基于多源數據融合的變壓器專業(yè)化檢修綜合管理系統(tǒng)設計

劉子婷 姜良剛 馬玎 王新剛 施廣宇

摘要：依托于變壓器專業(yè)化巡檢和工廠化檢修的變壓器專業(yè)化檢修模式已經成為適應未來電網發(fā)展的必然方向，但是目前尚缺乏有效的專業(yè)管理抓手。本文設計了一套變壓器專業(yè)化檢修綜合管理系統(tǒng)軟件，基于多源數據融合進行數據分析，可及時發(fā)現變壓器潛在的故障及危險源，為運維人員提供檢修策略，實現變壓器專業(yè)化檢修作業(yè)全生命周期管理，大大提高了檢修工作效率以及數據的使用效率和信息化水平。

關鍵詞：多源數據融合；專業(yè)化檢修；狀態(tài)評估；全生命周期管理

中圖分類號：TM407 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）07-0171-04

1 引言

隨著我國能源和電力事業(yè)的蓬勃發(fā)展，電網規(guī)模的持續(xù)擴大，投入電力變壓器數量、容量逐年增加。電力變壓器作為電網的核心設備之一，其運行狀況直接影響著電力系統(tǒng)的安全性和可靠性。為保證變壓器及其組部件的安全、可靠、經濟運行，對其運行狀態(tài)進行定期集中檢測和評估，然后統(tǒng)一實施維護或改造是非常必要的。依托于變壓器專業(yè)化巡檢和工廠化檢修的變壓器專業(yè)化檢修模式有利于提高變壓器檢修集約化運作，專業(yè)化管理，有效保證檢修的質量，大幅度減少停電時間，提高可靠性指標，降低設備檢修安全風險，減少設備檢修成本，提高工作效率，已經成為適應未來電網發(fā)展的必然方向。[1]

目前，變壓器運維信息管理主要依托于現有的生產管理信息系統(tǒng)（PMS）開展。但是，一方面，變壓器專業(yè)化檢修數據采集和整理工作量大，手動采集，人工錄入，數據準確性和時效性差，且檢修數據多以非結構化的文檔、報告型式存儲，基于變壓器專業(yè)化檢修數據的診斷分析應用難以有效開展，數據價值未能有效發(fā)揮；另一方面，變壓器專業(yè)化檢修作業(yè)流程管理松散，檢修任務管理缺乏管理抓手?，F有的PMS系統(tǒng)對變壓器專業(yè)化檢修的支撐力度不足。

在上述背景下，本文從如何構建實用的變壓器專業(yè)化檢修綜合管理系統(tǒng)出發(fā)，介紹該系統(tǒng)的基本架構和主要功能，并詳細介紹多源數據融合及狀態(tài)評估等關鍵技術與方法，其主要目的是為變壓器專業(yè)化檢修提供信息化管理手段，對變壓器專業(yè)化檢修業(yè)務的順利開展提供技術支撐。

2 系統(tǒng)設計

基于多源數據融合的變壓器專業(yè)化檢修綜合管理系統(tǒng)是集成多源數據、運行狀態(tài)評估、專業(yè)化檢修過程管控的綜合管理系統(tǒng)，可實現變壓器專業(yè)化檢修的多源數據統(tǒng)計和分析，得到相應的狀態(tài)評估和故障診斷結果，制定合理的檢修策略，發(fā)布檢修作業(yè)計劃，管控檢修作業(yè)流程，建立從變壓器專業(yè)化巡檢到工廠化檢修作業(yè)全生命周期管控，提高變壓器專業(yè)化檢修的作業(yè)水平和效率，保證變壓器運行可靠性。

2.1 軟件架構

基于多源數據融合的變壓器專業(yè)化檢修綜合管理系統(tǒng)的軟件架構如圖1所示，系統(tǒng)采用嚴格的分層結構設計，從成熟度、易擴展及高性能等方面考慮每層設計，系統(tǒng)自下而上依次為基礎設施層、數據源層、數據接口層、業(yè)務邏輯層、表示層。

基礎設施層主要包括支撐變壓器專業(yè)化檢修綜合管理系統(tǒng)運行所需的計算和存儲等資源，如計算機、中間件、數據庫、服務器及電力專網等。

數據源層為變壓器專業(yè)化檢修綜合管理系統(tǒng)接入所需數據來源，包括變壓器臺賬數據（額定容量、絕緣水平、冷卻、制造工藝、施工等）、預試數據（油色譜分析、工頻交流耐壓試驗、短路試驗等）、運行數據（油位、油溫、連接銅牌溫度、電流、電壓等）、以及有記錄的臨時性檢修數據、周期性檢修數據、事故數據等。

數據接口層根據數據的結構特征與實現特征，設計開發(fā)適配器，基于交互規(guī)約及行業(yè)標準對其進行數據清洗、數據轉換、數據加工處理，并分類為定性與定量數據，進而存入數據存儲層中。

數據存儲層存儲了經數據接口處理得到的各種定性與定量數據，依托于基礎設施層，采用分布式文件系統(tǒng)、分布式關系型數據庫和列式數據庫等技術，實現數據的海量規(guī)模存儲、快速查詢讀取，為系統(tǒng)功能的實現提供信息與數據支撐。

業(yè)務邏輯層是整個變壓器專業(yè)化檢修綜合管理系統(tǒng)的運作核心，通過整合數據存儲層的信息資源，進行變壓器專業(yè)化檢修數據的統(tǒng)計和分析，得到相應的狀態(tài)評估和故障診斷結果，制定合理的檢修策略，發(fā)布檢修作業(yè)計劃，管控檢修作業(yè)流程，向運維檢修人員提供變壓器專業(yè)化檢修作業(yè)管理功能和綜合數據展示功能。

表示層以WEB、便攜式終端APP等形式，為運維檢修人員提供交互操作的界面。運維檢修人員可獲得包括變壓器多源數據展示、統(tǒng)計分析、狀態(tài)評估等可視化功能，包括專業(yè)化檢修任務管理、標準化作業(yè)指導等專業(yè)化檢修作業(yè)全生命周期管理功能。

2.2 系統(tǒng)功能設計

基于多源數據融合的變壓器專業(yè)化檢修綜合管理系統(tǒng)主要包括用戶管理、數據管理、狀態(tài)評價、故障診斷、業(yè)務管理、統(tǒng)計查詢等功能模塊，如圖2所示。

（1）用戶管理模塊。該模塊主要包括用戶登錄、用戶信息管理等內容，對系統(tǒng)進行基本設置，不同用戶有不同的權限設定。

（2）數據管理模塊。本模塊管理變壓器相關數據。獲取變壓器設備臺賬、在線監(jiān)測數據、專業(yè)化檢修內容等多源數據，按照統(tǒng)一數據格式保存至數據庫中。在數據保存過程中，首先依據閾值對存儲的數據進行清洗、統(tǒng)計、分析，再將清洗之后的數據和統(tǒng)計結果再按照統(tǒng)一格式保存至數據庫，最終為系統(tǒng)的其他功能模塊提高規(guī)范的數據。

（3）狀態(tài)評估模塊。綜合分析變壓器臺賬數據、預試數據、運行數據以及有記錄的臨時性檢修數據、周期性檢修數據、事故數據等信息，依據既定的指標進行變壓器狀態(tài)評估本模塊實現對變壓器各部件及本體進行狀態(tài)評估。

（4）故障診斷模塊。結合狀態(tài)評估結果對變壓器狀態(tài)進行故障診斷，最終預測出變壓器各部件、本體可能存在的問題和變壓器的薄弱點及故障，并針對變壓器可能存在的缺陷，以表格和圖標的形式向技術工作人員展示，并結合狀態(tài)評估結果給出檢修策略或檢修計劃。

（5）任務管理模塊。該模塊包括檢修技術制定、檢修任務派發(fā)、檢修過程監(jiān)督、檢修結果審核、檢修績效評估等功能，實現變壓器專業(yè)化檢修任務全生命周期管理，形成全新的紙化、規(guī)范化、高效實時的變壓器專業(yè)化新的業(yè)務模式，同時積累結構化規(guī)范的檢修數據，為開展基于變壓器專業(yè)化數據的綜合應用打下堅實基礎。

（6）統(tǒng)計查詢模塊。主要包括基本信息統(tǒng)計、評估信息統(tǒng)計、檢修信息統(tǒng)計等，每個統(tǒng)計內容都按照固定的報表格式進行分析與匯總，以表格形式為主，需要將統(tǒng)計結果填入報表中，實現打印功能，有些統(tǒng)計結果以餅圖、柱狀圖等方式展示。同時，支持對所需數據進行查詢并形成相應的報表。

3 關鍵技術與方法

圍繞本文變壓器專業(yè)化檢修綜合管理系統(tǒng)所設計的主要功能，提出上述功能所涉及的關鍵技術與方法，包括多源異構數據融合技術、綜合狀態(tài)評估方法、通信技術等。

3.1 多源異構數據融合技術

多源異構數據融合技術的出現為變壓器專業(yè)化檢修的狀態(tài)評估提供了新的思路，它作為一種智能化信息處理技術，已在工程建設、地質災害預警、交通管制、金融系統(tǒng)等領域得到廣泛應用。[2-5]

變壓器專業(yè)化檢修綜合管理系統(tǒng)數據來源于變壓器設備臺賬、在線監(jiān)測系統(tǒng)、巡檢作業(yè)、PMS等，數據來源多，數據量大，增長快、數據模式不同、數據類型異構多樣，因此，需要利用多源異構數據融合技術進行數據處理，為實現變壓器專業(yè)化檢修綜合管理系統(tǒng)的狀態(tài)評估功能奠定基礎。

數據融合模型設計是多源異構數據融合技術的關鍵問題，目前流行的有多種數據融合模型[6]，典型數據融合模型模型的特點如表1所示。

由表1可知，情報環(huán)模型稍顯粗糙，Boyd控制環(huán)模型不能較好地反映評估結果對基礎數據的影響，Dasarathy模型有效地描述了各級融合行為，但是欠缺對系統(tǒng)融合目的的描述，而JDL模型按目標分類，最具通用性，因此本文將JDL模型應用到變壓器專業(yè)化檢修綜合管理系統(tǒng)中，并引入反饋機制，如圖3所示。

本文建立的修正JDL模型共包六級。

第一級：數據過濾及預處理。獲取各類數據源信息（設備臺賬、巡檢數據、在線監(jiān)測數據等），并對多源數據進行數據過濾，

選擇出與狀態(tài)評估相關的信息存入變壓器專業(yè)化檢修綜合管理系統(tǒng)的數據可中，備后續(xù)應用。

第二級：數據融合及關聯。對各類預處理后的數據根據變壓器專業(yè)化檢修業(yè)務需求進行數據融合及數據關聯的處理，將不同類型的數據按照面向對象的原則進行數據關聯處理。

第三級：綜合狀態(tài)評估。在層次化指標體系的基礎上，對各個指標的權重和評估標準予以確認，最終采用適合的算法對變壓器進行綜合狀態(tài)評估。

第四級：故障診斷。根據變壓器綜合狀態(tài)評估結果，對變壓器進行故障診斷。

第五級；過程優(yōu)化。將變壓器狀態(tài)評估和故障診斷信息保存到統(tǒng)一的數據庫中管理，通過動態(tài)數據庫的連接實現優(yōu)化和數據反饋，可調整數據源、優(yōu)化數據處理等，通過反饋自適應，提高系統(tǒng)的融合效果。

第六級：檢修策略及檢修計劃的輔助決策。根據狀態(tài)評估和故障診斷結果，制定檢修策略和檢修計劃時間，為實現變壓器專業(yè)化檢修作業(yè)全生命周期管理提供支撐。

3.2 綜合狀態(tài)評估方法

本文通過建立基于模糊-集對分析[7]和D-S證據理論[10]的變壓器狀態(tài)評估模型，實現對變壓器的綜合狀態(tài)評估，具體步驟如下：

（1）計算各指標相對劣化度。

（2）劃分評估等級。

本文將變壓器狀態(tài)劃分為4個等級，即正常狀態(tài)、注意狀態(tài)、異常狀態(tài)和嚴重狀態(tài)[8]，記為集合Z={z1，z2，z3，z4}。

（3）根據模糊層次分析法[9]計算各量之間的相對重要程度，得出常權值，再根據各指指標對劣化度，計算變權值。

（4）對指標采用集對分析方法，按照下式計算與各狀態(tài)等級的聯系度。

（5）構造基本概率分配。

本文將各狀態(tài)量反映的變壓器狀態(tài)信息作為獨立的證據，并將其集對分析評估的聯系度結果作為證據理論的基本信度分配（BPA），識別框架（為不確定度）上的BPA滿足信度函數：，式中為空集。

由于不同證據可信度不同，引入可信度系數，表征不同證據的可信程度，越大，表明證據可信度越高。用修訂證據合成前的BPA，定義如下：

（6）證據融合，得到整體狀態(tài)的BPA。

為了對多源證據進行綜合處理，采用證據合成規(guī)則，計算出最終的基本概率分配和信度函數，計算方法如下：

其中B、C為的子集，P反映證據的沖突程度，P值越大，沖突程度越大，即為融合后的BPA結果。

（7）結合最大隸屬度原則和信度準則，對評估結果進行判斷，得出結論。

當采用D-S證據理論將基于多特征量的單信度值融合為一個綜合信度值后，運用隸屬度最大原則和信度準則綜合評定變壓器狀態(tài)。

式中，和為預先設定的閾值。若完全滿足上式，則為推理結果。

3.3 通信技術

基于公共網絡、電力專網、3/4G移動通信網絡等，利用藍牙、NFC、WWAN、GPS/北斗、光纖通信等技術構建變壓器專業(yè)化檢修綜合管理系統(tǒng)的多通道通信機制，并開發(fā)變壓器專業(yè)化檢修便攜式終端，實現以下功能：

（1）數據通信。變壓器專業(yè)化檢修過程中監(jiān)測設備監(jiān)測設備（紅外相機等）數據自動接入、檢修數據遠傳與同步；

（2）檢修作業(yè)管理。主要包括：檢修任務下達、接收、進度管理、標準化作業(yè)指導等功能。

（3）檢修資料庫檢索。在變壓器專業(yè)化檢修便攜式終端上提供各類作業(yè)指導書、變電站一次接線圖、設備結構圖紙等資料，供檢修現場人員查閱。

（4）溝通交流。在變壓器專業(yè)化檢修過程中，就某一組檢修數據或某一臺變壓器發(fā)起溝通交流主題，允許制定參與溝通交流的成員，支持文字、語音、小視頻、文件等交流內容。

4 結語

基于多源數據融合的變壓器專業(yè)化檢修管理系統(tǒng)的設計思想，為電力企業(yè)信息化系統(tǒng)的發(fā)展提供了一個新的途徑。該系統(tǒng)實現了電力變壓器個性化的狀態(tài)評價、異常狀態(tài)的快速檢測、狀態(tài)變化的準確預測、以及故障的智能診斷，全面、及時、準確掌握變壓器的健康狀態(tài)，實現了變壓器專業(yè)化檢修作業(yè)全生命周期管理，大大提高變壓器狀態(tài)評估效率、檢修智能化水平及設備管理精益化水平。

參考文獻

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