城市軌道交通供電設備狀態評估研究及其應用

徐欽煒 呂利民 張俊強 王亞東 李巖

摘 要 針對城市軌道交通供電設備計劃維修模式逐漸暴露出維修不足和維修過剩的問題，以及設備的老化和失效無法實現在線監測的現狀，本文采取多種方式對多種設備的狀態數據進行統計、分析，形成城市軌道交通供電系統設備性能的狀態評估和服役壽命的預測，在保證城市軌道交通供電系統可靠運行的基礎上，為城市軌道交通供電系統設備的維修策略提供可行性建議，改善目前城市軌道交通供電系統的檢修模式。

【關鍵詞】城市軌道交通 供電設備 狀態評估 壽命預測

近年來，城市軌道交通成為解決我國現代城市交通擁堵問題的主要工具之一，在我國快速發展。而供電系統是城市軌道交通系統的重要組成部分，其運行可靠性和安全性直接關系到整個系統的正常運行。隨著軌道交通進入網絡化運營階段，供電設備的運行維修決策問題也越來越突出，當前供電設備采用的計劃維修模式逐漸暴露出維修不足和維修過剩的問題。以城市軌道交通供電設備可靠性和安全性為中心的狀態維修模式充分考慮供電系統設備的運行可靠性因素，成為供電設備維修決策的重要考慮方向。

針對不同類型的供電設備，監測其一次狀態信息，結合既有系統的數據和檢測試驗數據，利用科學的數據挖掘方法，掌握供電設備狀態的關鍵參數，研究運用不同的方法建立供電設備健康狀態評價模型，開發集合設備狀態評價、設備剩余壽命預估、設備故障率預測以及設備維修策略建議等功能于一體的設備狀態評估系統，改善目前城市軌道交通供電系統的檢修模式，具有大范圍推廣的價值。

1 供電設備狀態評價原理

城市軌道交通供電系統設備包括110KV GIS、33KV GIS、油浸式變壓器、干式變壓器、交聯電纜、直聯電纜、直流開關柜、低壓開關柜等，設備種類較多，進行設備狀態評價時采用的評價原理也存在差異。但基本原理都是通過各種輸入量確定設備的關鍵參數，運用科學的方法，建立供電設備的健康狀態模型、壽命預估模型、可靠性模型，分別評判設備的健康狀態、剩余壽命和故障率。本文以油浸式變壓器為例，介紹設備狀態評價的原理。

1.1 計算繞組熱點溫度

油浸式變壓器繞組熱點溫度是指繞組中最熱的那個點，通常在該點的絕緣老化速率最快，由于該點的位置不便確定，因此需要通過估算的方法進行計算。油浸式變壓器繞組熱點溫度可以以負載率和環境溫度作為輸入量，以油頂層溫度相對于環境溫度的溫升、熱點溫度相對于油頂層溫度的溫升以及加權環境溫度為輸出量：

1.1.1 油頂層溫度相對于環境溫度的溫升ΔΘTO

其中，ΔΘTO，R為額定負載下頂層油的溫升；τTO為油的時間常數；ΔΘTO，U為最終時刻的油溫升，ΔΘTO，i為起始時刻的油溫升；K為負載率，即油浸式變壓器實際電流與額定電流的比值，其中KU為最終時刻的負載率，Ki為起始時刻的負載率；R為額定負荷損耗與空載損耗的比值；x為油指數。

1.1.2 熱點溫度相對于油頂層溫度的溫升ΔΘH

其中，ΔΘH，U 為繞組熱點相對于頂層油的最終溫升；ΔΘH，R為額定負荷下熱點溫度與頂部油溫之差；K 為負載率，即油浸式變壓器實際電流與額定電流的比值；y 為繞組指數。

1.2 計算等效運行時間

油浸式變壓器的絕緣壽命是指在變壓器絕緣材料溫度給定的情況下，從絕緣材料投入使用到發生電氣故障所經歷的總時間。絕緣材料老化和時間及溫度的關系服從阿倫尼烏斯反應原理。在服役時間T內，變壓器可能運行在不同的條件下。將服役期T劃分為n個區間t1， t2，…， tn，并認為每個區間ti的繞組熱點溫度（℃）θH （ti）保持恒定。因此油浸式變壓器服役期T內總的絕緣壽命損失：

計算出等效運行時間，即可得到油浸式變壓器的壽命損失量和剩余壽命。

1.3 計算靶心度健康指數

灰靶理論是灰評估和灰決策理論，需要在沒有標準模式的情況下設定一個灰靶，通過灰靶變換找到靶心，然后將待評估狀態與靶心進行比較計算靶心度，通過靶心度來判斷油浸式變壓器所處的狀態等級。用靶心度來衡量油浸式變壓器的健康指數。首先計算靶心系數：

其中，ρ為分辨系數，ρ∈[0，1]；Δ0i（k） 表示待評估序列ωi與靶心ω0之間的灰關聯差異信息。然后可得到序列ωi的靶心度：

其中，qK為各靶心系數的權值。

將油浸式變壓器狀態分為正常、輕度故障、中度故障以及嚴重故障四個等級，對應的靶心度范圍分別為[0.6，1]，[0.5，0.6），[0.4，0.5），[0.33，0.4）。另外假設正常狀態對應的健康指數范圍為[0.6，1]，輕度故障（預警）狀態對應的健康指數范圍為[0.4，0.6]，中度故障（異常）狀態對應的健康指數范圍為[0.2，0.4]，嚴重故障（警示）狀態對應的健康指數范圍為[0，0，2]。油浸式變壓器健康指數HI和靶心度γ之間滿足分段線性關系：

基于油浸式變壓器的等效運行時間和健康指數HI，利用阿倫尼烏斯定律和威布爾分布法，得到油浸式變壓器的故障率預測結果。

2 供電設備狀態評估系統的主要功能

2.1 數據獲取

供電系統設備較多，每種設備的有效數據分別來自不同的地方。設備的一次狀態數據通過增加傳感器實時監測獲??；設備的運行數據由現有的供電自動化系統共享獲取；設備的檢測試驗數據由供電系統定期的檢測試驗共享獲取；設備的基礎信息數據由設備出廠資料信息化獲取。

一次狀態數據包括：設備運行溫度、壓力、微水含量等；電纜的表皮溫度；設備局部放電量、放電次數。

設備的運行數據包括：設備的電流、電壓、功率因素、有功功率、無功功率、設備位置狀態、故障報警信息等。

設備基礎信息和檢驗數據包括：設備出廠檢驗數據、設備型式試驗報告、設備銘牌數據、設備巡檢記錄、設備故障檢修報告、設備定期實驗報告等。

2.2 數據存儲

由于獲取的數據種類眾多、數據海量、數據格式差異較大，為保證數據庫能夠有序存儲數據、快速檢索數據，所以采用統一的數據命名規則，對所有數據進行梳理、重命名后，利用可配置壓縮精度的分段壓縮手段將數據存儲到數據庫中。同時利用內置歷史緩存和歷史預讀功能，提高數據庫的數據檢索和數據統計能力。

2.3 功能規劃

供電設備狀態評估系統對系統的功能結構進行了詳細的規劃，確保用戶在使用系統時能夠有良好的體驗，如圖1所示。

3 系統設計

根據上述的設備的健康狀態、剩余壽命和故障率計算原理，結合供電設備狀態評估系統功能結構，設計開發城市軌道交通供電設備狀態評估系統。

在供電設備狀態評估系統中可以看到整條線路、整個站點所有設備的狀態信息概況、設備狀態占比。如圖2所示。

同時，對設備狀態評估結果的顏色進行了規劃，有利于用戶對設備狀態評估結果進行識別。

如圖3所示，系統也可以查看具體設備基礎信息、運行狀態、設備的剩余壽命、設備的預計故障率、設備的評價打分狀態以及輔助的設備維修策略。用戶可以很清晰地了解設備運行狀態以及結合設備運行狀態制定高效的維修計劃。

4 結語

本文利用運用阿倫尼烏斯定律、加權灰靶理論、威布爾分布法、模糊層次分析法、聯合電熱應力模型等，設計開發的城市軌道交通供電設備狀態評估系統，具有完整的設備狀態評估、設備壽命預測、故障率預測等功能，可為供電設備的維修策略提供可行性建議，有助于改善目前城市軌道交通供電系統以計劃檢修為主的檢修模式。且隨著智能算法應用的深入以及設備數據的不斷積累，該系統的模型還可以進行優化修正，以便實現設備狀態評估達到更高的預測精度。

參考文獻

[1]王師霜，魯斌，周慶捷等.數據挖掘技術在二次設備狀態評價中的可行性分析報告[J].計算機科學與應用，2012（02），251-254.

[2] 黃成剛.監控組態軟件中數據管理子系統的設計與實現[D].大連理工大學，2008.

[3]劉京.實時狀態監測系統的開發與研究[D].華中科技大學，2007.

[4]劉建輝.關于電網供電變壓器的安全運行分析[J].黑龍江科技信息，2013（36）：52.

[5]鄭含博.電力變壓器狀態評估及故障診斷方法研究[D].重慶大學，2012.

[6]郭曉斌，程樂峰，王國平，許愛東，簡淦楊，余濤，魏文瀟.基于動態修正技術的電力變壓器可靠性評估模型研究[J].電力自動化設備，2016（06）：148-155.

[7]潘樂真，張焰，俞國勤，杜成剛.狀態檢修決策中的電氣設備故障率推算[J].電力自動化設備，2010（02）：91-94.

[8]張翔，宋子彤，楊致慧，周勤，郭創新.一種基于負載率和設備檢測信息的油浸式變壓器故障率模型[J].電網技術，2013（04）：1159-1165.

[9]劉四維，劉燕.談阿倫尼烏斯方程在干式變壓器負載導則中的應用[J].變壓器，2009（01）：14-15.

[10]張翔.油浸式變壓器故障率建模及可載性研究[D].浙江大學，2013.

作者單位

1.廣州地鐵集團有限公司 廣東省廣州市 510000

2.廣州白云電器設備股份有限公司 廣東省廣州市 510000