城市軌道交通供電設(shè)備狀態(tài)評估研究及其應(yīng)用

徐欽煒 呂利民 張俊強(qiáng) 王亞東 李巖

摘 要 針對城市軌道交通供電設(shè)備計(jì)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(shè)備的老化和失效無法實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測的現(xiàn)狀，本文采取多種方式對多種設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析，形成城市軌道交通供電系統(tǒng)設(shè)備性能的狀態(tài)評估和服役壽命的預(yù)測，在保證城市軌道交通供電系統(tǒng)可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)上，為城市軌道交通供電系統(tǒng)設(shè)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(tǒng)的檢修模式。

【關(guān)鍵詞】城市軌道交通 供電設(shè)備 狀態(tài)評估 壽命預(yù)測

近年來，城市軌道交通成為解決我國現(xiàn)代城市交通擁堵問題的主要工具之一，在我國快速發(fā)展。而供電系統(tǒng)是城市軌道交通系統(tǒng)的重要組成部分，其運(yùn)行可靠性和安全性直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的正常運(yùn)行。隨著軌道交通進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營階段，供電設(shè)備的運(yùn)行維修決策問題也越來越突出，當(dāng)前供電設(shè)備采用的計(jì)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(shè)備可靠性和安全性為中心的狀態(tài)維修模式充分考慮供電系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行可靠性因素，成為供電設(shè)備維修決策的重要考慮方向。

針對不同類型的供電設(shè)備，監(jiān)測其一次狀態(tài)信息，結(jié)合既有系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和檢測試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用科學(xué)的數(shù)據(jù)挖掘方法，掌握供電設(shè)備狀態(tài)的關(guān)鍵參數(shù)，研究運(yùn)用不同的方法建立供電設(shè)備健康狀態(tài)評價模型，開發(fā)集合設(shè)備狀態(tài)評價、設(shè)備剩余壽命預(yù)估、設(shè)備故障率預(yù)測以及設(shè)備維修策略建議等功能于一體的設(shè)備狀態(tài)評估系統(tǒng)，改善目前城市軌道交通供電系統(tǒng)的檢修模式，具有大范圍推廣的價值。

1 供電設(shè)備狀態(tài)評價原理

城市軌道交通供電系統(tǒng)設(shè)備包括110KV GIS、33KV GIS、油浸式變壓器、干式變壓器、交聯(lián)電纜、直聯(lián)電纜、直流開關(guān)柜、低壓開關(guān)柜等，設(shè)備種類較多，進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)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(shè)備的關(guān)鍵參數(shù)，運(yùn)用科學(xué)的方法，建立供電設(shè)備的健康狀態(tài)模型、壽命預(yù)估模型、可靠性模型，分別評判設(shè)備的健康狀態(tài)、剩余壽命和故障率。本文以油浸式變壓器為例，介紹設(shè)備狀態(tài)評價的原理。

1.1 計(jì)算繞組熱點(diǎn)溫度

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

1.1.1 油頂層溫度相對于環(huán)境溫度的溫升ΔΘTO

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

1.1.2 熱點(diǎn)溫度相對于油頂層溫度的溫升ΔΘH

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

1.2 計(jì)算等效運(yùn)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(fā)生電氣故障所經(jīng)歷的總時間。絕緣材料老化和時間及溫度的關(guān)系服從阿倫尼烏斯反應(yīng)原理。在服役時間T內(nèi)，變壓器可能運(yùn)行在不同的條件下。將服役期T劃分為n個區(qū)間t1， t2，…， tn，并認(rèn)為每個區(qū)間ti的繞組熱點(diǎn)溫度（℃）θH （ti）保持恒定。因此油浸式變壓器服役期T內(nèi)總的絕緣壽命損失：

計(jì)算出等效運(yùn)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(jì)算靶心度健康指數(shù)

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

其中，ρ為分辨系數(shù)，ρ∈[0，1]；Δ0i（k） 表示待評估序列ωi與靶心ω0之間的灰關(guān)聯(lián)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(shù)的權(quán)值。

將油浸式變壓器狀態(tài)分為正常、輕度故障、中度故障以及嚴(yán)重故障四個等級，對應(yīng)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(shè)正常狀態(tài)對應(yīng)的健康指數(shù)范圍為[0.6，1]，輕度故障（預(yù)警）狀態(tài)對應(yīng)的健康指數(shù)范圍為[0.4，0.6]，中度故障（異常）狀態(tài)對應(yīng)的健康指數(shù)范圍為[0.2，0.4]，嚴(yán)重故障（警示）狀態(tài)對應(yīng)的健康指數(shù)范圍為[0，0，2]。油浸式變壓器健康指數(shù)HI和靶心度γ之間滿足分段線性關(guān)系：

基于油浸式變壓器的等效運(yùn)行時間和健康指數(shù)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(yù)測結(jié)果。

2 供電設(shè)備狀態(tài)評估系統(tǒng)的主要功能

2.1 數(shù)據(jù)獲取

供電系統(tǒng)設(shè)備較多，每種設(shè)備的有效數(shù)據(jù)分別來自不同的地方。設(shè)備的一次狀態(tài)數(shù)據(jù)通過增加傳感器實(shí)時監(jiān)測獲取；設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)由現(xiàn)有的供電自動化系統(tǒng)共享獲?。辉O(shè)備的檢測試驗(yàn)數(shù)據(jù)由供電系統(tǒng)定期的檢測試驗(yàn)共享獲??；設(shè)備的基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)由設(shè)備出廠資料信息化獲取。

一次狀態(tài)數(shù)據(jù)包括：設(shè)備運(yùn)行溫度、壓力、微水含量等；電纜的表皮溫度；設(shè)備局部放電量、放電次數(shù)。

設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)包括：設(shè)備的電流、電壓、功率因素、有功功率、無功功率、設(shè)備位置狀態(tài)、故障報警信息等。

設(shè)備基礎(chǔ)信息和檢驗(yàn)數(shù)據(jù)包括：設(shè)備出廠檢驗(yàn)數(shù)據(jù)、設(shè)備型式試驗(yàn)報告、設(shè)備銘牌數(shù)據(jù)、設(shè)備巡檢記錄、設(shè)備故障檢修報告、設(shè)備定期實(shí)驗(yàn)報告等。

2.2 數(shù)據(jù)存儲

由于獲取的數(shù)據(jù)種類眾多、數(shù)據(jù)海量、數(shù)據(jù)格式差異較大，為保證數(shù)據(jù)庫能夠有序存儲數(shù)據(jù)、快速檢索數(shù)據(jù)，所以采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)命名規(guī)則，對所有數(shù)據(jù)進(jìn)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(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中。同時利用內(nèi)置歷史緩存和歷史預(yù)讀功能，提高數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)檢索和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)能力。

2.3 功能規(guī)劃

供電設(shè)備狀態(tài)評估系統(tǒng)對系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)劃，確保用戶在使用系統(tǒng)時能夠有良好的體驗(yàn)，如圖1所示。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)上述的設(shè)備的健康狀態(tài)、剩余壽命和故障率計(jì)算原理，結(jié)合供電設(shè)備狀態(tài)評估系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)開發(fā)城市軌道交通供電設(shè)備狀態(tài)評估系統(tǒng)。

在供電設(shè)備狀態(tài)評估系統(tǒng)中可以看到整條線路、整個站點(diǎn)所有設(shè)備的狀態(tài)信息概況、設(shè)備狀態(tài)占比。如圖2所示。

同時，對設(shè)備狀態(tài)評估結(jié)果的顏色進(jìn)行了規(guī)劃，有利于用戶對設(shè)備狀態(tài)評估結(jié)果進(jìn)行識別。

如圖3所示，系統(tǒng)也可以查看具體設(shè)備基礎(chǔ)信息、運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)備的剩余壽命、設(shè)備的預(yù)計(jì)故障率、設(shè)備的評價打分狀態(tài)以及輔助的設(shè)備維修策略。用戶可以很清晰地了解設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)以及結(jié)合設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)制定高效的維修計(jì)劃。

4 結(jié)語

本文利用運(yùn)用阿倫尼烏斯定律、加權(quán)灰靶理論、威布爾分布法、模糊層次分析法、聯(lián)合電熱應(yīng)力模型等，設(shè)計(jì)開發(fā)的城市軌道交通供電設(shè)備狀態(tài)評估系統(tǒng)，具有完整的設(shè)備狀態(tài)評估、設(shè)備壽命預(yù)測、故障率預(yù)測等功能，可為供電設(shè)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(tǒng)以計(jì)劃檢修為主的檢修模式。且隨著智能算法應(yīng)用的深入以及設(shè)備數(shù)據(jù)的不斷積累，該系統(tǒng)的模型還可以進(jìn)行優(yōu)化修正，以便實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)評估達(dá)到更高的預(yù)測精度。

參考文獻(xiàn)

[1]王師霜，魯斌，周慶捷等.數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)在二次設(shè)備狀態(tài)評價中的可行性分析報告[J].計(jì)算機(jī)科學(xué)與應(yīng)用，2012（02），251-254.

[2] 黃成剛.監(jiān)控組態(tài)軟件中數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].大連理工大學(xué)，2008.

[3]劉京.實(shí)時狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)與研究[D].華中科技大學(xué)，2007.

[4]劉建輝.關(guān)于電網(wǎng)供電變壓器的安全運(yùn)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(tài)評估及故障診斷方法研究[D].重慶大學(xué)，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(tài)修正技術(shù)的電力變壓器可靠性評估模型研究[J].電力自動化設(shè)備，2016（06）：148-155.

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

[8]張翔，宋子彤，楊致慧，周勤，郭創(chuàng)新.一種基于負(fù)載率和設(shè)備檢測信息的油浸式變壓器故障率模型[J].電網(wǎng)技術(shù)，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(fù)載導(dǎo)則中的應(yīng)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(xué)，2013.

作者單位

1.廣州地鐵集團(tuán)有限公司 廣東省廣州市 510000

2.廣州白云電器設(shè)備股份有限公司 廣東省廣州市 510000