郭德龍 段宏偉 徐維甲 徐 杰 張明銳

(1.上海地鐵維護(hù)保障有限公司供電分公司, 201016, 上海; 2.同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院, 201804, 上海)

在城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)中,直流斷路器是保障列車供電安全的最后一道防線。對直流斷路器運行情況進(jìn)行可靠性綜合評價分析,進(jìn)而提出合理的維保策略是提升運維能力的重要發(fā)展方向。

當(dāng)前國內(nèi)外學(xué)者提出了大量的牽引供電系統(tǒng)中直流斷路器可靠性評價和狀態(tài)評估方法。文獻(xiàn)[1]采用突變級數(shù),從設(shè)備狀態(tài)突變的角度全面考慮影響高壓斷路器狀態(tài)的因素。文獻(xiàn)[2]檢測斷路器機械振動信號,用小波分解和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了機械狀態(tài)監(jiān)測和診斷。文獻(xiàn)[3]以熵-突變級數(shù)法為基礎(chǔ),依據(jù)云模型進(jìn)行斷路器健康指標(biāo)模糊化,充分考慮了指標(biāo)量的隨機性和模糊性。此外還有學(xué)者采用競爭失效[4]、馬爾科夫模型[5]及雷達(dá)圖法[6]等來評估直流斷路器健康狀態(tài)。

為全面、直觀地對直流斷路器的健康狀態(tài)進(jìn)行評估,本文綜合考慮直流斷路器健康狀態(tài),提出了一種基于健康指數(shù)的健康評估模型。通過評估設(shè)備多特征參數(shù)對運行性能的影響,綜合考慮特征參數(shù)間的均衡性,計算得到設(shè)備綜合健康指數(shù);在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步擬合健康指數(shù)隨運行時間的變化趨勢,評估設(shè)備未來健康狀態(tài)并預(yù)測其退役時間節(jié)點,從而提高設(shè)備在運行過程中的穩(wěn)定性和可靠性。

1 直流斷路器健康指標(biāo)

直流斷路器的健康評估受多種狀態(tài)量的影響,不僅有容易測量的定量信息(如絕緣電阻、合分閘時間等),還有難以量化的定性信息(如外觀、磨損情況等)。這些狀態(tài)量從不同方面及程度上反映了斷路器的實時健康狀態(tài)。此外,直流斷路器運行環(huán)境及維保情況都在一定程度上反映并影響著斷路器健康狀態(tài)。因此,有必要對這些狀態(tài)量進(jìn)行全面、準(zhǔn)確的描述、分類和匯總,并建立完善的狀態(tài)評估指標(biāo)體系。通過該指標(biāo)體系的應(yīng)用,可以對斷路器的健康狀況進(jìn)行定量評估和監(jiān)測,以便及時采取必要的維修或替換措施,確保斷路器的正常運行。

指標(biāo)不足會導(dǎo)致狀態(tài)評估結(jié)果失真,指標(biāo)冗余又會增加評估復(fù)雜程度。因此,本文從基本參數(shù)、運行環(huán)境、運行試驗指標(biāo)、部件可靠性及不良工況等五個方面,綜合考慮直流斷路器日常運行與維護(hù)過程,對直流斷路器進(jìn)行健康狀態(tài)評價。

基本參數(shù)狀態(tài)為設(shè)備靜態(tài)履歷,通過設(shè)備的工作時間、設(shè)計壽命等關(guān)鍵參數(shù)記錄設(shè)備的歷史信息,從而推斷一段時間后設(shè)備的功能狀況和可靠性水平。設(shè)備動態(tài)履歷基于設(shè)備在實際運行中所處的工況條件,對靜態(tài)履歷進(jìn)行修正和調(diào)整。依據(jù)設(shè)備運行記錄、故障記錄及維修記錄分析對設(shè)備性能的影響,通過動態(tài)履歷的記錄和分析,可以修正設(shè)備靜態(tài)履歷,從而得到基本健康狀態(tài)參數(shù)。

運行環(huán)境信息包括溫度、濕度及污染度(如粉塵、污穢等),這些環(huán)境因素對斷路器的可靠性和穩(wěn)定性都具有潛在的影響。溫度影響著絕緣材料及塑料材料的壽命;濕度過高會造成凝露,容易引起端子排短路現(xiàn)象,進(jìn)而導(dǎo)致信號誤報、斷路器誤動作;過高的污染度會導(dǎo)致斷路器絕緣發(fā)生擊穿,使得設(shè)備的可靠性受到影響。

運行試驗參數(shù)分為主回路絕緣電阻、分/合閘時間、主回路直流電阻及觸頭溫升。通過對這些運行試驗參數(shù)的檢測和評估,可以有效地了解斷路器的絕緣狀態(tài)、機械特性和觸頭接觸情況。根據(jù)評估結(jié)果,可以及時采取措施,如維修、調(diào)整或更換斷路器等,以確保其正常運行和地鐵設(shè)備安全。

部件可靠性考慮二次回路元件、繼電保護(hù)裝置、端子排二次電纜及變送器等部件狀態(tài)。這些部件的狀態(tài)和性能對直流斷路器的可靠運行起著重要作用。在部件可靠性評估中,主要檢查部件是否存在物理損傷、接觸不良、精度下降等問題,從而保證部件的準(zhǔn)確性和可靠性。

直流斷路器的不良工況主要是由開斷電流所引起,較高的短路電流會引發(fā)電流沖擊,可能導(dǎo)致設(shè)備過熱、電弧爆炸等問題。因此根據(jù)造成的危害程度和發(fā)生頻率,對存在的開短路電流和過量操作進(jìn)行評估。

綜上所述,建立直流斷路器健康狀態(tài)評估體系,如表1所示。

表1 直流斷路器健康狀態(tài)評估體系

對于不同類型的數(shù)據(jù)指標(biāo)采用梯形分布策略進(jìn)行指標(biāo)初始化。其中,對于某些難以具體量化的指標(biāo)如環(huán)境污染度、部件可靠性等,由于相關(guān)指標(biāo)難以通過測量或試驗得到具體數(shù)值,并且缺乏具體的評分標(biāo)準(zhǔn),可通過采用借鑒實際運行人員的經(jīng)驗或多位專家用區(qū)間打分法等多種打分評價法確定。

2 基于健康指數(shù)的健康評估模型

2.1 健康指數(shù)與設(shè)備狀態(tài)的關(guān)系

設(shè)備健康指數(shù)是衡量和表征設(shè)備健康狀態(tài)的量化數(shù)值,其含義為:在一定條件下,描述待評估設(shè)備在預(yù)定的條件、時刻或者時間區(qū)間里,處于可執(zhí)行規(guī)定功能狀態(tài)的能力。對直流斷路器而言,是在規(guī)定的條件和時間內(nèi),能夠保持一定可靠性和維修性水平并穩(wěn)定、持續(xù)完成預(yù)定功能的能力。健康指數(shù)理論將現(xiàn)場設(shè)備的實時狀態(tài)數(shù)據(jù)按照一定數(shù)學(xué)規(guī)則進(jìn)行組合,得到評價設(shè)備狀況的實時健康指數(shù)。利用健康指數(shù)對斷路器健康水平進(jìn)行評估,不僅將斷路器的狀態(tài)從簡單的“很好”“一般”和“差”等較為模糊的評估概念中脫離,而且可以靈活、可靠、全面地從多種角度進(jìn)行量化數(shù)值的綜合性分析計算,能為設(shè)備檢修計劃的制定提供堅實有效的數(shù)據(jù)支撐與理論依據(jù),為綜合衡量設(shè)備運行狀況、健康等級和使用壽命等提供一個新視角和新維度。

通過綜合分析與設(shè)備運行狀態(tài)相關(guān)的諸多影響指標(biāo)參數(shù),得到體現(xiàn)健康狀態(tài)的量化數(shù)值即為設(shè)備的健康指數(shù)。設(shè)備健康指數(shù)的取值范圍在0到1之間,其越接近1表明設(shè)備的健康狀態(tài)越好,反之,越接近0表明設(shè)備的健康狀態(tài)越差。

2.2 直流斷路器綜合健康指數(shù)

直流斷路器的健康狀況通過基本參數(shù)、運行環(huán)境、運行試驗指標(biāo)、部件可靠性及不良工況等五個方面進(jìn)行綜合評價,因此直流斷路器的綜合健康指數(shù)也是由上述評估參量共同作用的結(jié)果。為了求取斷路器的綜合健康指數(shù),在分項健康指數(shù)的基礎(chǔ)上采取加權(quán)方法得到最終指標(biāo)。綜合健康指數(shù)獲取的基本流程為:先利用三級指標(biāo)求取對應(yīng)二級指標(biāo)評估值,再利用二級指標(biāo)求取對應(yīng)一級指標(biāo)評估值,最后利用一級指標(biāo)求取直流斷路器綜合健康狀態(tài)評估值,并根據(jù)不良工況進(jìn)行修正。計算公式為:

(1)

式中:

HI——斷路器健康指數(shù);

k——不良工況修正系數(shù);

n——斷路器分項指標(biāo)個數(shù);

HIi——斷路器分項指標(biāo)健康指數(shù);

wi——斷路器分項指標(biāo)權(quán)重。

2.3 分項指標(biāo)組合權(quán)重

權(quán)重的確定對于計算斷路器設(shè)備健康指數(shù)至關(guān)重要。權(quán)重值反映了每個特征參數(shù)影響設(shè)備運行狀態(tài)的重要程度,合理的權(quán)重分配是準(zhǔn)確評估設(shè)備運行狀態(tài)的基礎(chǔ)。層次分析法是一種將定性分析和定量分析相結(jié)合的分析方法,常用于分析確定權(quán)重系數(shù)的問題。層次分析法權(quán)重的相關(guān)計算公式參見文獻(xiàn)[7]。

由于層次分析法分配權(quán)重受主觀任意性的影響,其結(jié)果過于依賴專家經(jīng)驗知識。為盡量排除主觀因素的影響,利用依據(jù)客觀數(shù)據(jù)的熵權(quán)法重新組合權(quán)重。熵權(quán)法是基于特征參數(shù)的變異程度,通過信息熵得到各特征參數(shù)的熵權(quán),進(jìn)而獲取各特征參數(shù)權(quán)重的方法。某項指標(biāo)的差異越大,熵權(quán)越小,表明該指標(biāo)提供的信息量越大,在評價中所起作用越大,權(quán)值就越大。熵權(quán)法的具體計算公式參見文獻(xiàn)[3]。

為使主觀權(quán)重與客觀權(quán)重盡可能接近以達(dá)到主觀和客觀的統(tǒng)一,需對斷路器分項指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行改善,從而得到對應(yīng)的各分項指標(biāo)組合權(quán)重wizh,其計算公式為:

(2)

式中:

wia——分項指標(biāo)主觀權(quán)重;

wib——分項指標(biāo)客觀權(quán)重;

wizh——分項指標(biāo)組合權(quán)重。

根據(jù)式(2)對斷路器各分項指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行優(yōu)化后,實現(xiàn)各分項指標(biāo)權(quán)重計算過程的公正及主客觀內(nèi)在統(tǒng)一,從而保證設(shè)備健康狀態(tài)評價結(jié)果真實、科學(xué)、可信。

2.4 擬合壽命模型

隨著設(shè)備運行時間的增加,設(shè)備健康狀態(tài)一般遵循指數(shù)形式的退化,故基于設(shè)備投運以來的歷史健康數(shù)據(jù),擬合設(shè)備壽命模型為:

HI=a-becT

(3)

式中:

a、b、c——模型擬合參數(shù);

T——設(shè)備運行時間。

現(xiàn)實中,大多數(shù)設(shè)備隨著運行時間的增加,設(shè)備的性能會逐漸變差,從而導(dǎo)致設(shè)備健康狀態(tài)降低。因此斷路器健康指數(shù)從初始值1逐漸減小,表明其健康狀態(tài)正在逐步退化;直到某一時間健康指數(shù)將達(dá)到臨界值,表明該設(shè)備需要維護(hù)或退役。依據(jù)設(shè)備每年健康狀態(tài)值和運行年限的健康狀態(tài)集合,可以擬合并建立設(shè)備壽命模型。對于設(shè)備的剩余使用壽命,在相同的設(shè)備使用環(huán)境與維保情況下,可以通過壽命模型進(jìn)行求解,從而制定更為科學(xué)合理的維修保養(yǎng)策略,進(jìn)一步保障直流斷路器設(shè)備健康穩(wěn)定運行。

3 實例分析

為了驗證基于健康指數(shù)的直流斷路器狀態(tài)評估模型的科學(xué)性與可行性,本文基于某牽引變電站運行數(shù)據(jù)進(jìn)行實例分析。

基于層次分析法對斷路器特性層建立評估矩陣P1如下:

(4)

在此基礎(chǔ)上,依據(jù)層次分析法求解特性層間權(quán)重w1=[0.48 0.26 0.14 0.12],符合一致性檢驗。

3.1 基本參數(shù)健康評估

設(shè)備靜態(tài)履歷依據(jù)電力設(shè)備的健康狀態(tài)經(jīng)驗,計算設(shè)備使用時間與健康狀態(tài)之間的聯(lián)系。計算公式為:

1-Hjt=(1-H0)eB(T2-T1)

(5)

式中:

T2——斷路器設(shè)計壽命;

H0——初始健康狀態(tài);

T1——現(xiàn)運行時間;

Hjt——靜態(tài)履歷健康狀態(tài)值;

B——老化系數(shù)。

依據(jù)設(shè)備設(shè)計壽命及退役健康狀態(tài)計算可得Hjt為0.800。

設(shè)備動態(tài)履歷是參照斷路器運行記錄、故障記錄和維修記錄對靜態(tài)履歷健康狀態(tài)值Hjt進(jìn)行修正而得到的。相關(guān)修正系數(shù)取值如表2所示,修正系數(shù)計算公式為:

ka=k11k12k13

(6)

表2 直流斷路器動態(tài)履歷

式中:

ka、k11、k12、k13——動態(tài)履歷、運行記錄、故障記錄、維修記錄修正系數(shù)。

計算得到斷路器基本參數(shù)的健康指數(shù)HI1為0.807。

3.2 運行試驗參數(shù)健康評估

同樣建立運行試驗參數(shù)的評估矩陣P2。

(7)

求取其主觀權(quán)重為[0.38 0.12 0.08 0.160.26],其結(jié)果滿足一致性檢驗。斷路器運行試驗數(shù)據(jù)如表3所示,參照熵權(quán)法求取其客觀權(quán)重為[0.10 0.42 0.34 0.06 0.08]。

表3 直流斷路器運行試驗數(shù)據(jù)

將客觀權(quán)重與主觀權(quán)重依據(jù)式(2)進(jìn)行結(jié)合,可以求得組合權(quán)重w2zh=[0.26 0.34 0.190.07 0.14]。五項指標(biāo)得分分別為97分、90分、95分、89分和87分,可計算斷路器運行試驗參數(shù)健康指數(shù)HI2為0.922。

3.3 運行環(huán)境和部件可靠性參數(shù)健康評估

同樣分別建立運行環(huán)境和部件可靠性的判斷矩陣P3、P4:

(8)

(9)

求解運行環(huán)境指標(biāo)層權(quán)重w3=[0.30 0.16 0.54],部件可靠性指標(biāo)層權(quán)重w4=[0.14 0.10 0.26 0.46],均滿足一致性檢驗。

根據(jù)實際檢測數(shù)據(jù),參照運行人員工作經(jīng)驗與專家建議,斷路器運行環(huán)境各因素(溫度、濕度及污染度)得分分別為94分、92分及100分,部件可靠性各因素(二次回路元件、端子排二次電纜、繼電保護(hù)裝置及變送器)得分分別為89分、92分、99分及94分。由此可以計算得到運行環(huán)境的健康指數(shù)HI3為0.969,部件可靠性參數(shù)的健康指數(shù)HI4為0.943。

3.4 不良工況修正

直流斷路器兩類不良工況統(tǒng)計如表4所示。設(shè)備不良工況的整體修正系數(shù)計算公式為:

k=k1k2

(10)

式中:

k1——開短路電流修正系數(shù);

k2——過量操作修正系數(shù)。

依據(jù)表4所示不良工況記錄,計算k為0.94。

表4 直流斷路器不良工況記錄

根據(jù)式(1)可以得到該斷路器最終的健康指數(shù)HI為0.823。

3.5 剩余壽命計算

依據(jù)上述步驟,采用相同方法對直流斷路器歷年健康狀態(tài)值進(jìn)行計算,結(jié)果如表5所示。

表5 直流斷路器歷年健康指數(shù)

在此基礎(chǔ)上對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真擬合,得到直流斷路器壽命模型如圖1所示。擬合后所得到的斷路器運行年限的健康狀態(tài)曲線為HI=1.017-0.061 84e0.138 8T。

圖1 直流斷路器壽命模型

由此可以計算出,當(dāng)斷路器臨近退役健康狀態(tài)值0.2時,運行時間為22.7年。依據(jù)當(dāng)前斷路器的使用強度可判斷,該直流斷路器的剩余壽命約為10.7年。

4 結(jié)語

本文采用健康指數(shù)描述并量化直流斷路器設(shè)備健康狀況,建立直流斷路器狀態(tài)評估模型。首先合理選擇評估指標(biāo)建立設(shè)備運行狀態(tài)評估體系;其次將層次分析法與熵權(quán)法相結(jié)合重新確定各分項特征指標(biāo)的組合權(quán)重,從而計算表征設(shè)備運行狀態(tài)的綜合健康指數(shù);最后建立壽命模型來描述設(shè)備綜合健康指數(shù)隨運行時間的退化情況,并通過擬合歷史數(shù)據(jù)預(yù)測設(shè)備未來健康狀態(tài)和剩余使用壽命,以便提前對設(shè)備進(jìn)行維護(hù)。實例驗證了直流斷路器狀態(tài)評估模型的有效性。

本文提出的直流斷路器狀態(tài)評估模型充分考慮了狀態(tài)檢測指標(biāo)的科學(xué)性,實現(xiàn)了評估計算過程的主客觀統(tǒng)一,可以對設(shè)備剩余使用壽命進(jìn)行預(yù)測。該模型具有一定的實用性和可行性,能夠推廣運用至地鐵其他直流設(shè)備的狀態(tài)評估過程中,可為制定相關(guān)牽引供電設(shè)備維保策略提供理論依據(jù)和參考。