基于六西格瑪管理的牽引供電繼電保護(hù)裝置健康狀態(tài)評(píng)估方法

艾廣寧

（中鐵電氣化局京滬高鐵維管公司，天津 301600）

隨著“十三五”期間鐵路建設(shè)的高速發(fā)展，電氣化鐵路逐步從建設(shè)期進(jìn)入運(yùn)營(yíng)期，保證牽引供電設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行已經(jīng)成為各鐵路運(yùn)維單位的工作重心。京滬高鐵作為我國(guó)高速鐵路發(fā)展的里程碑，已經(jīng)平穩(wěn)運(yùn)行了將近10年，對(duì)于現(xiàn)階段而言，供電設(shè)備質(zhì)量的好壞、管理手段的先進(jìn)與否是關(guān)系到鐵路運(yùn)營(yíng)安全的關(guān)鍵因素，為了進(jìn)一步提高鐵路運(yùn)維設(shè)備管理效率和水平，有必要深入探討質(zhì)量管理手段在鐵路牽引供電設(shè)備管理中的應(yīng)用。

1 評(píng)估模型的實(shí)施方案及實(shí)施過程

1.1 六西格瑪定義

六西格瑪管理是在提高顧客滿意程度的同時(shí)降低經(jīng)營(yíng)成本與周期過程的革新方法，它是通過提高組織核心過程的運(yùn)行質(zhì)量，進(jìn)而提升企業(yè)贏利水平的管理方式，也是在新經(jīng)濟(jì)條件下企業(yè)獲得競(jìng)爭(zhēng)力和持續(xù)發(fā)展能力的經(jīng)營(yíng)策略[1]。

六西格瑪管理是通過系統(tǒng)地、集成地采用業(yè)務(wù)改進(jìn)方案，實(shí)現(xiàn)無缺陷的過程設(shè)計(jì)，并對(duì)現(xiàn)有過程進(jìn)行過程界定（Define）、測(cè)量（Measure）、分析（Analyze）、改進(jìn)（Improve）、控制（Control）、簡(jiǎn)稱DMAIC流程（見圖1），消除過程缺陷和無價(jià)值作業(yè)，從而提高質(zhì)量和服務(wù)，降低成本，縮短周期，最終令客戶滿意，增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

圖1 DMAIC管理循環(huán)

1.2 項(xiàng)目實(shí)施背景

京滬高速鐵路2010年投入運(yùn)營(yíng)，設(shè)備維護(hù)單位的設(shè)備維護(hù)風(fēng)險(xiǎn)逐年遞增，牽引供電設(shè)備進(jìn)入了調(diào)整期，設(shè)備更新改造在逐步進(jìn)展過程中，故障率從歷史最好水平1.20%上升到2021年的7.50%，由于供電設(shè)備的運(yùn)行可靠性下降，本項(xiàng)目借助六西格瑪管理手段來查找故障的原因，制定切實(shí)可行的方案，對(duì)設(shè)備進(jìn)行科學(xué)的質(zhì)量鑒定，并給予多元化的狀態(tài)評(píng)估，保證供電設(shè)備的可靠運(yùn)行，提高設(shè)備的運(yùn)行效率[2]。

1.3 項(xiàng)目實(shí)施步驟

該項(xiàng)目的實(shí)施遵循六西格瑪?shù)倪^程循環(huán)，結(jié)合全面質(zhì)量管理的手段，運(yùn)用系統(tǒng)管理的方法，按照DMAIC的循環(huán)過程結(jié)合京滬高鐵的管理經(jīng)驗(yàn)制定一整套設(shè)備科學(xué)管理的方法。

1.3.1 D-界定階段

該項(xiàng)目的基準(zhǔn)水平是基于2012年?duì)恳冸娝^電保護(hù)裝置的故障次數(shù)44次，故障率4.10%，標(biāo)桿的歷史最好水平1.15%，定義項(xiàng)目的目標(biāo)為1.60%，定義項(xiàng)目Z為減低牽引供電設(shè)備的故障率，細(xì)分3個(gè)z，分別為設(shè)備操作問題、電氣絕緣問題和檢測(cè)手段問題。通過組建項(xiàng)目管理小組，明確職責(zé)范圍，獲得項(xiàng)目的授權(quán)與認(rèn)可。

該項(xiàng)目的實(shí)施應(yīng)用技術(shù)是故障預(yù)測(cè)與健康管理（Prognostics and Health Management，PHM）技術(shù)，而牽引供電系統(tǒng)的故障預(yù)測(cè)與健康管理是建立在大量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過評(píng)估各種數(shù)據(jù)信息來完成對(duì)設(shè)備健康狀態(tài)的評(píng)估，分析潛在故障趨勢(shì)，幫助運(yùn)營(yíng)管理人員在運(yùn)維的過程中實(shí)現(xiàn)故障的預(yù)處理，從而達(dá)到消除故障和延長(zhǎng)使用壽命的目的。圖2為保護(hù)裝置PHM系統(tǒng)[3]。

圖2 保護(hù)裝置PHM系統(tǒng)

設(shè)備故障預(yù)測(cè)與健康管理的核心是質(zhì)量鑒定及狀態(tài)評(píng)估，評(píng)估結(jié)果與實(shí)際情況越相近，則制定的維護(hù)方案就越準(zhǔn)確，經(jīng)控制措施實(shí)施后相應(yīng)的設(shè)備健康狀態(tài)越好；若評(píng)估結(jié)果不當(dāng)，則會(huì)出現(xiàn)過度維修及維修不足等問題。

1.3.2 M-測(cè)量階段

階段工作：首先確定測(cè)量系統(tǒng)的可靠性；其次進(jìn)行過程能力分析，本階段最重要的是發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致故障的各種因素，并精確地進(jìn)行歸因。充分運(yùn)用小組人員的頭腦風(fēng)暴活動(dòng)為導(dǎo)致設(shè)備故障的原因繪制魚骨圖以及進(jìn)行失效模式及后果分析（Failure Mode and Effects Analysis，F(xiàn)MEA），見圖3、第82頁表1。

表1 設(shè)備故障FMEA過程

圖3 故障原因魚骨圖

此階段主要在實(shí)施測(cè)量及檢測(cè)過程中做了5個(gè)方面的過程改善工作。

1.3.2.1 對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量測(cè)試因子的改善

1）制定詳細(xì)的測(cè)量表格和測(cè)試方案來保證現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的精度要求，保障測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2）在保障測(cè)量過程中干擾因素最小化的基礎(chǔ)上，應(yīng)用模擬牽引變電所開關(guān)狀態(tài)來保障保護(hù)裝置邏輯的正常輸出，以確保保護(hù)裝備能夠正常地按照邏輯發(fā)出指令。

3）對(duì)測(cè)試過程中數(shù)據(jù)偏差較大的數(shù)據(jù)插件進(jìn)行復(fù)測(cè)，對(duì)復(fù)測(cè)有問題的插件及時(shí)進(jìn)行更換。

1.3.2.2 對(duì)現(xiàn)場(chǎng)專業(yè)業(yè)務(wù)技能因子的改善

1）組織專業(yè)人員對(duì)維護(hù)人員進(jìn)行專業(yè)的知識(shí)培訓(xùn)，重點(diǎn)是常見的故障查找及故障分析處理。對(duì)邏輯判定條件及動(dòng)作順序進(jìn)行了規(guī)范性的培訓(xùn)教育，提高維護(hù)人員的技能水平。

2）按照保護(hù)裝置廠家維護(hù)手冊(cè)及相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)巡視頻次進(jìn)行規(guī)范，按照動(dòng)態(tài)管理手段進(jìn)行巡視，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，提高現(xiàn)場(chǎng)人員的執(zhí)行能力。

1.3.2.3 對(duì)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行通信線路斷路及設(shè)備老化接地因子的改善

1.3.2.4 對(duì)設(shè)備屏幕顯示不全面或者顯示錯(cuò)誤因子的改善

對(duì)所有顯示屏進(jìn)行綜合治理，集中進(jìn)行狀態(tài)的查看及復(fù)歸，必要時(shí)及時(shí)進(jìn)行更換。

1.3.2.5 對(duì)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行工況因子的改善

1）應(yīng)用溫控系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境溫度及濕度進(jìn)行嚴(yán)格控制，保證溫度在0～35℃之間，濕度≤85%。

2）應(yīng)用電能質(zhì)量控制系統(tǒng)保證裝置系統(tǒng)的運(yùn)行電壓偏差在-10%～10%之間。

3）線路的絕緣強(qiáng)度＞100 MΩ。

經(jīng)過改善后從第一次FMEA統(tǒng)計(jì)中，對(duì)篩選出風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)（Risk Priority Number，RPN）在100以上的因子進(jìn)行分析，并進(jìn)行了歸集與分類，共有7個(gè)項(xiàng)目找出高影響的故障因子。

目前，我國(guó)正處于轉(zhuǎn)型期，著力建設(shè)服務(wù)型政府。而建設(shè)服務(wù)型政府的首要任務(wù)就是要降低政府的運(yùn)行成本，提高政府的運(yùn)行效率。而以權(quán)責(zé)發(fā)生制為基礎(chǔ)編制政府綜合財(cái)務(wù)報(bào)告就能夠?qū)φ鞑块T的收支以及業(yè)務(wù)活動(dòng)的成本進(jìn)行詳細(xì)、客觀、準(zhǔn)確地核算，能夠公正評(píng)價(jià)政府運(yùn)行的成本，從而能夠有效提高政府的運(yùn)行效率，實(shí)現(xiàn)向服務(wù)型政府的轉(zhuǎn)型。

經(jīng)過第二次的FMEA后，還有4個(gè)輸入因子的RPN較高。

1）數(shù)據(jù)缺失導(dǎo)致保護(hù)失效。

2）邏輯程序混亂導(dǎo)致保護(hù)跳閘。

3）保護(hù)定值設(shè)定不規(guī)范導(dǎo)致越級(jí)誤跳閘。

4）I/O插件絕緣問題導(dǎo)致保護(hù)失效。

1.3.3 A-分析階段

牽引供電系統(tǒng)的故障預(yù)測(cè)和健康管理是建立在大量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過提取數(shù)據(jù)中的有用信息，完成對(duì)系統(tǒng)的狀態(tài)評(píng)估，分析潛在故障趨勢(shì)，利用系統(tǒng)狀態(tài)評(píng)估對(duì)牽引供電系統(tǒng)實(shí)行故障預(yù)測(cè)和健康管理，達(dá)到消除故障、延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命的目的[4]。

RPN是事件發(fā)生的頻率、嚴(yán)重程度和檢測(cè)等級(jí)三者的乘積，其數(shù)值愈大說明潛在的問題愈嚴(yán)重，用來衡量可能的缺陷，以便采取可能的預(yù)防措施減少由于設(shè)備故障多帶來的損失，使系統(tǒng)運(yùn)行更為可靠。對(duì)于應(yīng)用于健康管理首先應(yīng)集中在那些最受影響和風(fēng)險(xiǎn)程度最高的環(huán)節(jié)。

RPN值范圍為1（絕對(duì)最好）~1000（絕對(duì)最差）。為了更好地反映牽引供電系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置的運(yùn)行狀態(tài)，體現(xiàn)裝置內(nèi)部故障的發(fā)展規(guī)律，便于現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維人員更好地操作，可以將狀態(tài)劃分為好、較好、一般、較差、差5個(gè)等級(jí)，并對(duì)5個(gè)等級(jí)對(duì)應(yīng)的RPN值劃分范圍區(qū)間，且相應(yīng)地給與健康狀態(tài)評(píng)估及維護(hù)措施。其中好與較好處于無故障狀態(tài)，系統(tǒng)的可靠性很高，隨著運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，系統(tǒng)將逐漸處于一般、較差、差的狀態(tài)，其運(yùn)行狀態(tài)與健康值之間的關(guān)系見圖4。

圖4 設(shè)備健康狀態(tài)運(yùn)行圖

1.3.4 I-改進(jìn)階段

通過對(duì)測(cè)量階段采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，利用六西格瑪分析工具M(jìn)initab軟件對(duì)測(cè)量的各個(gè)因子進(jìn)行分析，確定關(guān)鍵的影響因素，利用科學(xué)的技術(shù)及管理手段進(jìn)行評(píng)估，按照評(píng)估的結(jié)果采取相應(yīng)的措施進(jìn)行改進(jìn)。

1）數(shù)據(jù)缺失導(dǎo)致保護(hù)失效，通過校檢裝置的可靠性，發(fā)現(xiàn)保護(hù)裝置有6處保護(hù)定值與定制單不符，為出廠默認(rèn)值，導(dǎo)致保護(hù)裝置存在誤動(dòng)和拒動(dòng)的可能性。通過修改保護(hù)定值并進(jìn)行保護(hù)試驗(yàn)確保保護(hù)裝置可靠運(yùn)行。

2）在長(zhǎng)期運(yùn)行中部分供電方式發(fā)生改變，原有邏輯程序已經(jīng)無法適用，混亂導(dǎo)致保護(hù)跳閘，對(duì)保護(hù)裝置邏輯圖與現(xiàn)有運(yùn)行方式和備用運(yùn)行方式進(jìn)行驗(yàn)證，李營(yíng)變電所變壓器后備保護(hù)單邊供電時(shí)低電壓?jiǎn)?dòng)過流保護(hù)存在勿動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)，改進(jìn)措施修改了保護(hù)動(dòng)作邏輯，使其可以應(yīng)用在變壓器單邊供電方式中。

3）在長(zhǎng)期運(yùn)行中部分所亭出現(xiàn)了27.5 kV饋線保護(hù)未動(dòng)作，27.5 kV進(jìn)線保護(hù)動(dòng)作；變壓器低壓側(cè)過流保護(hù)未動(dòng)作、變壓器高壓側(cè)保護(hù)動(dòng)作導(dǎo)致停電范圍擴(kuò)大，在檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)均為定值計(jì)算時(shí)計(jì)算參數(shù)不合理，導(dǎo)致保護(hù)定值設(shè)定不規(guī)范致使越級(jí)誤跳閘，經(jīng)過重新獲取定值計(jì)算參數(shù)計(jì)算并修改不規(guī)范定值，目前已基本杜絕了越級(jí)誤跳閘的情況。

4）對(duì)保護(hù)裝置的I/O插件接線端子進(jìn)行除銹清灰處理，并對(duì)依舊絕緣不合格的板件進(jìn)行更換，絕緣問題使保護(hù)失效情況得以解決。

繼電保護(hù)裝置的定值問題和邏輯問題處理在之后的運(yùn)行中得到了驗(yàn)證，I/O插件絕緣在之后的絕緣測(cè)試中也得到了很好的改善，測(cè)試結(jié)果也均在允許值以內(nèi)。經(jīng)過改進(jìn)階段采取的一系列措施，保護(hù)裝置的可靠性、選擇性、靈敏性均得到了較大提升，5月份的設(shè)備運(yùn)行故障率為1.54%，已經(jīng)低于1.60%的目標(biāo)值，基本實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目的預(yù)期目標(biāo)。

1.3.5 C-控制階段

對(duì)改進(jìn)的成果進(jìn)行固化，修改了保護(hù)定制單、保護(hù)邏輯圖和試驗(yàn)作業(yè)指導(dǎo)書。從而將這些經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行制度化的保存，通過有效的監(jiān)督方法，確保了改進(jìn)成果持續(xù)得到應(yīng)用。

根據(jù)保護(hù)運(yùn)行特征以及設(shè)備故障特征選擇保護(hù)數(shù)據(jù)缺失、保護(hù)裝置越級(jí)跳閘、I/O插件絕緣情況的3個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，同時(shí)制定了控制計(jì)劃，見表2。

表2 控制計(jì)劃書

1）對(duì)繼電保護(hù)裝置進(jìn)行保護(hù)定值校準(zhǔn)，將誤差控制在允許值以內(nèi)，防止因定值誤差導(dǎo)致的保護(hù)裝置誤動(dòng)作。

2）對(duì)所有的保護(hù)跳閘進(jìn)行匯總分類，分析跳閘數(shù)據(jù)，對(duì)存在越級(jí)跳閘的故障及時(shí)修改定值，確保越級(jí)跳閘占有率控制在4%以內(nèi)。

3）對(duì)繼電保護(hù)裝置二次回路I/O插件進(jìn)行絕緣測(cè)試，對(duì)絕緣值低于10 MΩ的及時(shí)進(jìn)行處理。

通過編制運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)及作業(yè)指導(dǎo)書將項(xiàng)目成果持續(xù)的推廣到日常的運(yùn)維管理中。

2 項(xiàng)目實(shí)施的結(jié)果

2.1 實(shí)施目標(biāo)值

通過一年的運(yùn)維實(shí)施，繼電保護(hù)裝置的月度平均故障率由1月的2.34%將降低到12月的1.59%，基本實(shí)現(xiàn)目標(biāo)值，見第84頁圖5。

圖5 各階段故障率折線圖

2.2 財(cái)務(wù)收益

2.2.1 已實(shí)現(xiàn)效益

2.2.2 預(yù)計(jì)年收益

2.2.3 無形收益

京滬高鐵作為連接北京上海以及沿線城市的重要鐵路干線，對(duì)于現(xiàn)階段而言，供電設(shè)備質(zhì)量的好壞、管理手段的先進(jìn)與否是關(guān)系到鐵路運(yùn)營(yíng)安全的關(guān)鍵因素，消除供電設(shè)備隱患，確保列車準(zhǔn)點(diǎn)運(yùn)行對(duì)鐵路安全運(yùn)輸有極其重要的價(jià)值。

3 結(jié)束語

通過對(duì)六西格瑪?shù)膽?yīng)用可知，改善是無止境的。在對(duì)六西格瑪知識(shí)的學(xué)習(xí)中，對(duì)設(shè)備運(yùn)維的管理以及故障處理進(jìn)行了優(yōu)化、改善以及分析，解決了一系列問題，同時(shí)對(duì)六西格瑪知識(shí)也有了更加深刻的認(rèn)知，尤其是保護(hù)越級(jí)跳閘問題的改進(jìn)成果，對(duì)繼電保護(hù)裝置故障率的下降起到了至關(guān)重要的作用。