基于在線預檢修模式的牽引變電所設備狀態評估系統研究*

戴麗君 趙紫龍 童巖峰 武智慧

(南京鐵道職業技術學院鐵道供電系， 210031， 南京∥第一作者， 教授)

目前，各運營單位對于牽引變電所內設備的管理主要是采用傳統的人工定期巡檢方式。這種巡檢方式依賴于人工，流程繁瑣：需為各設備設立臺賬信息，并為每個設備做靜態履歷簿；值班人員根據變電所設備狀況,制定設備定期巡視周期表，并在變電所內建立專用設備巡視記錄簿和日常設備巡視卡，每巡視一次則登記一次；設備巡視一般由2人或2人以上共同執行；變電所應標注醒目的設備巡視路線及重點巡視部位；設備巡視中如發現異?；蛟O備事故，再按相關管理規程及安全工作規程的規定匯報處理；各變電所每月巡視2次,每季度夜間巡視1次,節假日或惡劣氣候時應進行特殊巡視，發生緊急情況時巡視應立即終止，并迅速參加事故處理,事畢后再及時補巡。可見，采用傳統的人工巡視方式，人員工作強度非常大，且受人為方式或其他不可預測情況影響，突發事件處理也不夠及時。

移動互聯網技術的興起，使各種在線采集系統得以廣泛應用。“互聯網+”融合了云計算、大數據、物聯網等技術，實現人與人、人與物、人與服務、人與場景、人與未來的連接，給整個行業帶來新的發展格局，為變電所設備的在線狀態評估提供了條件。

本文提出的牽引變電所設備狀態評估系統(以下簡稱為“變電所設備評估系統”)，將互聯網技術與通信技術相結合，通過構建統一的設備管理數據庫，能實現變電所內綜合自動化系統和輔助監控系統監控數據的全面共享，創新了設備管理信息化應用模式。采用該系統，一方面可為處理事件、流轉業務的應急調度指揮、后臺盯控、及時有效進行處理等業務提供有力保障；另一方面，還能提升工作效率、降低運營維護成本，并為制定維護策略提供切實、可用、安全、可控的技術支持。

1 變電所設備評估系統總體架構

變電所設備評估系統由設備信息及運維管理、設備可靠性分析、系統管理等部分組成，通過對設備基本信息、運行數據、檢修數據、故障數據及既有知識庫的查詢，實現設備的可靠性評估分析，作出相應的健康狀態評估，為設備檢修提供依據。

1.1 變電所設備評估系統的研發

變電所設備評估系統采用B/S(瀏覽器和服務器)架構模式，采用Dot Net 或 Java開發語言，其數據層為Oracle 網絡的分布式存儲；通過Web service、HTTP(超文本傳輸協議)等同ERP(企業資源計劃)系統、SCADA(監控與數據采集)系統及輔助監控系統集成。便于用戶通過瀏覽器可直接訪問服務器數據，提高了用戶端使用的便捷性。

設備評估系統采用SOA(面向服務的架構)體系的企業級軟件架構。在SOA體系下，應用軟件被劃分為具有不同功能的服務單元，各服務單元利用標準的軟件接口相互連通。通過SOA，企業能快速適應業務的迅速變化，可有效整合新舊軟件資產，降低軟件整體擁有成本;能有效兼容不同設備服務器的數據，提高不同設備數據有效傳輸及讀取效率，提升系統的可擴展性、靈活性、先進性和可控性。

1.2 系統整體架構

變電所設備評估系統基于牽引變電所的綜合自動化系統進行搭建，并通過數據標準接口連接輔助監控系統、操作票管理、環境監控系統、生產計劃管理等各外部系統，從而實現在線的靜態數據和動態數據的實時共享。接口實時傳送的數據保證了設備可靠性分析、設備維修管理及設備狀態評估結果的真實性和準確性。

變電所設備評估系統整體架構(如圖1所示)由數據采集層、數據分析計算處理層(核心部分)、擴展應用層三部分構成。

圖1 變電所設備評估系統整體架構Fig.1 Overall architecture of substation equipmentevaluation system

1.2.1 設備可靠性分析

可靠性分析算法基于系統建模理論。按變電所內相關設備及其周邊設備組成的系統，采用XML(可拓展標記語言)格式建立起可靠性模型，作為可靠性分析的基礎。根據可靠性數據庫及設備自身的故障歷史數據，來計算上述設備所構成系統的可靠性水平。可靠性評價指標包括：MTBF(平均故障間隔時間)、失效率λ(t)及可靠度R(t)。

1.2.2 設備維護檢修管理

將由RCM(以可靠性為中心的維修)、RBI(基于風險評估的設備檢驗技術)、SIL(安全完整性等級)、RCA(根本原因分析)等模塊得到的結論，以及由其他模塊得到的維護檢修建議進行統一管理和可靠性分析，并通過集成各模塊的實施過程，促進策略的優化。

1.2.3 設備故障診斷與狀態評估

通過對變電所供電設備健康狀況和可靠性進行評估推斷，實現對既有監控狀態信息、臺賬信息、檢修信息、故障信息等多數據的高效融合，并識別設備狀態，對設備的健康狀態進行量化處理，進而提供多維度解決方案。

1.3 九大模塊

變電所設備評估系統主要包含九大模塊,各模塊功能為：

1) 設備信息管理模塊：系統數據管理、系統設備基本信息管理、知識庫管理。

2) 設備運維管理模塊：主要包括設備維修數據管理、設備運行數據管理、設備故障案例庫。

3) 項目管理模塊：確定項目類型，管理項目評價。

4) 可靠性分析模塊：提供可靠性計算、可靠性結果查看和標準失效庫管理等功能。

5) FMEA(潛在失效模式與效應分析)模塊：包括設備關鍵性分析、FMEA及風險評估和FMEA報表。

6) 設備維修維護模塊：包括設備維修策略和設備維護策略兩部分。

7) 維修維護策略庫模塊：為設備維修和維護提供策略支持，包括維修方式、維修項目、維護方法等。

8) 基礎數據管理模塊：能便捷快速地查詢系統的基礎數據信息，包括安裝地點、故障模式、故障機理、故障原因、設備類型、設備類故障模式、設備類故障部件、應用領域、生產廠家等。

9) 系統管理模塊：可以對系統菜單進行個性化設計，提供角色和用戶管理，以及單位管理等。

2 變電所設備評估系統的技術要求

2.1 技術原理

變電所設備評估系統采用基于深度學習的設備運行狀態評估算法，結合變電所設備物理模型，建立供電設備多源異構故障信息的融合及識別機制，進而實現變電所內綜合自動化系統和輔助監控系統的監控數據全面共享；結合設備指數分布的生命周期曲線，統一構建設備數據庫管理；基于多元數據整合，評估設備運行狀態；將原有以單一時間維度作為檢修間隔的模式，創新為通過在線狀態評估的預檢修模式；通過神經網絡分析失效判定和故障預測，對設備失效狀態進行評估分級，及時發現設備狀態變化和可能存在的安全隱患，并自動給出檢修預案。

2.2 變電所設備評估系統的功能

通過設備臺賬等靜態設備信息及SCADA系統動態在線監測數據的融合，結合設備指數分布的生命周期曲線，統一構建設備數據庫管理。變電所設備評估系統主要功能包括：

1) 設備數據管理功能。包括牽引變電所設備系統數據管理、維修數據管理、運行數據管理、故障案例庫管理、知識庫管理等功能。

2) 可靠性分析功能?？蓪崿F對牽引變電所設備的可靠性分析及可靠性數據管理，提供可靠性數據庫建立、可靠性數據的趨勢分析、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用功能?？商峁┚S修策略庫管理、牽引變電所設備分級及維修策略等功能。

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

5) 強大的后臺管理功能。該功能真正實現了模塊和角色的靈活定制，突出了通用性。變電所設備評估系統將模塊、使用單位與用戶權限相結合，可有效地對登陸用戶進行分類管理。

2.3 主要技術指標

變電所設備評估系統的主要技術指標為：一般查詢功能平均相應時間≤2 s、消息推送或預警時間延遲≤3 s，運行環境溫度為-40～70 ℃、運行環境濕度為5%～95%RH，觸頭溫度分辨率≤1 ℃、觸頭測溫精度≤±1 ℃；采用15 kV空氣放電作為靜電隔離保護措施，并采用8 kV接觸放電保護；采用4 kV光電隔離防護及36 V直流過壓保護；電磁兼容性能指標須滿足電力行業標準；健康因子準確率≥95%。

3 變電所設備評估系統的實施與應用

3.1 變電所設備評估系統的實施

變電所設備評估系統實現了對變電所設備的全生命周期管理，可根據設備大數據分析結果自動生成維修申請單。設備大數據分析的數據源如圖2所示。

圖2 設備大數據分析的數據源Fig.2 Data source for device big data analysis

根據歷史維修信息及運行信息，變電所設備評估系統能快速完成可靠性評價指標的計算，通過后臺分別查詢失效率、失效機理-失效模式、維修部件-失效模式、可靠度相關數據。

變電所設備評估系統具有有效FMEA功能，既支持在線完成FMEA及風險評估，也支持部分離線進行FMEA，并通過導入完成評估的功能。根據FMEA評估結果，設備狀態劃分為5個等級。FMEA還可通過設備運維知識庫自學習，完成不同等級的事故處理預案。

變電所設備評估系統在實施過程中提高了牽引變電所設備檢維修工作的效率，其實施目標為：將以時間為基準的檢修策略改變為基于狀態和風險分析的設備檢維修模式。具體實施要點如下：

1) 實現變電所設備維修由故障修模式轉為狀態修模式的既定目標。充分運用各種在線監測的系統集成技術，在線評估牽引供電設備的運行狀態。

2) 實現牽引變電所設備全生命周期管理，建立健全牽引變電所設備大數據源，并自動生成維修申請單。

3) 支持設備運維知識庫自學習及多種評估實現方式。評估結果將設備狀態分等級處置，實現不同等級的事故處理預案。

3.2 變電所設備評估系統的應用

變電所設備評估系統可為變電所檢修及故障預判提供依據和方案。該系統自2020年7月在中國鐵路上海局集團有限公司南京供電段投入試運行，至今已穩定運行2年。

變電所設備評估系統在實際應用中的工作流程為：首先，通過標準數據庫接口，自動接入現有的SCADA系統及輔助監控系統等數據源，并借助信息化手段對數據進行校驗和核對，從而提高作業數據準確性；然后，基于多元數據集成技術，評估設備運行狀態，形成在線狀態評估的預檢修模式；最后，通過神經網絡分析失效判定和故障預測，對設備失效狀態進行預測并分級，及時發現設備狀態變化和可能存在的安全隱患，從而實現牽引供電現場搶修作業的精細化管理。

3.3 經濟效益

變電所設備評估系統的實施和應用可帶來較大的經濟效益。

1) 獲得的數據信息更加精準，可降低人力管理成本。通過標準數據庫的接口，能自動接入各系統數據源，減少了人工收集處理數據的壓力，提升了工作效率。通過高效的信息化技術來校驗和核對數據，提高了數據信息的可靠性。

2) 管理過程流程化，保障了管理的規范性。變電所設備評估系統的流程化管理能有條不紊地收集各類作業信息，并分析整合數據，關聯多維度生產活動信息，既能有效地進行安全監管，也能對生產過程進行規范化管理。

3) 設備管理更加精細化和信息化。變電所設備評估系統基于多元數據集成技術，通過在線評估設備運行狀態實現了預檢修，通過神經網絡分析失效判定和故障預測，將設備失效狀態進行分級，可及時發現設備狀態變化和可能存在的安全隱患，實現現場搶修作業的精細化管理，降低了人力監管成本。

4 結語

本文基于以往供電設備臺賬信息化實施的經驗，詳細介紹了變電所設備評估系統。該系統針對豐富的在線監測系統數據，實現了變電所內綜合自動化系統和輔助監控系統監控數據的全面共享，統一構建了設備數據庫管理，基于多元數據整合來評估設備運行狀態，將原有以單一時間維度作為檢修間隔的模式，創新成通過在線狀態評估的預檢修模式，可有效提高工作效率，能夠有效解決設備維護過程中投入和產出的不平衡。該系統的研發應用，實現了供電設備設施維修體制改革的重大突破，具有良好的應用前景。