Fig.2 Data source for device big data analysis

根據(jù)歷史維修信息及運(yùn)行信息，變電所設(shè)備評(píng)估系統(tǒng)能快速完成可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)的計(jì)算，通過(guò)后臺(tái)分別查詢失效率、失效機(jī)理-失效模式、維修部件-失效模式、可靠度相關(guān)數(shù)據(jù)。

變電所設(shè)備評(píng)估系統(tǒng)具有有效FMEA功能，既支持在線完成FMEA及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，也支持部分離線進(jìn)行FMEA，并通過(guò)導(dǎo)入完成評(píng)估的功能。根據(jù)FMEA評(píng)估結(jié)果，設(shè)備狀態(tài)劃分為5個(gè)等級(jí)。FMEA還可通過(guò)設(shè)備運(yùn)維知識(shí)庫(kù)自學(xué)習(xí)，完成不同等級(jí)的事故處理預(yù)案。

變電所設(shè)備評(píng)估系統(tǒng)在實(shí)施過(guò)程中提高了牽引變電所設(shè)備檢維修工作的效率，其實(shí)施目標(biāo)為：將以時(shí)間為基準(zhǔn)的檢修策略改變?yōu)榛跔顟B(tài)和風(fēng)險(xiǎn)分析的設(shè)備檢維修模式。具體實(shí)施要點(diǎn)如下：

1) 實(shí)現(xiàn)變電所設(shè)備維修由故障修模式轉(zhuǎn)為狀態(tài)修模式的既定目標(biāo)。充分運(yùn)用各種在線監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)集成技術(shù)，在線評(píng)估牽引供電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

2) 實(shí)現(xiàn)牽引變電所設(shè)備全生命周期管理，建立健全牽引變電所設(shè)備大數(shù)據(jù)源，并自動(dòng)生成維修申請(qǐng)單。

3) 支持設(shè)備運(yùn)維知識(shí)庫(kù)自學(xué)習(xí)及多種評(píng)估實(shí)現(xiàn)方式。評(píng)估結(jié)果將設(shè)備狀態(tài)分等級(jí)處置，實(shí)現(xiàn)不同等級(jí)的事故處理預(yù)案。

3.2 變電所設(shè)備評(píng)估系統(tǒng)的應(yīng)用

變電所設(shè)備評(píng)估系統(tǒng)可為變電所檢修及故障預(yù)判提供依據(jù)和方案。該系統(tǒng)自2020年7月在中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司南京供電段投入試運(yùn)行，至今已穩(wěn)定運(yùn)行2年。

變電所設(shè)備評(píng)估系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的工作流程為：首先，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)接口，自動(dòng)接入現(xiàn)有的SCADA系統(tǒng)及輔助監(jiān)控系統(tǒng)等數(shù)據(jù)源，并借助信息化手段對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)和核對(duì)，從而提高作業(yè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性；然后，基于多元數(shù)據(jù)集成技術(shù)，評(píng)估設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，形成在線狀態(tài)評(píng)估的預(yù)檢修模式；最后，通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析失效判定和故障預(yù)測(cè)，對(duì)設(shè)備失效狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)并分級(jí)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)變化和可能存在的安全隱患，從而實(shí)現(xiàn)牽引供電現(xiàn)場(chǎng)搶修作業(yè)的精細(xì)化管理。

3.3 經(jīng)濟(jì)效益

變電所設(shè)備評(píng)估系統(tǒng)的實(shí)施和應(yīng)用可帶來(lái)較大的經(jīng)濟(jì)效益。

1) 獲得的數(shù)據(jù)信息更加精準(zhǔn)，可降低人力管理成本。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)的接口，能自動(dòng)接入各系統(tǒng)數(shù)據(jù)源，減少了人工收集處理數(shù)據(jù)的壓力，提升了工作效率。通過(guò)高效的信息化技術(shù)來(lái)校驗(yàn)和核對(duì)數(shù)據(jù)，提高了數(shù)據(jù)信息的可靠性。

2) 管理過(guò)程流程化，保障了管理的規(guī)范性。變電所設(shè)備評(píng)估系統(tǒng)的流程化管理能有條不紊地收集各類作業(yè)信息，并分析整合數(shù)據(jù)，關(guān)聯(lián)多維度生產(chǎn)活動(dòng)信息，既能有效地進(jìn)行安全監(jiān)管，也能對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行規(guī)范化管理。

3) 設(shè)備管理更加精細(xì)化和信息化。變電所設(shè)備評(píng)估系統(tǒng)基于多元數(shù)據(jù)集成技術(shù)，通過(guò)在線評(píng)估設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)實(shí)現(xiàn)了預(yù)檢修，通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析失效判定和故障預(yù)測(cè)，將設(shè)備失效狀態(tài)進(jìn)行分級(jí)，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)變化和可能存在的安全隱患，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)搶修作業(yè)的精細(xì)化管理，降低了人力監(jiān)管成本。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于以往供電設(shè)備臺(tái)賬信息化實(shí)施的經(jīng)驗(yàn)，詳細(xì)介紹了變電所設(shè)備評(píng)估系統(tǒng)。該系統(tǒng)針對(duì)豐富的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了變電所內(nèi)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)和輔助監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的全面共享，統(tǒng)一構(gòu)建了設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)管理，基于多元數(shù)據(jù)整合來(lái)評(píng)估設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，將原有以單一時(shí)間維度作為檢修間隔的模式，創(chuàng)新成通過(guò)在線狀態(tài)評(píng)估的預(yù)檢修模式，可有效提高工作效率，能夠有效解決設(shè)備維護(hù)過(guò)程中投入和產(chǎn)出的不平衡。該系統(tǒng)的研發(fā)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了供電設(shè)備設(shè)施維修體制改革的重大突破，具有良好的應(yīng)用前景。