基于RCM的電力通信傳輸設(shè)備運(yùn)維方法研究

陳嘉，劉聰聰，周德永

（1.深圳供電局有限公司通信管理所，廣東 深圳 518000；2. 重慶大學(xué)微電子與通信工程學(xué)院，重慶 400030）

以可靠性為中心的維修（Reliability Centered Maintenance，以下簡(jiǎn)稱RCM）起源于美國(guó)民航企業(yè)，是強(qiáng)調(diào)以設(shè)備可靠性與故障后果為維修策略依據(jù)，針對(duì)設(shè)備不同的故障規(guī)律采取不同的方式控制維修工作時(shí)機(jī)，同時(shí)兼顧預(yù)防性維修方式和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的一種維修理論。RCM在包括電力在內(nèi)的許多行業(yè)都有不少成功的應(yīng)用，如在廣州蓄能水電廠的推廣應(yīng)用等。但是RCM在作為電網(wǎng)運(yùn)行支撐的電力通信設(shè)備運(yùn)維方面，鮮有具體、可信的應(yīng)用研究。同時(shí)，在深圳供電局有限公司的電力通信傳輸設(shè)備運(yùn)維管理中，事后維修為主的運(yùn)維方法在運(yùn)行可靠性和設(shè)備管理等多方面表現(xiàn)出被動(dòng)情況。為此，深圳供電局開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)改善項(xiàng)目，應(yīng)用RCM審查為該單位電力通信傳輸設(shè)備的運(yùn)維管理進(jìn)行了策略優(yōu)化。本文在此基礎(chǔ)上，以RCM審查的技術(shù)路徑為主線，討論RCM應(yīng)用于電力通信傳輸設(shè)備運(yùn)維中需要注意的問(wèn)題，提出危害度定級(jí)與設(shè)備承載業(yè)務(wù)重要性的量化關(guān)系，以該供電局通信運(yùn)行全程管控系統(tǒng)導(dǎo)出單據(jù)為樣本庫(kù)，基于實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)傳輸設(shè)備板卡的故障概率分布進(jìn)行了擬合分析，首次對(duì)電網(wǎng)通信運(yùn)維管理關(guān)鍵指標(biāo)和設(shè)備可靠度要求的關(guān)系進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模，并對(duì)視情維修工作周期的確定提出了一種估算P-F間隔期方法。

1 RCM審查技術(shù)路線

根據(jù)美國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)（SAE）發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)，RCM審查需要針對(duì)設(shè)備認(rèn)真回答7個(gè)基本問(wèn)題，一般又可以將其概括為4個(gè)關(guān)鍵步驟，即設(shè)備功能識(shí)別、故障模式與影響分析、RCM邏輯決斷和統(tǒng)整形成維修工作計(jì)劃。其中在設(shè)備功能識(shí)別上，本文以傳輸設(shè)備系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)為參考，按照實(shí)現(xiàn)光傳輸完整功能必不可少的功能單元來(lái)進(jìn)行劃分，共分為9項(xiàng)功能：交叉連接、網(wǎng)元控制、群路光接口、支路E1接口、支路以太網(wǎng)接口、定時(shí)同步、電源、散熱和輔助接口。在故障模式與影響分析上，本文將危害度因素考慮進(jìn)來(lái)，即使用FMECA方法。至于RCM邏輯決斷方面，本文結(jié)合傳輸設(shè)備運(yùn)維不會(huì)造成人身傷亡或影響環(huán)境的特點(diǎn)，在標(biāo)準(zhǔn)的RCM決斷邏輯圖基礎(chǔ)上簡(jiǎn)化掉安全與環(huán)境性后果這一判決流程。

由于電力通信傳輸網(wǎng)絡(luò)是有層次結(jié)構(gòu)的，每臺(tái)設(shè)備的拓?fù)湮恢没蜇?fù)載重要性等會(huì)有所差異，這導(dǎo)致相同型號(hào)的不同的設(shè)備（或稱網(wǎng)元）在RCM審查過(guò)程中經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不同。因此，本文建議應(yīng)對(duì)每臺(tái)設(shè)備或網(wǎng)元實(shí)施一遍RCM過(guò)程，從而得出具體到每臺(tái)設(shè)備的預(yù)防性維修工作單。

2 危害度定級(jí)的量化

由于通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行中斷將直接影響電網(wǎng)安全，電力行業(yè)對(duì)通信的可靠性要求苛刻，因此，本文在故障模式與影響分析的基礎(chǔ)上考慮加入危害度定級(jí)因素。理由分析如下：

（1）各變電站點(diǎn)傳輸設(shè)備承載業(yè)務(wù)重要性程度不同。如承載有生產(chǎn)實(shí)時(shí)控制業(yè)務(wù)的的設(shè)備，其可靠性將直接影響電網(wǎng)運(yùn)行安全。而只承載綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)業(yè)務(wù)的設(shè)備，其可靠性則要求允許作一些相對(duì)妥協(xié)。

（2）各變電站點(diǎn)傳輸設(shè)備承載重要業(yè)務(wù)數(shù)量不同。如對(duì)比承載有1條和10條生產(chǎn)實(shí)時(shí)控制業(yè)務(wù)的兩套設(shè)備，后者出現(xiàn)故障后的影響范圍顯然遠(yuǎn)大于前者，在維修資源的分配上應(yīng)當(dāng)優(yōu)先保障后者。

（3）設(shè)備的危害度定級(jí)在非使用性后果的RCM邏輯決斷中對(duì)分析各類預(yù)防性維修工作是否值得（尤其體現(xiàn)在可靠度評(píng)價(jià)中）有非常重要的參考作用。

根據(jù)以上分析，對(duì)電力通信傳輸設(shè)備實(shí)施客觀量化的危害度定級(jí)是可行且有意義的。在此本文提出以某套傳輸設(shè)備所承載的生產(chǎn)實(shí)時(shí)控制業(yè)務(wù)通道數(shù)量n為危害度定級(jí)，n值越大則意味著該設(shè)備發(fā)生故障時(shí)危害越大，對(duì)其可靠度的要求也相應(yīng)越高?？紤]到220kV變電站一般有兩個(gè)以上220kV出站輸電線路并有雙回繼電保護(hù)通道，當(dāng)設(shè)備承載了4條以上生產(chǎn)實(shí)時(shí)控制業(yè)務(wù)通道時(shí)意味著故障影響較大，因此本文建議n≥4時(shí)不再分析預(yù)防性維修工作的經(jīng)濟(jì)性，即認(rèn)為只要技術(shù)可行該工作就是必要的。如對(duì)于設(shè)備危害度達(dá)到4以上，分析“部分風(fēng)扇模塊故障”這一故障模式，在進(jìn)行N1判決時(shí)，就不再比較視情維修工作與故障后修理的資源耗費(fèi)。

3 故障數(shù)據(jù)分析

為使傳輸設(shè)備的RCM邏輯決斷有可信的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，本文先對(duì)傳輸設(shè)備的故障概率分布進(jìn)行討論。以設(shè)備開(kāi)始運(yùn)行到發(fā)生故障的時(shí)間ti為一個(gè)樣本記錄，將采集到的n個(gè)樣本劃分為k個(gè)區(qū)間，記Δi（i=1,2,……，k）為第i個(gè)區(qū)間的寬度，fi為落在Δi內(nèi)的樣本個(gè)數(shù)，以為值構(gòu)造直方圖。直方圖外廓線與故障概率密度函數(shù)接近，可由此估計(jì)分布函數(shù)類型，并假設(shè)故障概率密度函數(shù)為。通過(guò)最大似然參數(shù)估計(jì)，求得f(t)的估計(jì)函數(shù)f0(t)。然后檢驗(yàn)假設(shè)H0是否成立。求出f(t)后，即可得到其可靠度函數(shù)R(t)和平均故障發(fā)生時(shí)間（MTBF）。

圖1 交叉板故障頻率直方圖

以交叉連接功能單元為例，從該供電局通信運(yùn)行全程管控系統(tǒng)中導(dǎo)出2012年8月至2018年5月的4530條故障單據(jù)記錄，分析篩選出47條屬于交叉板功能故障，以天數(shù)為單位記錄其運(yùn)行時(shí)間見(jiàn)表1，畫(huà)出頻率直方圖見(jiàn)圖1。

表1 交叉板故障前運(yùn)行時(shí)間

由圖1可知該樣本與多種概率密度函數(shù)圖型相似，利用MATLAB的dfittool工具對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)廣義極值分布、伽馬分布和威布爾分布擬合較好，見(jiàn)圖2。由于威布爾分布在可靠性分析中有廣泛應(yīng)用，本文傾向于使用威布爾分布擬合，并在該樣本條件下得出參數(shù)估計(jì)值為。由圖3可知除了兩端的一些樣本點(diǎn)，其余點(diǎn)在威布爾分布概率圖上都聚集在理論曲線周圍，說(shuō)明數(shù)據(jù)擬合較好。

函數(shù)：

[h,p]=chi2gof(x,′CDF′,{@wblcdf,a,b},′alpha′,alpha)

結(jié)果：h=0；p=0.5237。

結(jié)果表明，在52.37%的概率上支持原假設(shè)?？紤]到樣本容量不足的問(wèn)題，采用Kolmogorov-Smimov法再次檢驗(yàn)。

函數(shù)：

[h,p,ksstat,cv]=kstest(x,[x wblcdf(x,a,b)],alpha)

結(jié)果：h=0；p=0.9936；ksstat=0.0589；cv=0.2330。

圖2 交叉板故障概率密度函數(shù)擬合曲線

結(jié)果在99.36%的概率上支持原假設(shè)。綜上可見(jiàn)，樣本數(shù)據(jù)服從威布爾分布假設(shè)成立，其概率密度函數(shù)為。于是，其可靠度函數(shù)為：

（1）

同時(shí)，平均故障發(fā)生時(shí)間為：

圖3 威布爾分布概率圖

4 RCM決斷中的可靠度評(píng)價(jià)

對(duì)于可能造成使用性后果的功能故障，在RCM邏輯決斷中，除了分析預(yù)防性維修工作類型的技術(shù)可行性，還要評(píng)價(jià)該類工作能否使設(shè)備可靠度達(dá)到規(guī)定要求，即回答選擇該類工作是否值得的問(wèn)題。

該供電局電力通信運(yùn)維工作評(píng)價(jià)體系中最重要的指標(biāo)之一，是“生產(chǎn)實(shí)時(shí)控制業(yè)務(wù)通道平均中斷時(shí)間”(記為δ)，評(píng)價(jià)周期為1年。按照本文的功能識(shí)別分類和FMECA結(jié)果，傳輸設(shè)備交叉連接功能故障造成業(yè)務(wù)通道中斷的情況一般都是整體性的，即“要么全部中斷，要么都不中斷”。假設(shè)某套設(shè)備業(yè)務(wù)中斷時(shí)間為Δt，全局運(yùn)維的生產(chǎn)實(shí)時(shí)控制業(yè)務(wù)通道總數(shù)為N（在指標(biāo)統(tǒng)計(jì)周期內(nèi)為常數(shù)），結(jié)合設(shè)備的危害度定級(jí)n，在規(guī)定的指標(biāo)要求下該套設(shè)備對(duì)其所承載的業(yè)務(wù)通道中斷時(shí)間容忍度可以表述為nΔt≤Nδ。于是，在1年時(shí)間內(nèi)T年，指標(biāo)對(duì)設(shè)備交叉連接功能可靠度的要求可按

交叉板1+1冗余配置的情況下，除了批次缺陷等特殊原因，主備兩塊板件的運(yùn)行可靠性不會(huì)受對(duì)方影響，因此，其發(fā)生故障的時(shí)刻也應(yīng)是相互獨(dú)立的，且服從同一分布。

于是，冗余交叉板的可靠度函數(shù)

理論上，為了滿足電網(wǎng)運(yùn)行可靠性要求，應(yīng)確保

現(xiàn)實(shí)是在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的初步設(shè)計(jì)進(jìn)行設(shè)備選型討論的時(shí)候，往往不會(huì)做到如此深度。這時(shí)，RCM邏輯決斷便體現(xiàn)出它的現(xiàn)實(shí)意義了。例如，當(dāng)討論“使用新板件更換故障備板”這一類預(yù)防性維修工作時(shí)，應(yīng)計(jì)算替換故障板件后的1+1冗余系統(tǒng)可靠度是否滿足（4）式。如不滿足，根據(jù)RCM決斷邏輯，系統(tǒng)將需要廣義上的“重新設(shè)計(jì)”，翻譯成電力通信運(yùn)維中可理解的語(yǔ)言即為：需要通過(guò)技術(shù)改造將該設(shè)備更換為可靠性能夠滿足要求的其他型號(hào)設(shè)備。值得注意的是，當(dāng)出現(xiàn)主流型號(hào)設(shè)備的可靠性均不能滿足該要求的情況時(shí)，我們就有必要重新審視管理指標(biāo)的合理性了。

5 視情維修工作周期的估算

在RCM理論中，涉及工作周期的維修工作包括：預(yù)防性維修工作中的視情維修、預(yù)定翻修、預(yù)定報(bào)廢和非主動(dòng)性措施中的預(yù)定故障檢測(cè)。其中預(yù)定翻修和預(yù)定報(bào)廢工作周期由設(shè)備故障條件概率迅速增加的工齡決定；預(yù)定故障檢測(cè)工作周期通過(guò)隱蔽功能的可靠度要求和MTBF兩個(gè)數(shù)值，查閱經(jīng)驗(yàn)表格可以得出。至于視情維修工作周期則必須小于P-F間隔期，相關(guān)文獻(xiàn)建議一般取后者的半數(shù)。P-F間隔期是指設(shè)備從潛在故障狀態(tài)到明顯功能故障狀態(tài)的遍歷時(shí)間，受限于生產(chǎn)實(shí)際條件，較難使用連續(xù)在線監(jiān)測(cè)手段或在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所模擬試驗(yàn)來(lái)分析。以下討論對(duì)P-F間隔期進(jìn)行統(tǒng)計(jì)推理上的估算。

對(duì)于1+1冗余熱備板卡發(fā)生潛在故障，發(fā)生一塊板卡故障時(shí)刻視為P點(diǎn)（記為T(mén)P），即該套設(shè)備已進(jìn)入潛在故障狀態(tài)；此后在未作修復(fù)處理的自然狀態(tài)下，另一塊板卡也發(fā)生故障的時(shí)刻視為F點(diǎn)（記為T(mén)F），即兩塊板卡均無(wú)法實(shí)現(xiàn)其功能，設(shè)備停運(yùn)。本文認(rèn)為在統(tǒng)計(jì)上，TP可用平均故障發(fā)生時(shí)間（即MTBF）估計(jì)，而TF在理想狀態(tài)下可用設(shè)備的設(shè)計(jì)壽命來(lái)估計(jì)。用TP-F表示P-F間隔：

實(shí)踐中，設(shè)備的設(shè)計(jì)壽命是大于其MTBF的。如傳輸設(shè)備交叉板件的設(shè)計(jì)壽命至少在10年（3650天）以上，而根據(jù)（2）式可算出MTBF=2089.46天?！案鼡Q故障備用交叉板”的工作周期取其差值的半數(shù)再取整是780天。根據(jù)RCM的理論，在這個(gè)頻度下，既能在統(tǒng)計(jì)上保證設(shè)備運(yùn)行可靠，又不會(huì)對(duì)日常運(yùn)維工作量造成太大壓力。

6 結(jié)語(yǔ)

本文在RCM審查應(yīng)用于深圳供電局電力通信設(shè)備運(yùn)維工作的過(guò)程中，總結(jié)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)和研究結(jié)果，得出如下結(jié)論：

（1）建議以某套傳輸設(shè)備所承載的生產(chǎn)實(shí)時(shí)控制業(yè)務(wù)通道數(shù)量n為危害度定級(jí)，在n≥4時(shí)只要某項(xiàng)預(yù)防性維修工作技術(shù)可行即認(rèn)為其是必要的。此建議是結(jié)合電網(wǎng)運(yùn)行安全穩(wěn)定的要求提出的，能夠有效保證電力通信設(shè)備運(yùn)行可靠性。

（2）基于實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助擬合分析，得出傳輸設(shè)備交叉板卡的故障概率分布服從威布爾分布的事實(shí)。為進(jìn)一步故障數(shù)據(jù)分析提供了依據(jù)，為RCM審查的推進(jìn)提供了數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，也能為其他的生產(chǎn)運(yùn)維管理研究提供重要參考。

（3）對(duì)“生產(chǎn)實(shí)時(shí)控制業(yè)務(wù)通道平均中斷時(shí)間”這一生產(chǎn)管理指標(biāo)與傳輸設(shè)備可靠度要求進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模。應(yīng)用該模型能夠?qū)芾碇笜?biāo)和設(shè)備可靠度要求進(jìn)行雙向反饋，對(duì)提高電力通信運(yùn)維管理水平有指導(dǎo)意義。

（4）提出了以平均壽命與MTBF的差值來(lái)估算P-F間隔期方法，為視情維修工作周期的確定提供統(tǒng)計(jì)推理上的參考依據(jù)?？蔀槠渌鸕CM審查推進(jìn)中大量遇到的預(yù)防性維修工作頻度的確定作參考方法。