荀 華，韓建春

（內(nèi)蒙古電力科學研究院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010020）

0 引言

隨著信息化在電網(wǎng)安全生產(chǎn)工作中的深化應用，生產(chǎn)管理的智能化水平得到不斷提高，“ERP 系統(tǒng)”、“生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)”、“可靠性系統(tǒng)”等多種信息化管理系統(tǒng)在生產(chǎn)中發(fā)揮重要作用。2019 年國家電網(wǎng)首次提出“泛在電力物聯(lián)網(wǎng)”的概念[1]，即充分應用移動互聯(lián)、人工智能等現(xiàn)代信息技術和先進通信技術，實現(xiàn)電力系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)萬物互聯(lián)、人機交互，為電網(wǎng)安全經(jīng)濟運行、提高經(jīng)營績效、改善服務質(zhì)量，以及培育發(fā)展戰(zhàn)略性新產(chǎn)業(yè)，提供強有力的數(shù)據(jù)資源支撐。隨后各電力企業(yè)圍繞泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的戰(zhàn)略目標，紛紛開展試點建設工作。

內(nèi)蒙古電網(wǎng)在依托現(xiàn)有“生產(chǎn)系統(tǒng)”、“物質(zhì)基礎”、“智能電網(wǎng)”基礎等條件，秉承節(jié)約建設思想，利用大數(shù)據(jù)之間的交互，開展對已有項目的深化，加強數(shù)據(jù)交互，提高數(shù)據(jù)的應用價值；而泛在電力物聯(lián)網(wǎng)融合了移動互聯(lián)、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云技術、人工智能等當代先進技術[2]，有效解決了電力系統(tǒng)發(fā)電、輸電、變電、配電、用電間的智能聯(lián)動問題，更能充分展示電網(wǎng)的獨特優(yōu)勢，為開拓數(shù)字經(jīng)濟、打造新業(yè)務、拓展新市場提供增長動能[3]。

為有效提高電網(wǎng)各管理系統(tǒng)之間的信息交互和數(shù)據(jù)集聯(lián)應用水平，提升設備全壽命周期的精益化管理水平，同時為了降低設備全壽命周期成本，提高設備綜合利用水平，開展基于“泛在電力物聯(lián)網(wǎng)”的設備全壽命周期管理的研究至關重要。

1 概念解析

1.1 泛在

“泛在”Ubiquitous 源自拉丁語，意為廣泛存在，無論是時間還是空間，二維還是三維，無論微觀還是宏觀，在任何時間任何地點無處不在。

1.2 泛在物聯(lián)

“泛在物聯(lián)”是指任何時間、任何地點、任何人、任何物之間的信息連接和交互，將電力用戶及其設備、電網(wǎng)企業(yè)及其設備、發(fā)電企業(yè)及其設備、供應商及其設備，以及人和物連接起來，產(chǎn)生共享數(shù)據(jù)，為用戶、電網(wǎng)、發(fā)電、供應商和社會服務。

1.3 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)

“泛在電力物聯(lián)網(wǎng)”是指圍繞電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸電、變電、用電各環(huán)節(jié)，充分應用傳感技術、移動互聯(lián)、人工智能等現(xiàn)代信息技術、先進通信技術，實現(xiàn)電力設備、人機交互、決策定位等的互聯(lián)互通[4-6]，具有狀態(tài)全面感知、信息高效處理、應用便捷靈活特征的智慧服務網(wǎng)絡。

1.4 設備全壽命周期

“設備全壽命周期”在考慮到設備陳舊老化期和經(jīng)濟磨損期的條件下，能正常發(fā)揮功能的設備壽命長度。設備的壽命通常是進行更新和改造的重要決策依據(jù)。設備更新改造通常是從設備經(jīng)濟壽命來考慮，為提高產(chǎn)品質(zhì)量，延長設備的技術壽命、經(jīng)濟壽命，促進產(chǎn)品升級換代，節(jié)約能源為目的而進行的。設備的全生命周期管理應該貫穿設備使用壽命的全過程，主要是指從設備的采購到設備淘汰、報廢的整個過程中對設備實施的必要的、全面合理的管理和監(jiān)控，大體分為采購、運行、維護、故障、維修/技改和報廢/轉讓6個階段。設備全壽命周期管理如圖1所示。

圖1 設備全壽命周期管理

“泛在電力物聯(lián)網(wǎng)”和“全壽命周期”概念的釋義是為了更好地理解與契合實際應用與理論的關系，開展對設備全壽命管理的發(fā)展模式的研究。

2 設備物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)現(xiàn)狀

涉及設備物聯(lián)網(wǎng)管理的主要是生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)和ERP 資產(chǎn)管理系統(tǒng)。生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)是一個龐大的系統(tǒng)，除了監(jiān)督管理電網(wǎng)安全、設備安全的主系統(tǒng)外，還包含很多對設備狀態(tài)進行精確評價的輔助系統(tǒng)，如狀態(tài)檢修輔助決策系統(tǒng)、在線監(jiān)測系統(tǒng)、可靠性系統(tǒng)、精確評價系統(tǒng)以及智能預警系統(tǒng)等；另外還有對購買設備的需求、購買、報廢進行管理的ERP 資產(chǎn)管理系統(tǒng)，而設備的運行維護工作由生產(chǎn)管理系統(tǒng)進行工單管理，但對運維過程中的費用一般由生產(chǎn)統(tǒng)一處理，在設備的全壽命管理過程中沒有留痕，也無法在設備退出運行時進行經(jīng)濟效益的分析。下面對各系統(tǒng)的情況作一個簡單說明。

2.1 繁雜的生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)

生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)是對設備日常運維工作的信息化管理，減少紙質(zhì)辦公，縮短信息交互時間，提高工作效率，減輕工作量，更好的完善了設備的運行、檢修、試驗等信息，建立設備信息檔案，形成生產(chǎn)信息大數(shù)據(jù)庫。

2.1.1 狀態(tài)檢修輔助決策系統(tǒng)

狀態(tài)檢修輔助決策系統(tǒng)是2010 年在狀態(tài)檢修的大趨勢下基于公司生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)開發(fā)建設，系統(tǒng)包括：設備基礎臺賬信息、技術參數(shù)、試驗信息、檢修信息、缺陷信息和不良工況信息以及設備維修或檢修決策的制定等信息，這些信息形成了多維度設備大數(shù)據(jù)庫。利用這些關鍵信息量進行狀態(tài)檢修評價時，設備生產(chǎn)數(shù)據(jù)都會自動關聯(lián)，利用權重指標分析法、設備狀態(tài)評價導則進行設備狀態(tài)評價，對評價結果進行專家審核，形成設備真實準確的狀態(tài)結果，對異常設備故障及時進行預警分析，并依據(jù)檢修導則定制檢修策略，開展狀態(tài)檢修，有助于保障設備正常運行、預防故障，然后利用設備狀態(tài)和設備檢修情況合理編制公司未來的停電檢修計劃，提前安排，實現(xiàn)了設備的應修必修，避免了過度維修，節(jié)約生產(chǎn)成本，延長了設備檢修周期，確保了設備的安全生產(chǎn)運行。

2.1.2 在線監(jiān)測主站系統(tǒng)

在線監(jiān)測主站系統(tǒng)是2012 年建設的，按照變電和輸電線路建設了兩套系統(tǒng)，且在線監(jiān)測主站系統(tǒng)均是以計算機、通訊設備、測控單元為基本工具，實現(xiàn)重要輸變電設備狀態(tài)和關鍵運行環(huán)境的實時監(jiān)測，并對監(jiān)測數(shù)據(jù)開展建模、分析、診斷、評估和預測，為電網(wǎng)大生產(chǎn)系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)采集、設備狀態(tài)監(jiān)測及遠程控制提供了標準化的監(jiān)測數(shù)據(jù)平臺；它可以和檢測、控制設備構成任意復雜的監(jiān)控系統(tǒng)，在電網(wǎng)監(jiān)控中發(fā)揮核心作用，可以幫助電網(wǎng)企業(yè)減少數(shù)據(jù)孤島、降低運行成本，提高生產(chǎn)效率，加快輸變電過程中異常狀況的反應速度。該系統(tǒng)的正常運行對基礎數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)囊蠛芨撸谶\行過程中由于部分在線監(jiān)測廠家的設備精度和要求不達標，導致部分數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r效性不強，數(shù)據(jù)的準確性不足，需要后期進行整改。

2.1.3 其他輔助管理系統(tǒng)

除了以上管理系統(tǒng)外，公司還建立了其他輔助管理系統(tǒng)，如：基于大數(shù)據(jù)管理的電力設備狀態(tài)智能預警系統(tǒng)，依靠成熟的故障機理、決策樹和專家推理故障診斷進行變壓器和斷路器的精確評價系統(tǒng)，利用多通道高端局放帶電檢測技術開展的電纜精確評價系統(tǒng)，基于設備可靠性的抗短路評估系統(tǒng)，囊括系統(tǒng)異常事件、非計劃停運等情況指標的輸變電可靠性管理系統(tǒng)，以及其他針對各類設備的精確評價系統(tǒng)，這些系統(tǒng)可以有效保障電網(wǎng)設備的安全經(jīng)濟運行。

2.2 單一的ERP資產(chǎn)管理系統(tǒng)

ERP資產(chǎn)管理系統(tǒng)是利用信息管理模式，建立設備從購買到報廢的資產(chǎn)管理，包含設備價值、型號、廠家等信息，實現(xiàn)資產(chǎn)設備信息化，是集物質(zhì)資源、資金資源和信息資源為一體的的管理體系。該系統(tǒng)是一個獨立的系統(tǒng)，一般只在對設備提出需求、購買、報廢這三個環(huán)節(jié)時應用，部分設備的大修費用會以工單方式在ERP系統(tǒng)走流程，其他環(huán)節(jié)在生產(chǎn)管理系統(tǒng)中進行。

2.3 分散的管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)現(xiàn)狀

電網(wǎng)生產(chǎn)設備多樣，系統(tǒng)龐大，資產(chǎn)復雜，成本變動響應時間長、頻度高、協(xié)同數(shù)量大、流程環(huán)節(jié)多邊。由于生產(chǎn)管理方式或關注點不同，電網(wǎng)存在很多不同的管理系統(tǒng)，雖然在各獨立系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)是交互的，但各系統(tǒng)之間是相互獨立的，且存在網(wǎng)口不同，接入方式不同，人員權限不同，設備類型不同，服務對象不同等問題，系統(tǒng)與系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)沒有關聯(lián)性也不存在交互性，即各個系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)屬于孤島數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)對于整個電網(wǎng)而言非常具有價值，特別是數(shù)據(jù)在決策中的價值，各個系統(tǒng)的統(tǒng)籌應用、綜合管理，讓數(shù)據(jù)相互支撐，相互應證，是電網(wǎng)安全生產(chǎn)和設備全壽命周期健康精確管理的基礎，只有在能源互聯(lián)網(wǎng)的大格局下，利用云構架，使用“泛在物聯(lián)網(wǎng)”達成數(shù)據(jù)集聯(lián)應用，各系統(tǒng)相互關聯(lián)，才能實現(xiàn)系統(tǒng)設備的一個閉環(huán)管理。為了實現(xiàn)這一目的，初步研究建立基于“泛在電力物聯(lián)網(wǎng)”的設備全壽命精確管理體系，這樣在現(xiàn)有設備與系統(tǒng)的基礎上，只需要打通系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的壁壘，拓展系統(tǒng)功能，就可以實現(xiàn)這一管理模式的建設。

3 基于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的設備全壽命周期管理建設的初步研究

3.1 全壽命管理總體框架設計

根據(jù)國家電網(wǎng)《泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設大綱》[7]的原則，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設可分為應用層、平臺層、網(wǎng)絡層和感知層四個層次，并對堅強智能電網(wǎng)與泛在電力物聯(lián)網(wǎng)之間的協(xié)同發(fā)展進行深入剖析。

應用層是利用互聯(lián)互通的信息網(wǎng)絡平臺，通過對輸變電設備相關各個維度數(shù)據(jù)的高度融合實現(xiàn)電網(wǎng)公司對內(nèi)、對外業(yè)務的支撐，解決數(shù)據(jù)存儲、檢索、使用、挖掘和保密等問題，這是輸變電設備泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設的實施平臺。

平臺層是通過整合電力生產(chǎn)數(shù)據(jù)、運維數(shù)據(jù)和管理數(shù)據(jù)，挖掘數(shù)據(jù)價值，形成輸變電設備物聯(lián)網(wǎng)管理的應用平臺，具備大規(guī)模大數(shù)據(jù)物聯(lián)統(tǒng)一管理能力和高效處理能力，為輸變電設備泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的建設提供了可靠精準的算法模型。

網(wǎng)絡層是通過互聯(lián)網(wǎng)、通訊網(wǎng)等基礎網(wǎng)絡設施，用于實現(xiàn)感知層與平臺層間廣域范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)接入和傳輸，為輸變電設備泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的建設提供安全快捷的網(wǎng)絡通道。

感知層是由不同的物聯(lián)網(wǎng)傳感器、控制器、軟件應用程序和本地通信網(wǎng)絡組成，將電力生產(chǎn)、傳輸、消費等數(shù)以萬計的設備和系統(tǒng)連接起來，用于實現(xiàn)設備狀態(tài)信息、管理流程、電網(wǎng)調(diào)度數(shù)據(jù)等信息的采集、匯聚和數(shù)據(jù)的就地或遠程處理，是輸變電設備泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的建設的信息采集層，可以實現(xiàn)對電網(wǎng)數(shù)據(jù)的精準采集。輸變電設備泛在物聯(lián)網(wǎng)建設總體架構如表1所示。

表1 輸變電設備泛在物聯(lián)網(wǎng)建設總體架構

3.2 全壽命管理體系建設方案

設備壽命包括物理壽命、技術壽命和經(jīng)濟壽命。物理壽命是由設備的電氣性能和機械性能決定；技術壽命取決于設計，由人為經(jīng)驗確定；經(jīng)濟壽命是基于設備的生存信息、投入產(chǎn)出、經(jīng)濟效益決定設備的退役壽命，也是成本分析所預測的最佳退役年限。設備的全壽命周期就是由物理壽命、技術壽命和經(jīng)濟壽命聯(lián)合決定的，故全壽命周期管理體系的建設就要綜合考量相關因素。

設備的全壽命周期管理體系的建設實現(xiàn)方式：首先要從設備的購買發(fā)起，提出設備需求，購買的設備在ERP系統(tǒng)進行資產(chǎn)登記，在生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)對設備的基礎臺賬、出廠、安裝、調(diào)試等數(shù)據(jù)信息進行備案，投入運行后，利用生產(chǎn)管理系統(tǒng)對設備的運行情況進行監(jiān)督、監(jiān)控、運維、評價確保設備健康運行，同時在設備運行過程中，對設備出現(xiàn)的缺陷、故障等問題進行檢修、改造等信息進行多維度大數(shù)據(jù)庫的建設。通過建立設備狀態(tài)評估模型，抽取對設備安全運行有影響的參數(shù)進行設備狀態(tài)的預測分析，對設備運行情況進行評估，對于異常狀態(tài)的給予維護或檢修，并把投入資金與ERP系統(tǒng)關聯(lián)，通過考慮前期經(jīng)濟投入和運行過程中的經(jīng)濟投入，對設備停運造成的后果進行評估分析，對比設備檢修與設備殘值情況，對設備的可檢修性進行經(jīng)濟性評估分析確定設備是否檢修，確保設備檢修費用的合理性，如果進行檢修則維修成本計入設備全壽命周期的資產(chǎn)管理體系中，直到設備退出系統(tǒng)報廢再對設備全壽命周期的運行情況和資產(chǎn)情況進行分析，得出設備役齡現(xiàn)值函數(shù)、全壽命年等值成本隨役齡的變化趨勢，最終綜合各類計算結果推算出年度檢修成本預期、中斷成本預期，給出年度運行成本預期，結合故障率預測給出檢修策略、修理項目建議、預估經(jīng)濟投入，達到設備長壽命、少維修的目的，還可以實現(xiàn)選擇優(yōu)質(zhì)廠家優(yōu)質(zhì)設備的目的，達到設備在系統(tǒng)中的最優(yōu)化使用，長遠來看對設備精益化運維、項目集約計劃控制、資產(chǎn)全壽命管理具有重要意義。設備全壽命周期管理體系如圖2所示。

圖2 設備全壽命周期管理體系

3.3 示例推演

根據(jù)對變壓器運行的研究分析顯示，變壓器壽命周期可大致分為五個階段。第一階段為制造、運輸、安裝階段，變壓器投運前，為一次性投入，數(shù)量較大；第二階段為運行第一年，主要進行首檢和例行維護；第三階段為運行2 至10 年為穩(wěn)定運行期，故障率低，經(jīng)濟性高，修理次數(shù)少，運行投入低；第四階段為運行10 至20 年，故障率攀升期，該階段經(jīng)濟性下降，投入升高；第五階段為運行20 年以后，運行接近經(jīng)濟壽命，此時繼續(xù)投入使用已經(jīng)不經(jīng)濟，則對變壓器進行退役，更換。

以某油浸式變壓器為例，從設備購置出廠，設備的型號、廠家、設備購置費用、安裝運輸、交接驗收等費用已經(jīng)全部在ERP 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中備案，設備投入運行相關設備的技術參數(shù)、設備投運時間、安裝地點、各類試驗信息（出廠、交接、預防、例行）等都會在生產(chǎn)運行管理系統(tǒng)中存檔，同時運行期間各類試驗、維護、修理費用也會在ERP 系統(tǒng)記錄。當設備再次存在缺陷或故障時，結合設備的狀態(tài)進行評價，按照評價結果確定檢修策略，一般A 類檢修費用大約25 萬元，B類檢修費用15 萬元，C 類檢修5 萬元，結合生產(chǎn)管理的安全要求，考慮對生產(chǎn)的影響、安全后果、停電后果、維修成本等利用故障可能性進行設備安全運行分析，依據(jù)ERP 系統(tǒng)設備殘值、設備運行年限經(jīng)濟性指標等信息綜合分析設備是否進行維修，并確定檢修策略，當決策為不值得維修，開始進行設備的報廢流程，直至報廢結束，變壓器的全壽命周期管理也就實現(xiàn)了閉環(huán)，通過對設備運行狀況以及全壽命周期的管理可以建立基于設備使用的經(jīng)濟壽命預測分析，這樣也實現(xiàn)設備全壽命周期內(nèi)的電網(wǎng)安全、費用最經(jīng)濟、設備綜合能效最高的目的。

4 結語

通過基于“泛在電力物聯(lián)網(wǎng)”的設備全壽命周期管理體系的建設，內(nèi)蒙古電網(wǎng)實現(xiàn)了生產(chǎn)管理系統(tǒng)各類軟件之間的信息交互和應用互聯(lián)，提高了設備數(shù)據(jù)信息交互，同時利用大數(shù)據(jù)判斷設備的經(jīng)濟效益，提高了設備的精益化管理水平，促進電力數(shù)據(jù)資產(chǎn)的增值，便于開展數(shù)字信息化的應用和開展大數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)集聯(lián)應用，縮短數(shù)據(jù)交互時間，同時降低設備全壽命周期成本，提高設備綜合利用水平，特別是為“泛在電力物聯(lián)網(wǎng)”在現(xiàn)有條件下的建設提供了可行的理論支撐。