基于泛在物聯(lián)技術(shù)的電力設(shè)備全壽命周期管控云平臺設(shè)計

李 斌，馮延明，劉 偉，侯秀梅，陸 杭

(國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司，黑龍江 哈爾濱 150090)

變電站是電能傳輸與變換的關(guān)鍵場所。隨著泛在電力物聯(lián)網(wǎng)概念的提出，萬物信息互聯(lián)成為了近期的研究熱點[1]。目前，電力變壓器的巡檢主要是人工巡檢，且未進行全壽命周期(life cycle cost，LCC)時間尺度上的管控。這就容易導(dǎo)致相關(guān)工作人員只關(guān)注設(shè)備的初始購入成本，未從全壽命周期的角度去衡量電力設(shè)備的運行狀態(tài)與經(jīng)濟性，在設(shè)備管控上存在全面性不足以及無法綜合評價設(shè)備優(yōu)劣的問題。

為提升設(shè)備的信息化水平，提高運維檢修效率[2]，國家電網(wǎng)公司目前已著手推進實物特定“ID”、視頻跟蹤等技術(shù)，將現(xiàn)場的實時關(guān)鍵數(shù)據(jù)記錄至信息系統(tǒng)中。通過人工、機械臺班、物料等不同的成本分攤歸集計算模型，實現(xiàn)業(yè)務(wù)成本向每一臺設(shè)備的歸集，以更全面地管理變壓器及相關(guān)設(shè)備[3]。本文基于泛在物聯(lián)[4-6]概念，深入剖析目前電力設(shè)備的管理盲點，建立了基于泛在物聯(lián)技術(shù)的電力設(shè)備全壽命周期管控云平臺。實際使用效果驗證了該平臺能夠?qū)崿F(xiàn)電力關(guān)鍵設(shè)備的全壽命周期管理，且能夠顯著減少電力設(shè)備的檢修、維護費用。

1 平臺設(shè)計

1.1 設(shè)計思路

首先，從實際業(yè)務(wù)和管理情況出發(fā)，將工作事項分為多種并行處理，完善資產(chǎn)全壽命周期各項成本的來源、產(chǎn)生、采集以及分攤歸集方法，確保獲取的各項成本信息的完整性、準確性和及時性，以及研究成果的適用性與可推廣性；其次，充分考慮區(qū)域發(fā)展、自然氣候等可變因素的影響，堅持重點突出、先易后難的原則，以220 kV電壓等級變電站站內(nèi)變壓器、斷路器為研究對象，以實物“ID”為總體核心思路，成立專項工作組開展資產(chǎn)成本分攤與歸集研究工作；最后，針對全壽命周期成本受多種要素的影響，研究成果的實效性難以衡量，強化全壽命周期管理的模型驗證、研究成果的實證分析，進行實例驗證。同時科學(xué)、有效地運用課題成果，保證研究成果能切實、有效地減少設(shè)備運行成本，提高生產(chǎn)效率。

1.2 實施路徑

1.2.1數(shù)據(jù)治理

根據(jù)全壽命周期模型計算及場景應(yīng)用要求[7-8]，全面梳理信息系統(tǒng)中的220 kV變壓器、斷路器設(shè)備資產(chǎn)數(shù)據(jù)，制定220 kV變壓器、斷路器資產(chǎn)相關(guān)數(shù)據(jù)收集模板及說明，主要包括220 kV變壓器和斷路器的運檢記錄單、SAP項目、工單、缺陷、故障、巡視等工作記錄及成本信息。收集220 kV變壓器、斷路器技術(shù)參數(shù)及相關(guān)規(guī)范信息等，剔除錯誤數(shù)據(jù)，彌補缺失數(shù)據(jù)，重點解決缺陷、故障等數(shù)據(jù)缺失問題。提升數(shù)據(jù)質(zhì)量，確?，F(xiàn)場實物“ID”、實物、ERP(enterprise resource planning)[9]以及PMS(power production management system)[10]系統(tǒng)設(shè)備模塊、資產(chǎn)模塊中的數(shù)據(jù)一致，做到實物“ID”信息貫通、賬實相符，賬、卡、物數(shù)據(jù)聯(lián)動一致。

1.2.2建立全壽命周期成本模型

借鑒國內(nèi)外電力企業(yè)在單體設(shè)備全壽命周期成本研究方面的成果，確定分攤及歸集方法，構(gòu)建變壓器、斷路器全壽命周期成本模型。

1.2.3單體設(shè)備全壽命周期成本計算

選取2015年—2019年在役或退役的220 kV變壓器、斷路器，在ERP、PMS系統(tǒng)中根據(jù)設(shè)備實物“ID”，在前期數(shù)據(jù)溯源成果的基礎(chǔ)上，獲取相關(guān)采購訂單、維修工單等信息，分別計算每一臺設(shè)備的全壽命周期成本。

1.2.4信息系統(tǒng)改造

1)優(yōu)化移動巡檢APP。

優(yōu)化移動巡檢APP，在移動巡檢APP中增加掃碼檢修功能。將掃碼檢修與PMS、ERP系統(tǒng)中的工單相對應(yīng)，實時記錄工單對應(yīng)的每一臺設(shè)備的檢修時間，方便計算單體設(shè)備人工工時。

2)改造ERP工單。

在ERP工單中增加機械臺班、物料等與單體設(shè)備的對應(yīng)關(guān)系，增加后臺ERP工單與PMS工單的對應(yīng)關(guān)系，實現(xiàn)機械臺班、物料等與單體設(shè)備的對應(yīng)，確保單體設(shè)備機械臺班、輔材等成本的分攤與計算。

1.2.5成果應(yīng)用

構(gòu)建220 kV變壓器、斷路器設(shè)備應(yīng)用場景，開展以下幾個模型的研究與應(yīng)用：1)不同生產(chǎn)廠家變壓器、斷路器設(shè)備的成本對比分析；2)不同運行年限變壓器、斷路器的成本對比分析；3)不同班組配置運維、檢修成本對比。

2 全壽命周期理論

傳統(tǒng)的全壽命周期管理的含義，是指對設(shè)備從購買至退役全時期各個階段的全面管理。電力設(shè)備全壽命周期管理所包含的方面更多、更為復(fù)雜，主要包括研發(fā)、購買、設(shè)計、征地、投運調(diào)試、大件運輸以及所產(chǎn)生的人工費用等[11-13]，且由于電能傳輸和變換的特殊性，電力設(shè)備全壽命周期還包括較多的運行維護費用。因此將全壽命周期理論應(yīng)用于電力領(lǐng)域，需要細分各個階段的深層含義，結(jié)合實踐經(jīng)驗，更好地將每個階段的衡量指標和狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_中去。

全壽命周期理論的模塊較多，應(yīng)用到每個場景時需做針對性的改進，以滿足實際需要。電力行業(yè)全壽命周期理論的應(yīng)用，可以提升工作人員對電力設(shè)備全面把控的能力，方便查看每一臺設(shè)備的歷史運行信息，提升規(guī)劃、運行及退役計劃的執(zhí)行效率等[14]。

全壽命周期理論可分為預(yù)測計算(包括費用分解與總費用結(jié)算)、方案評價及查找影響因素等模塊，可表達為：

LCC=C1+C2+C3+C4+C5

(1)

式中：LCC為全壽命周期成本；C1為投資成本；C2為運維成本；C3為檢修成本；C4為故障成本；C5為退役處置成本。

電力設(shè)備全壽命周期模型架構(gòu)如圖1所示。

圖1 電力設(shè)備全壽命周期模型架構(gòu)

3 綜合管控云平臺設(shè)計

3.1 全壽命周期架構(gòu)分析

電力設(shè)備投資成本包括多個階段多個環(huán)節(jié)的費用，表達式為：

(2)

式中：Cds為前期工作成本(規(guī)劃、可研設(shè)計、施工圖設(shè)計等)；Cer為施工前期階段總成本；Cio為環(huán)節(jié)i完成調(diào)試、運行的成本；m為資金支出項數(shù)；n為每一項的權(quán)重。

運維成本C2是指在投運成功后所需的人工維護及設(shè)備維修和更換、交通運輸、保養(yǎng)材料等各類維持設(shè)備正常運行的成本。其數(shù)學(xué)表達式如下：

C2=Cu+Cv+Cw

(3)

式中：Cu為人工維護及設(shè)備維修和更換成本；Cv為交通運輸成本；Cw為保養(yǎng)材料成本。

由于自然災(zāi)害所致故障及計劃檢修等而產(chǎn)生的成本，各個設(shè)備疊加的維護總成本可用下式表示：

(4)

式中：M為某個設(shè)備的總數(shù)；Si為單個電力設(shè)備的單位維護成本。

故障成本主要指由于因故障停電需支付給用戶的懲罰費用，退役處置成本是指某個電力設(shè)備到達服務(wù)期限后對其拆除、報廢、歸檔、搬運等形成的費用。

3.2 輸入數(shù)據(jù)預(yù)處理

在輸入平臺之前，需對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，包括數(shù)據(jù)清洗、校核和歸一化處理。

假設(shè){Xt}是未檢測到輸變電設(shè)備狀態(tài)信息數(shù)據(jù)異常的時間序列，則利用ARIMA模型表示{Xt}為：

(5)

α(B)=1-α1B-α2B2-…-αqBq

(6)

β(B)=1-β1B-β2B2-…-βqBq

(7)

4 算例分析

4.1 云平臺架構(gòu)設(shè)計

本文采用Java語言建立電力設(shè)備全壽命周期管控云平臺[15]，平臺包括服務(wù)器模塊、數(shù)據(jù)輸入模塊及數(shù)據(jù)庫，如圖2所示。其主要包括Pod(輕量級標記語言)、Deployment(部署)、Service(服務(wù))和Secret(信息安全)4種元素[16]。

圖2 云平臺架構(gòu)設(shè)計

本文所建立云平臺中有多個Pod，包括設(shè)備名稱、設(shè)備類型、設(shè)備購置年限、費用以及歷史故障信息等，命名為pod-unit1～pod-unitn。Pod是被信息管控平臺綜合管理的，信息管控平臺是比Pod高一級別的專門用來管理Pod的組件。信息管控平臺被Deployment控制，Deployment是比信息管控平臺高一級別用于管理信息管控平臺的組件，在信息管控平臺級別上發(fā)生的事件，均是對Pod的操作。

Deployment不再受其他組件的控制，其狀態(tài)轉(zhuǎn)變是其自身滾動更新而產(chǎn)生的。在Deployment級別上發(fā)生的事件一般是創(chuàng)建服務(wù)、滾動更新一個服務(wù)，或者是操作信息管控平臺伸縮Pod集群，以此來調(diào)控整個電力資產(chǎn)云平臺的數(shù)據(jù)輸入、整理與輸出。

4.2 云平臺搭建主要步驟

電力設(shè)備全壽命周期管控云平臺的建立過程如下：

1)盤點現(xiàn)狀資產(chǎn)，核實資產(chǎn)各項成本數(shù)據(jù)；

2)根據(jù)3.1節(jié)的論述，進行數(shù)據(jù)清洗和預(yù)處理，補充缺少的數(shù)據(jù)與修改明顯錯誤的數(shù)據(jù)；

3)選取影響電網(wǎng)電能輸送成本的主要因素，本文取變電站、斷路器及送電線路等；

4)建立電力資產(chǎn)全壽命周期成本模型，并通過歷史相對準確數(shù)據(jù)校對其準確性；

5)搭建信息傳遞接口，改造現(xiàn)有的信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，增加云平臺數(shù)據(jù)傳輸接口；

6)實現(xiàn)關(guān)鍵電力設(shè)備的單個、集約管理以及測算和維護。

其詳細步驟，如圖3所示。

圖3 云平臺搭建主要步驟

根據(jù)前述全生命周期模型及云平臺所需數(shù)據(jù)，基于某兩地電網(wǎng)公司ERP、PMS系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)，包括220 kV變壓器56臺、斷路器204臺，輸入至模型中進行求解分析。得到的結(jié)果如圖4～圖6所示。

圖4 變壓器使用年限統(tǒng)計結(jié)果

圖5 斷路器使用年限統(tǒng)計結(jié)果

圖6 綜合運維成本對比

由圖可以看出，本文基于泛在電力物聯(lián)技術(shù)建立的電力設(shè)備全壽命周期管控云平臺，能夠在用戶端對設(shè)備的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測和查看，通過盤點歷史檢修運維規(guī)律，提升運維檢修的效率，節(jié)省人員費用，更優(yōu)地保證電力系統(tǒng)持續(xù)、可靠地運行。

5 結(jié)束語

本文所建立的綜合管控云平臺能夠?qū)崿F(xiàn)的功能主要有：1)盤點單個設(shè)備資產(chǎn)壽命周期階段和折算費用，以便電網(wǎng)公司合理制定逐年的投資計劃和老舊設(shè)備退役計劃；2)根據(jù)不同使用年限對設(shè)備進行劃分，統(tǒng)計其需要檢修和維護的次數(shù)，便于電網(wǎng)公司安排管轄區(qū)內(nèi)的計劃檢修與故障維護人力；3)通過泛在物聯(lián)技術(shù)建立的綜合管控云平臺，便于工作人員實時查看設(shè)備的運行狀態(tài)，記錄設(shè)備的運行情況，便于評估設(shè)備發(fā)生故障的可能性。