基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電氣設(shè)備全生命周期風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)方法

楊琳瑋

(國(guó)能黃驊港務(wù)有限責(zé)任公司，河北 滄州 061110)

1 引言

在現(xiàn)代社會(huì)，各領(lǐng)域的運(yùn)行都離不開電力能源作為支撐。在電力供應(yīng)系統(tǒng)中，電氣設(shè)備的運(yùn)行涉及電力的生產(chǎn)、運(yùn)輸、更換、分配等各個(gè)環(huán)節(jié)。一旦其中一個(gè)設(shè)備出現(xiàn)問(wèn)題，電力供應(yīng)就會(huì)中斷，從而造成巨大的損失。電氣設(shè)備故障從生產(chǎn)到使用，再到廢棄，經(jīng)歷了一個(gè)全生命周期[1]。因此，如何準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)電氣設(shè)備整個(gè)生命周期內(nèi)的各種風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)其進(jìn)行全生命周期的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)，對(duì)防范和規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)于風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)的研究有很多，如文獻(xiàn)[2]提出的基于紅外成像技術(shù)的電氣設(shè)備故障檢測(cè)和文獻(xiàn)[3]提出的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的地鐵機(jī)電設(shè)備全壽命周期管理系統(tǒng)。但上述主要是針對(duì)設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中存在的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，且需要處理的數(shù)據(jù)過(guò)于龐大，電氣設(shè)備種類的不同，數(shù)據(jù)過(guò)于分散，得到的預(yù)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性并不能保證，且需要花費(fèi)大量的時(shí)間成本。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，提出一種電氣設(shè)備全生命周期風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)方法。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的介入，能夠?qū)⒃O(shè)備各個(gè)環(huán)節(jié)的大數(shù)據(jù)集中到一起，并進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)了電氣設(shè)備管理的信息化，包括降低設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)存在的時(shí)間、提升風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避效率、節(jié)省人工成本、提高設(shè)備可用性和完好率。通過(guò)本研究以期保證電氣設(shè)備全生命周期運(yùn)行安全，延長(zhǎng)電氣設(shè)備使用壽命，及時(shí)規(guī)避掉各個(gè)環(huán)節(jié)存在的風(fēng)險(xiǎn)。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電氣設(shè)備全生命周期風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)研究

電氣設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生不僅僅出現(xiàn)在運(yùn)行階段，而是出現(xiàn)在全生命周期，周期上每一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)都有可能造成設(shè)備故障。然而，各設(shè)備從生產(chǎn)、到使用再到廢棄，各個(gè)環(huán)節(jié)相對(duì)分散，且數(shù)據(jù)分散在各個(gè)電腦，不能有效共享，匯總繁瑣且易出差錯(cuò)，設(shè)備維修費(fèi)用、備件采購(gòu)數(shù)量、點(diǎn)檢計(jì)劃數(shù)據(jù)、人員KPI 等數(shù)據(jù)源不一，統(tǒng)計(jì)匯整分析困難不精準(zhǔn)，因此在電氣設(shè)備全生命周期風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)中最亟待解決的問(wèn)題是“如何集中獲取全生命周期涉及的相關(guān)信息，包括設(shè)備生產(chǎn)數(shù)據(jù)或設(shè)備本身的運(yùn)行狀態(tài)、故障、運(yùn)行參數(shù)、環(huán)境等狀態(tài)信息”。這也是以往電氣設(shè)備全生命周期風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)研究較少的重大原因之一。

基于上述問(wèn)題，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)為電氣設(shè)備全生命周期風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)提供了所需要的移動(dòng)端和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的支持。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)組成框架如圖1所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)組成框架

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)利用計(jì)算機(jī)硬件、軟件、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、通信技術(shù)及智能傳感器設(shè)備等實(shí)現(xiàn)了信息的收集、傳輸、加工、儲(chǔ)存、更新和維護(hù)等，為風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)提供了重要的輔助。

2.1 電氣設(shè)備全生命周期數(shù)據(jù)收集與預(yù)處理

電氣設(shè)備全生命周期大致可以分為三個(gè)大致時(shí)期，建設(shè)期，運(yùn)行維護(hù)期和輪換報(bào)廢期。每個(gè)時(shí)期的風(fēng)險(xiǎn)是數(shù)據(jù)或信息的不完備引起的，因此需要收集與風(fēng)險(xiǎn)可能相關(guān)的信息和數(shù)據(jù)[4-6]。數(shù)據(jù)收集方式主要有四種，具體如下：

(1) 方式1

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電氣設(shè)備全生命周期管理平臺(tái)已具備數(shù)據(jù)接口時(shí)，直接通過(guò)已有接口根據(jù)設(shè)備廠家提供的協(xié)議獲取數(shù)據(jù)[7]。

(2) 方式2

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電氣設(shè)備全生命周期管理平臺(tái)無(wú)數(shù)據(jù)接口時(shí)，請(qǐng)?jiān)O(shè)備廠家對(duì)設(shè)備控制系統(tǒng)擴(kuò)展出新的數(shù)據(jù)接口，再通過(guò)接口獲取數(shù)據(jù)[8]。

(3) 方式3

通過(guò)連接電氣設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸線路上的數(shù)據(jù)信號(hào)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。

(4)方式4

在電氣設(shè)備上外接各式傳感器，并通過(guò)采集器實(shí)現(xiàn)定向數(shù)據(jù)采集。

在上述四種獲取方式中，方式4 是最為簡(jiǎn)單、快捷的。外接的各式傳感器主要RFID 系統(tǒng)、紅外圖像采集設(shè)備、信號(hào)采集器等，具體如表1所示[9-11]。

表1 電氣設(shè)備全生命周期數(shù)據(jù)收集工具對(duì)比表

在電氣設(shè)備全生命周期數(shù)據(jù)收集之后，需要對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。根據(jù)數(shù)據(jù)類型的不同，預(yù)處理方法也不同，具體如表2所示。

表2 電氣設(shè)備全生命周期數(shù)據(jù)預(yù)處理方案

2.2 電氣設(shè)備全生命周期風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別

基于上一章節(jié)電氣設(shè)備全生命周期數(shù)據(jù)收集與預(yù)處理的基礎(chǔ)上，對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)存在的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行識(shí)別。采用事故樹分析法，將風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別工作按各個(gè)時(shí)期階段細(xì)化成較小的風(fēng)險(xiǎn)因素?；谑鹿蕵浞治龇ǖ碾姎庠O(shè)備全生命周期風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別過(guò)程具體如下：

步驟1：確定事故樹的主題目標(biāo)，即電氣設(shè)備的整個(gè)生命周期風(fēng)險(xiǎn)；

步驟2：中間事件的建立，即根據(jù)電氣設(shè)備全生命周期，將風(fēng)險(xiǎn)分為建設(shè)期風(fēng)險(xiǎn)，運(yùn)行維護(hù)期風(fēng)險(xiǎn)和輪換報(bào)廢期風(fēng)險(xiǎn)等三大類。

步驟3：底事件的建立。繼續(xù)根據(jù)每個(gè)時(shí)期的風(fēng)險(xiǎn)，再逐級(jí)繼續(xù)進(jìn)行細(xì)化，直至達(dá)到最小集，也就是導(dǎo)致電氣設(shè)備存在風(fēng)險(xiǎn)的最根本原因，即完成關(guān)于電氣設(shè)備全生命周期風(fēng)險(xiǎn)的事故樹。

步驟4：認(rèn)真審定事故樹。在繪制完成事故樹后，對(duì)其進(jìn)行審查，并進(jìn)行修改，以達(dá)到最優(yōu)。

2.3 電氣設(shè)備全生命周期風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與預(yù)測(cè)

在完成電氣設(shè)備全生命周期風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別后，計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)，并以此預(yù)測(cè)電氣設(shè)備的可靠程度，以便采取合理的應(yīng)對(duì)措施。電氣設(shè)備全生命周期風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與預(yù)測(cè)基本過(guò)程如下：

步驟1：明確目標(biāo)，建立電氣設(shè)備全生命周期風(fēng)險(xiǎn)事故樹，具體過(guò)程見章節(jié)2．2；

步驟2：建立層次結(jié)構(gòu)模型。

步驟3：建立判斷矩陣，賦值通過(guò)0．1～0．9標(biāo)度法完成，如表3所示。

表3 0.1～0.9標(biāo)度法

建立的模糊判斷矩陣形式如下：

式中，aij表示風(fēng)險(xiǎn)因素xi比風(fēng)險(xiǎn)因素xj的重要程度，其值采用0．1～0．9標(biāo)度法來(lái)賦值，如表3所示。

步驟4：計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)因素的權(quán)重，也就是風(fēng)險(xiǎn)因素造成電氣設(shè)備故障的嚴(yán)重程度。

step1：計(jì)算權(quán)重系數(shù)。

step2：一致性檢驗(yàn)。一致性比率CR計(jì)算公式如下：

式中，CI為一致性指標(biāo)；RI為一致性指標(biāo)，其選值如下表4所示。

表4 RI取值

當(dāng)CR＜0．1時(shí)，判斷矩陣一致性檢驗(yàn)通過(guò)，進(jìn)入下一環(huán)節(jié)；否則，修正判斷矩陣，重新進(jìn)行權(quán)重計(jì)算。

step3：計(jì)算綜合權(quán)重，并同樣進(jìn)行step2操作。

步驟5：根據(jù)權(quán)重，計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)Yi。計(jì)算公式如下：

式中，pi表示風(fēng)險(xiǎn)因素i的發(fā)生率，其取值如表5所示；wi表示風(fēng)險(xiǎn)因素i的權(quán)重；n表示故障原因個(gè)數(shù)。

表5 風(fēng)險(xiǎn)因素發(fā)生率取值

步驟6：綜合每個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)，得到電氣設(shè)備整體發(fā)生故障的概率，計(jì)算公式如下：

式中，Xi表示電氣設(shè)備故障X的第i個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素；Z表示風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的概率。

步驟7：計(jì)算電氣設(shè)備的可靠度。計(jì)算公式如下：

式中，R為電氣設(shè)備的可靠度。

3 實(shí)例分析

為驗(yàn)證所研究風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)方法的應(yīng)用性能，選取一種電氣設(shè)備作為研究對(duì)象，進(jìn)行實(shí)例測(cè)試分析。

3.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象選擇

斷路器屬于一種開關(guān)裝置，起到故障保護(hù)的作用，本實(shí)驗(yàn)對(duì)象為一種高壓斷路器。利用所研究的方法對(duì)其進(jìn)行基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電氣設(shè)備全生命周期風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)。

3.2 數(shù)據(jù)采集環(huán)境部署

部署高壓斷路器全生命周期過(guò)程相關(guān)數(shù)據(jù)的采集環(huán)境，如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集環(huán)境部署示意圖

3.3 風(fēng)險(xiǎn)因素事故樹模型

基于事故樹分析法建立關(guān)于電氣設(shè)備全生命周期風(fēng)險(xiǎn)因素的事故樹模型，如圖3所示。

圖3 風(fēng)險(xiǎn)因素事故樹模型

3.4 斷路器風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與預(yù)測(cè)

計(jì)算斷路器各個(gè)環(huán)節(jié)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)，然后結(jié)合影響程度，得出風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率，并以此預(yù)測(cè)電氣設(shè)備的可靠程度，結(jié)果如表6所示。

表6 斷路器風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與預(yù)測(cè)結(jié)果

從表6中可以看出，斷路器運(yùn)行維護(hù)期發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)的概率最高，可靠性最低，因此以其它時(shí)期相比，運(yùn)行維護(hù)期間，不可控的干擾因素眾多，極易發(fā)生故障問(wèn)題，而其它兩個(gè)期間都有專業(yè)人員進(jìn)行把控和反復(fù)審核，風(fēng)險(xiǎn)并不易發(fā)生。在斷路器運(yùn)行維護(hù)期中又以使用期間最有發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)，風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生率及可靠度具體如表7所示。

表7 斷路器使用期間風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生率及可靠度

從上述表7 中可以看出，斷路器使用期間拒動(dòng)故障、誤動(dòng)故障以及絕緣故障風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生率均超過(guò)10%，可靠度低于90%，由此說(shuō)明斷路器使用期間要注意這三類故障的規(guī)避。

為驗(yàn)證本文所研究風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)方法的有效性，對(duì)比不同信噪比下，以文獻(xiàn)[2]提出的基于紅外成像技術(shù)的電氣設(shè)備故障檢測(cè)和文獻(xiàn)[3]提出的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的地鐵機(jī)電設(shè)備全壽命周期管理系統(tǒng)為對(duì)比對(duì)象，進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)正確率對(duì)比結(jié)果如表8所示。

表8 風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)正確率(%)對(duì)比

分析表8可得，采用本文方法風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)的正確率均明顯高于其它方法，本文方法預(yù)測(cè)電氣設(shè)備的可靠程度較高，說(shuō)明本文方法預(yù)測(cè)斷路器各個(gè)環(huán)節(jié)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)較小，風(fēng)險(xiǎn)不易發(fā)生，證明了所研究方法的有效性。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，電氣設(shè)備的健康狀況直接關(guān)系到電力供應(yīng)業(yè)務(wù)的質(zhì)量，一旦發(fā)生故障問(wèn)題，造成的損失將是巨大的。為此，本文進(jìn)行基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電氣設(shè)備全生命周期風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)方法研究。該研究分為采集、識(shí)別、評(píng)估三個(gè)過(guò)程，對(duì)電氣設(shè)備全生命周期各個(gè)環(huán)節(jié)中存在的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行尋找，以判斷故障發(fā)生的概率，以便及時(shí)規(guī)避。最后通過(guò)實(shí)例測(cè)試，證明了所研究方法的有效性，達(dá)到了研究的目標(biāo)，為電氣設(shè)備正常運(yùn)行提供了重要的保障手段。