配電變壓器并行檢測模型及其關(guān)鍵技術(shù)研究

李 星，呂奮飛，陳令英，云玉新，張緒輝

（1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250003；2.國網(wǎng)山東省電力公司德州供電公司，山東 德州 254300；3.山東電力研究院，山東 濟南 250003）

0 引言

配電變壓器（簡稱“配變”）是電力系統(tǒng)廣泛使用的一類電氣設(shè)備，主要用于35 kV以下配電網(wǎng)的電壓電流變換和電能傳遞。隨著我國城鄉(xiāng)配電網(wǎng)的改造升級，配變的性能質(zhì)量成為電網(wǎng)可靠性關(guān)鍵因素。然而，部分變壓器存在制造工藝問題，導致配變運行中發(fā)生著火、爆炸、燒毀等質(zhì)量問題［1-2］，嚴重影響了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。近年來，國家電網(wǎng)有限公司為加強質(zhì)量源頭管控，大力開展配變抽檢。

傳統(tǒng)的配變檢測主要以手動檢測和人工判斷為主，檢測效率低下，人力成本高，檢測結(jié)果易受人工誤判影響。近年來，隨著集成化檢測裝置的研發(fā)［3-4］以及自動化運輸設(shè)備的使用［5-6］，人工成本和運輸成本大為縮減，已經(jīng)具備了配變的批量化檢測條件。然而，隨著上述檢測模式的應用，又出現(xiàn)了檢測資源的利用率低、運輸中轉(zhuǎn)時間長等問題。當前關(guān)于配變檢測的研究涉及配變現(xiàn)場檢測技術(shù)研究分析［7］、變壓器智能化試驗平臺研究［8］以及配變的在線監(jiān)測技術(shù)優(yōu)化［9］等。上述研究主要是針對單一配變檢測本身，并沒有針對配變批量化檢測模式以及批量化檢測存在的問題進行探討。

針對配變批量化檢測，提出一種基于流水線和多任務(wù)的配變并行檢測模型。同時，針對并行化帶來的檢測資源共享這一問題，通過優(yōu)化資源分配、任務(wù)調(diào)度等方法加以解決，提出了資源優(yōu)化配置方法及并行檢測任務(wù)調(diào)度算法。結(jié)果表明，優(yōu)化后的檢測模型相對于優(yōu)化前在檢測效率和資源利用率上均有較大程度提升。

1 配變并行檢測模型

國家電網(wǎng)有限公司已經(jīng)持續(xù)多年推進物資質(zhì)量檢測能力標準化建設(shè)，大多數(shù)的省級檢測中心、地市檢測中心都已經(jīng)具備了配變批量化檢測檢測模式，只是在設(shè)備類型、數(shù)量上有所差別。

1.1 智能檢測工廠

配變的批量化檢測模式稱為智能檢測工廠，其內(nèi)涵主要包括軟硬件資源和工作流程兩方面。

一體化管控平臺、自動化倉儲系統(tǒng)、智能化運輸系統(tǒng)和集成化檢測裝置共同構(gòu)成了智能檢測工廠的軟硬件資源，如圖1所示。

其中，一體化管控平臺是軟件系統(tǒng)，負責檢測任務(wù)和檢測資源的統(tǒng)一管理，實現(xiàn)任務(wù)調(diào)度、出入庫、狀態(tài)查詢、報告生成等功能。自動化倉儲系統(tǒng)包括立體倉庫和地面緩沖區(qū)，負責樣品的存儲和出入庫。智能化運輸系統(tǒng)包括AGV 叉車和接駁平臺，負責樣品的接駁運輸。集成化檢測裝置包括各種類型的檢測工位，負責完成具體的試驗項目。四個系統(tǒng)通過無線網(wǎng)絡(luò)互連互通，實現(xiàn)檢測流程的一體化管控。

同時，對檢測工作流程進行固化。以任務(wù)流轉(zhuǎn)為主線，智能檢測工廠的工作流程可劃分為收樣入庫、任務(wù)下發(fā)、檢定出庫、接駁運輸、工位試驗、接駁運輸、檢定入庫、退樣出庫8個步驟，如表1所示。

智能檢測工廠可以實現(xiàn)配變批量化檢測。進一步，借鑒計算機科學中的“指令流水線”和“多線程”的概念，將檢測項目合理分類以實現(xiàn)檢測流水線，將檢測工位按需求擴充以實現(xiàn)多任務(wù)并發(fā)執(zhí)行。

圖1 智能檢測工廠模式

表1 智能檢測工廠工作流程

1.2 檢測流水線設(shè)計

計算機科學中的流水線技術(shù)是一種將每條指令分解為多步，并讓各步操作重疊，從而實現(xiàn)幾條指令并行處理的技術(shù)。為提高檢測效率，采用流水線思想，將整個檢測過程劃分為若干道工序，每道工序設(shè)置一個集成式檢測工位，不同工序/工位差異化配置檢測設(shè)備，完成特定的某幾個試驗項目，從而構(gòu)成檢測流水線。國家電網(wǎng)有限公司要求的配變檢測項目多達17 種，如果每個項目都單獨設(shè)置檢測工位和單一設(shè)備，會增大運輸時間和拆接線時間，反而降低檢測效率。

17個檢測項目按照各自特點，可分為常規(guī)項目、屏蔽項目、溫升項目、沖擊項目四大類，每一類項目設(shè)置一個集成式檢測工位，各工位的分類依據(jù)和項目如表2所示。

表2 檢測工位分類情況

配變按順序依次進行常規(guī)項目（P1）、屏蔽項目（P2）、溫升項目（P3）、沖擊項目（P4）4道工序，即可完成全部試驗項目。

分析8 個檢測任務(wù)通過流水線執(zhí)行的情況，若假設(shè)每個流水線工序所用時間相同，檢測任務(wù)流水線如圖2所示。

圖2 檢測任務(wù)流水線

使用流水線吞吐率T和效率E兩個指標衡量流水線性能。T為單位時間內(nèi)完成的檢測任務(wù)數(shù)量，用于衡量流水線檢測總體能力；E為流水線中工作時空區(qū)除以總的時空區(qū)，用于衡量流水線資源利用情況。相應公式為

式中：N為總?cè)蝿?wù)數(shù)；L為時鐘周期數(shù)；Δt為每個時鐘周期的時間；M為流水線工序數(shù)；S為總的時空區(qū)數(shù)量。具體到上述8 個檢測任務(wù)，則N=8，Δt=1。不使用流水線，完成全部8 臺檢測任務(wù)，每個任務(wù)需要4道工序，每道工序需要1個時鐘周期，共需要32個時鐘周期，此時T=8/32=1/4，E=4×8/（8×4×8）=1/8；使用流水線，由圖2可知，僅需要11個時鐘周期就能完成全部檢測任務(wù)，此時T=8/11，E=8×4/（8×11）=4/11?？芍褂昧魉€執(zhí)行后，吞吐率和利用率均得到提升。

1.3 多任務(wù)并發(fā)執(zhí)行

流水線可以實現(xiàn)任務(wù)間的部分重疊，更進一步，類比CPU 中的多核多線程，將檢測資源按一定規(guī)律擴充，即可實現(xiàn)任務(wù)間的完全重疊，進一步提高任務(wù)并行水平。假設(shè)各類檢測工位同時增加一倍，則多任務(wù)并發(fā)執(zhí)行的流水線如圖3所示。

圖3 并行流水線

可知，完成全部8個檢測任務(wù)只需要7個時鐘周期。此時，T=8/7，E=（4×4）/（4×7）=4/7，相比于單條流水線，T和E都顯著提高。

以上都是在理想情況下得出的結(jié)論，實際情況往往復雜很多。

首先，各工序（P1、P2、P3、P4）所用的時間不同。國家標準、行業(yè)標準、企業(yè)標準等標準規(guī)定了每個檢測項目所需的時間，例如溫升項目耗時較長。

其次，并非每個任務(wù)都要經(jīng)歷完整的4道工序?，F(xiàn)實中配變要做哪幾個項目是由需求決定的，通常常規(guī)項目和溫升項目需求較多，而屏蔽和沖擊項目則相對較少。

所以，實際情況下，各檢測工位不需要等比例配置，等比例反而會造成資源浪費。

1.4 并行檢測模型

智能檢測工廠、流水線執(zhí)行、多任務(wù)并發(fā)共同構(gòu)成了配變并行檢測模型。其中，智能檢測工廠是前提，流水線執(zhí)行、多任務(wù)并發(fā)是手段，如圖4所示。

圖4 配變并行檢測模型

2 檢測資源優(yōu)化配置

2.1 資源配置比例

為得到檢測資源初始化配置最優(yōu)比例，須將檢測資源與使用程度進行匹配。從流水線時空圖分析，各工序檢測資源的使用程度取決于該工序出現(xiàn)的頻率及需要的時間。

實際上，P1、P2、P3、P4所需的實際檢測時間分別為4 h、3 h、8 h、2 h。根據(jù)管控平臺中的歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，可以得到各工序出現(xiàn)的頻率。假設(shè)各工序出現(xiàn)的頻率分別為r1，r2，r3，r4。那么四種工位的數(shù)量配比理論上應為

根據(jù)實際情況取整。

2.2 共享資源競爭

由于多任務(wù)并發(fā)執(zhí)行，各檢測工位都成為共享資源，可以被任一任務(wù)使用。在同一時間段內(nèi)，當空閑的檢測工位數(shù)小于任務(wù)數(shù)時，部分任務(wù)由于缺少檢測資源而無法繼續(xù)進行，任務(wù)被暫時掛起，如圖5所示。

圖5中，4個并行任務(wù)A、B、C、D均完成了常規(guī)項目，將要進行溫升試驗。此時，空閑溫升工位數(shù)量為3，小于任務(wù)數(shù)量4。任務(wù)A、B、C 順利進入溫升工位，將當前常規(guī)工位1、2、3釋放。任務(wù)D由于找不到空閑的溫升工位，只能先掛起，此時常規(guī)工位4 就會被任務(wù)D長時間占用。

圖5 任務(wù)掛起

因此，在并行檢測模型下進行任務(wù)調(diào)度時，須綜合考慮資源初始配比、資源共享和競爭等問題，保證整體高效運轉(zhuǎn)。

3 并行檢測任務(wù)調(diào)度算法

為解決以上問題，對傳統(tǒng)流水線調(diào)度策略進行優(yōu)化，設(shè)計了并行檢測任務(wù)調(diào)度算法。

3.1 緩沖區(qū)設(shè)立

設(shè)立物理緩沖區(qū)，用于臨時存放處于掛起狀態(tài)任務(wù)的樣品，釋放該檢測工位。如圖5 所示，由于常規(guī)工位4 被任務(wù)D 長時間占用，為避免資源浪費，先將任務(wù)D 掛起，將D 的樣品運到物理緩沖器，從而將常規(guī)工位4釋放。

3.2 最短路徑規(guī)劃

樣品在工位—立庫以及工位間流轉(zhuǎn)需要運輸系統(tǒng)發(fā)揮作用，運輸效率是決定整體檢測效率的關(guān)鍵因素。任務(wù)下達后，運輸系統(tǒng)開始工作。流水線上每完成一道工序，樣品都要運輸流轉(zhuǎn)，運輸時間不可忽視。運輸可分為三種情況，如表3 所示。可知，從立庫到工位用時顯著大于從緩沖區(qū)到工位以及從工位到工位。通過設(shè)立緩沖區(qū)，可以有效縮短運輸路徑，通過規(guī)劃最短運輸路徑，可以提高整體運轉(zhuǎn)效率。

表3 運輸類型及時間 單位：min

3.3 基于三隊列的任務(wù)調(diào)度

為保證流水線高效運轉(zhuǎn)，節(jié)約運輸時間，結(jié)合初始化資源配置、資源共享、物理緩沖區(qū)和最短路徑規(guī)劃，設(shè)計并實現(xiàn)了三個邏輯隊列的并行檢測任務(wù)調(diào)度算法。

設(shè)計“檢測任務(wù)”這一數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，包含樣品信息、試驗項目、任務(wù)狀態(tài)三個元素?！皹悠沸畔ⅰ敝邪瑯悠穮?shù)及樣品當前位置；“試驗項目”中包含了該樣品所需進行的全部試驗項目以及當前正在進行的試驗項目；“任務(wù)狀態(tài)”包括新建、運行、掛起三種狀態(tài)。

設(shè)計三個任務(wù)隊列，分別為新建隊列、運行隊列和掛起隊列。相對應的任務(wù)狀態(tài)分別為新建、運行、掛起。通過三個隊列實現(xiàn)并行任務(wù)調(diào)度，利用物理緩沖區(qū)實現(xiàn)樣品的預運輸。并行檢測任務(wù)調(diào)度如圖6所示。具體的算法步驟如表4所示。

圖6 并行檢測任務(wù)調(diào)度

4 現(xiàn)場試驗

4.1 試驗設(shè)置

試驗在山東某物資質(zhì)量檢測中心進行。試驗場所滿足智能檢測工廠要求，配有多個集成式檢測工位、2 臺AGV 叉車、7 層自動化立體倉庫以及一體化管控平臺。一體化管控平臺與各子系統(tǒng)通過無線網(wǎng)絡(luò)連接。選取待檢配變樣品共40臺，其中20臺需要進行全部四類項目，另外20 臺僅進行常規(guī)和溫升項目。受場地限制，現(xiàn)場最多只能布置16個工位。

表4 基于三隊列的并行任務(wù)調(diào)度算法

根據(jù)試驗項目設(shè)置，可計算出常規(guī)、屏蔽、溫升、沖擊四類項目的頻率分別為：r1=40/40=1，r2=20/40=0.5，r3=40/40=1，r4=20/40=0.5。優(yōu)化前各類檢測工位數(shù)量相等，分別為n（P1）=n（P2）=n（P3）=n（P4）=4。由式（3）可得，優(yōu)化后檢測工位數(shù)量配比應滿足n（P1）∶n（P2）∶n（P3）∶n（P4）=4r1∶3r2∶8r3∶2r4=4∶1.5∶8∶1。受場地限制，取整后n（P1）=4，n（P2）=2，n（P3）=8，n（P4）=2。由于初始并發(fā)水平為4，設(shè)緩沖區(qū)數(shù)量為4。并行檢測模型優(yōu)化前后的特征差異詳見表5。

表5 并行檢測模型優(yōu)化前后條件差異

4.2 試驗結(jié)果及分析

優(yōu)化前后各檢測工位的資源利用率如表6所示。

表6 優(yōu)化前后工位資源利用率

由表6 可知，優(yōu)化后常規(guī)工位利用率基本持平，溫度工位利用率略有下降，而屏蔽工位和沖擊工位的利用率顯著提升。這說明優(yōu)化前屏蔽和沖擊工位配置過多，溫升工位嚴重短缺，優(yōu)化后各工位配置更為合理，總體資源利用率顯著提升。

優(yōu)化前后的運輸時間分別為t1=40.5 h，t2=24.6 h。優(yōu)化前后完成全部檢測任務(wù)的總耗時分別為T1=122 h，T2=96 h。優(yōu)化前后并行檢測模型性能對比詳見表7。

表7 優(yōu)化前后的性能比較

結(jié)果表明，優(yōu)化后檢測工位利用率提升27.5%，運輸時間節(jié)省了39.3%，即有效運輸距離縮短了39.3%，符合最短路徑的設(shè)計思想。完成全部檢測任務(wù)的總耗時縮短了21.3%，反之整體檢測效率提升了27.1%。

5 結(jié)語

總結(jié)當前主流的配變檢測模式，在“智能檢測工廠”基礎(chǔ)上，引入“并行化”概念，應用了流水線執(zhí)行以及多任務(wù)并發(fā)兩種并行方法，設(shè)計出配變并行檢測模型，并針對資源共享問題進行優(yōu)化。

優(yōu)化后的模型相比于優(yōu)化前，共同點是優(yōu)化前后都可進行并行檢測。不同點在于：優(yōu)化前不存在檢測資源共享，優(yōu)化后存在檢測資源共享；優(yōu)化前不存在緩沖區(qū)，優(yōu)化后存在緩沖區(qū)；優(yōu)化前是通用的任務(wù)調(diào)度算法，優(yōu)化后是三隊列調(diào)度算法。

試驗證明，優(yōu)化后的并行檢測模型在檢測資源利用率、運輸距離以及整體檢測效率方面均有顯著提升，適用于智能檢測工廠模式。