橋纜及通道多源數(shù)據(jù)融合與運維決策技術(shù)淺析

侯松生 王根成

(國網(wǎng)浙江省電力有限公司舟山供電公司)

0 引言

近年來, 國內(nèi)外科研人員在電力電纜的絕緣材料、老化機理、狀態(tài)監(jiān)測、資產(chǎn)管理等領(lǐng)域開展了大量的研究。為此, 首先針對電力電纜的運維管理, 提出開展電纜運維精益化管理的過程和步驟, 這包括狀態(tài)監(jiān)測、狀態(tài)評估、風險分析和運維策略制定。橋纜及通道是城市交通運輸?shù)闹匾M成部分, 其安全運營對于城市的發(fā)展和居民的生活至關(guān)重要。為了保障橋纜及通道的安全運營, 需要對其進行多源數(shù)據(jù)融合和運維決策技術(shù)的分析和應(yīng)用?；谕艘蹧Q策結(jié)果, 輔助隨橋敷設(shè)高壓電纜線路運檢決策, 提高運檢精益化水平, 提升設(shè)備本質(zhì)安全, 電纜運維人員根據(jù)每條電纜線路目前的狀態(tài)及其在電力系統(tǒng)中的重要性即可判斷出風險等級高, 需要更換的電纜線路, 不僅可以確定每年度退役的數(shù)量, 而且可以確定退役的對象。

1 多源數(shù)據(jù)融合策略

為建立隨橋電纜線路運行狀態(tài)分級與決策支持模型, 實現(xiàn)隨橋電纜運行可靠性評價及運維管控決策,主要技術(shù)研究路線如下:

(1) 電纜及通道多源數(shù)據(jù)融合, 首先調(diào)研隨橋電纜線路及通道在線監(jiān)測及監(jiān)控類裝置應(yīng)用情況, 并對多類監(jiān)控裝置的監(jiān)控類型及監(jiān)控數(shù)據(jù)進規(guī)范設(shè)計,研究并建立適用于狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理流程與技術(shù),形成標準化海量數(shù)據(jù)處理方法與要求, 最終通過選取合理的數(shù)據(jù)聚合模型建立了基于多維信息聚合的電纜通道運行監(jiān)控數(shù)據(jù)處理系統(tǒng);

(2) 針對狀態(tài)診斷、狀態(tài)預(yù)測、故障分析、風險評估、可靠性及老化評價等多個狀態(tài)數(shù)據(jù)分析環(huán)節(jié), 研究確立合理的數(shù)據(jù)分析模型及組合應(yīng)用方法,實現(xiàn)基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的狀態(tài)特征數(shù)據(jù)綜合分析與診斷方法, 最終建立電纜線路運行狀態(tài)分級與決策支持模型, 實現(xiàn)對電纜線路的狀態(tài)精益化管理。

2 橋纜多源數(shù)據(jù)智能分析與診斷算法模型

以電纜原始數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)為研究對象, 在運行可靠性分析方面通過Cox 比例風險模型、Weibull 比例風險模型以及電熱老化模型開展研究工作, 通過模型分析結(jié)果指導電纜的運行、維護。國內(nèi)由于電纜使用晚, 大部分電纜還沒有進入老化階段,大多數(shù)故障由安裝、質(zhì)量問題以及外力破壞導致。目前在故障數(shù)據(jù)分析方面, 多局限于對電纜類型、電壓等級、線路長度、故障原因等進行簡單統(tǒng)計,缺乏深層次的分析。通過Cox 比例風險模型分析電纜的原始數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù), 對電纜故障的影響因素的程度進行量化, 可以找出影響電纜早期故障的主要因素。

圖1 鋸齒狀浴盆曲線

2.1 橋纜線路故障數(shù)據(jù)分析模型

電纜作為一種特殊的電力設(shè)備, 如果將整條線路看成一個整體, 電纜本體和電纜接頭、終端, 都屬于這個整體的元件, 當電纜發(fā)生故障后, 對電纜本體和接頭、終端進行維修更換, 那么電纜線路屬于可維修設(shè)備。

圖2 狀態(tài)數(shù)據(jù)分析方法與診斷算法模型架構(gòu)

Crow-AMSAA 模型作為時間的函數(shù)用于追蹤一個項目中的可靠性增長。與Weibull 分布相比, Crow-AMSAA 模型需要更少的信息, 尤其當故障數(shù)據(jù)記錄不詳時(如只知道故障年份, 不知道故障的具體日期), 也能夠進行分析。Crow-AMSAA 模型的基本形式為:

式中,t為累積時間,N(t) 為累積故障數(shù),β和λ為模型的待求參數(shù)?？梢钥闯鯳eibull 分布和Crow-AMSAA 所分析的數(shù)據(jù)類型不同, 但Crow-AMSAA 模型的β具有相同的意義, 即當β＞1 時, 表明故障率在上升, 當β＜1 時, 表明故障率在下降, 當β=1時, 表明故障率不變。

2.2 橋纜線路可靠性評估模型

Cox 風險比例模型的概念由英國統(tǒng)計學家D.R.Cox 于1972 年首次提出, 該模型具有很強的適用性, 對數(shù)據(jù)分布、殘差分布均無特殊要求, 并且由于該模型能對截尾數(shù)據(jù)進行分析, 從而保證了分析結(jié)果的全面性、可靠性, 廣泛的應(yīng)用在醫(yī)學領(lǐng)域分析病人生存時間的影響因素和可靠性領(lǐng)域。

式中,h0(t) 是基準風險函數(shù),Xk是依時協(xié)變量,Xj是時間獨立協(xié)變量,Xk和Xj回歸參數(shù)分別是βk和γj,n1和n2則分別代表依時協(xié)變量的數(shù)目和時間獨立協(xié)變量的數(shù)目。如果原始數(shù)據(jù)服從Weibull 分布, 那么基準風險函數(shù)可以用h0(t) 來表示, 這樣該模型就是一個全參數(shù)的模型。但如果分析的重點在于各協(xié)變量相對的重要性,h0(t) 并不是研究的重點,這種情況只需要用到半?yún)?shù)的Cox 比例風險模型。

2.3 橋纜線路風險狀態(tài)評估模型

橋纜線路風險狀態(tài)評估模型是一種用于評估橋纜線路風險狀態(tài)的數(shù)學模型。該模型基于橋纜線路的結(jié)構(gòu)特點、運行情況和環(huán)境因素等多方面因素, 通過對這些因素進行監(jiān)測和分析, 來評估橋纜線路的風險狀態(tài)。該模型通常包括以下幾個方面的內(nèi)容:

橋纜線路結(jié)構(gòu)特點的分析: 包括橋纜線路的材料、結(jié)構(gòu)、連接方式等特點的分析, 以評估橋纜線路的結(jié)構(gòu)強度和穩(wěn)定性。

橋纜線路運行情況的監(jiān)測: 包括橋纜線路的電氣參數(shù)、溫度、濕度等參數(shù)的監(jiān)測, 以評估橋纜線路的運行狀態(tài)。環(huán)境因素的分析: 包括橋纜線路所處環(huán)境的氣候、地形、人為因素等因素的分析, 以評估橋纜線路的環(huán)境風險。纜線路風險狀態(tài)評估模型的建立:通過對橋纜線路結(jié)構(gòu)特點、運行情況和環(huán)境因素等多方面因素進行分析, 建立橋纜線路風險狀態(tài)評估模型。橋纜線路風險狀態(tài)的評估: 根據(jù)橋纜線路風險狀態(tài)評估模型, 對橋纜線路的風險狀態(tài)進行評估, 以判斷橋纜線路是否存在安全隱患, 采取相應(yīng)的措施進行處理?？偟膩碚f, 橋纜線路風險狀態(tài)評估模型是一種重要的評估方法, 可以幫助工程師和技術(shù)人員及時發(fā)現(xiàn)橋纜線路的安全隱患, 采取相應(yīng)的措施, 保障橋纜線路的安全運行。在橋纜及通道的運維中, 可以利用運維決策技術(shù), 對多源數(shù)據(jù)進行分析和處理, 以便及時發(fā)現(xiàn)問題和隱患, 并采取相應(yīng)的措施進行修復和維護。本項目通過Weibull 分布模型, 使用電纜線路的投運時間和截止時間作為輸入, 可得到電纜樣本的特征壽命、老化狀態(tài)和分布曲線。

圖3 Weibull 分布模型流程圖

考慮到壽命數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析大體上有兩方面的問題, 一是建立壽命分布模型并檢驗其確實性, 二是參數(shù)估計。研究選擇Weibull 分布作為壽命分布模型,Weibull 分布模型的首要優(yōu)點是能夠在極少量樣本的情況下提供準確的故障分析和故障預(yù)測。

2.4 橋纜線路電熱老化評估模型

橋纜線路電熱老化評估模型是一種用于評估橋纜線路電熱老化程度的數(shù)學模型。該模型基于橋纜線路的電學特性和熱學特性, 通過對橋纜線路的電學參數(shù)和溫度參數(shù)進行監(jiān)測和分析, 來評估橋纜線路的電熱老化程度。

該模型通常包括以下幾個方面的內(nèi)容:

橋纜線路的電學參數(shù)監(jiān)測: 包括電阻、電感、電容等參數(shù)的監(jiān)測, 以評估橋纜線路的電學特性。

橋纜線路的溫度參數(shù)監(jiān)測: 包括橋纜線路表面溫度、環(huán)境溫度等參數(shù)的監(jiān)測, 以評估橋纜線路的熱學特性。

橋纜線路電熱老化模型的建立: 通過對橋纜線路的電學參數(shù)和溫度參數(shù)進行分析, 建立橋纜線路電熱老化模型, 以評估橋纜線路的電熱老化程度。

橋纜線路電熱老化程度的評估: 根據(jù)橋纜線路電熱老化模型, 對橋纜線路的電熱老化程度進行評估,以判斷橋纜線路是否需要更換或維修。

總的來說, 橋纜線路電熱老化評估模型是一種重要的評估方法, 可以幫助工程師和技術(shù)人員及時發(fā)現(xiàn)橋纜線路的電熱老化問題, 采取相應(yīng)的措施, 保障橋纜線路的安全運行。

2.5 橋纜線路運行狀態(tài)分級與決策

首先根據(jù)電纜的狀態(tài)數(shù)據(jù)對電纜的絕緣狀況進行分級, 然后結(jié)合電纜運行時間, 給出電纜狀態(tài)得分;然后根據(jù)電纜線路的停電范圍、社會影響、安全因素等, 給出電纜重要性得分; 綜合電纜狀態(tài)得分和重要性得分, 確定電纜的更換時間。

圖4 電纜狀態(tài)分級與決策流程圖

對于某一個電纜的狀態(tài)量, 根據(jù)狀態(tài)量的具體指標可描述為“嚴重”, “異常”, “注意”和“正?！?。根據(jù)電纜的局部放電、接地電流、以及光纖測溫(在線監(jiān)測獲取) 等多個狀態(tài)量, 對電纜的絕緣狀況進行綜合評價, 對絕緣狀況分為良好、輕微老化、中度老化和嚴重老化。

3 結(jié)束語

本文以隨橋電纜及通道狀態(tài)特征數(shù)據(jù)分析為基礎(chǔ),構(gòu)建隨橋電纜及通道運行監(jiān)控數(shù)據(jù)標準化模型及其處理方案, 通過多源狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的多維度綜合分析與融合, 建立隨橋電纜線路運行狀態(tài)分級與決策支持模型, 實現(xiàn)隨橋電纜運行可靠性評價及運維管控決策。

(1) 電纜及通道多源數(shù)據(jù)融合, 研究并建立適用于狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理流程與技術(shù), 形成標準化海量數(shù)據(jù)處理方法與要求, 最終通過選取合理的數(shù)據(jù)聚合模型建立了基于多維信息聚合的電纜通道運行監(jiān)控數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

(2) 針對狀態(tài)診斷、狀態(tài)預(yù)測、故障分析、風險評估、可靠性及老化評價等多個狀態(tài)數(shù)據(jù)分析環(huán)節(jié), 研究確立合理的數(shù)據(jù)分析模型及組合應(yīng)用方法,實現(xiàn)基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的狀態(tài)特征數(shù)據(jù)綜合分析與診斷方法, 最終建立電纜線路運行狀態(tài)分級與決策支持模型, 實現(xiàn)對電纜線路的狀態(tài)精益化管理。

綜上所述, 橋纜及通道多源數(shù)據(jù)融合和運維決策技術(shù)的應(yīng)用, 可以有效地提高橋纜及通道的安全運營水平, 保障城市交通的暢通和居民的生活質(zhì)量。