城市轨道交通供电设备状态评估研究及其应用

徐钦炜 吕利民 张俊强 王亚东 李岩

摘 要 针对城市轨道交通供电设备计划维修模式逐渐暴露出维修不足和维修过剩的问题，以及设备的老化和失效无法实现在线监测的现状，本文采取多种方式对多种设备的状态数据进行统计、分析，形成城市轨道交通供电系统设备性能的状态评估和服役寿命的预测，在保证城市轨道交通供电系统可靠运行的基础上，为城市轨道交通供电系统设备的维修策略提供可行性建议，改善目前城市轨道交通供电系统的检修模式。

【关键词】城市轨道交通 供电设备 状态评估 寿命预测

近年来，城市轨道交通成为解决我国现代城市交通拥堵问题的主要工具之一，在我国快速发展。而供电系统是城市轨道交通系统的重要组成部分，其运行可靠性和安全性直接关系到整个系统的正常运行。随着轨道交通进入网络化运营阶段，供电设备的运行维修决策问题也越来越突出，当前供电设备采用的计划维修模式逐渐暴露出维修不足和维修过剩的问题。以城市轨道交通供电设备可靠性和安全性为中心的状态维修模式充分考虑供电系统设备的运行可靠性因素，成为供电设备维修决策的重要考虑方向。

针对不同类型的供电设备，监测其一次状态信息，结合既有系统的数据和检测试验数据，利用科学的数据挖掘方法，掌握供电设备状态的关键参数，研究运用不同的方法建立供电设备健康状态评价模型，开发集合设备状态评价、设备剩余寿命预估、设备故障率预测以及设备维修策略建议等功能于一体的设备状态评估系统，改善目前城市轨道交通供电系统的检修模式，具有大范围推广的价值。

1 供电设备状态评价原理

城市轨道交通供电系统设备包括110KV GIS、33KV GIS、油浸式变压器、干式变压器、交联电缆、直联电缆、直流开关柜、低压开关柜等，设备种类较多，进行设备状态评价时采用的评价原理也存在差异。但基本原理都是通过各种输入量确定设备的关键参数，运用科学的方法，建立供电设备的健康状态模型、寿命预估模型、可靠性模型，分别评判设备的健康状态、剩余寿命和故障率。本文以油浸式变压器为例，介绍设备状态评价的原理。

1.1 计算绕组热点温度

油浸式变压器绕组热点温度是指绕组中最热的那个点，通常在该点的绝缘老化速率最快，由于该点的位置不便确定，因此需要通过估算的方法进行计算。油浸式变压器绕组热点温度可以以负载率和环境温度作为输入量，以油顶层温度相对于环境温度的温升、热点温度相对于油顶层温度的温升以及加权环境温度为输出量：

1.1.1 油顶层温度相对于环境温度的温升ΔΘTO

其中，ΔΘTO，R为额定负载下顶层油的温升；τTO为油的时间常数；ΔΘTO，U为最终时刻的油温升，ΔΘTO，i为起始时刻的油温升；K为负载率，即油浸式变压器实际电流与额定电流的比值，其中KU为最终时刻的负载率，Ki为起始时刻的负载率；R为额定负荷损耗与空载损耗的比值；x为油指数。

1.1.2 热点温度相对于油顶层温度的温升ΔΘH

其中，ΔΘH，U 为绕组热点相对于顶层油的最终温升；ΔΘH，R为额定负荷下热点温度与顶部油温之差；K 为负载率，即油浸式变压器实际电流与额定电流的比值；y 为绕组指数。

1.2 计算等效运行时间

油浸式变压器的绝缘寿命是指在变压器绝缘材料温度给定的情况下，从绝缘材料投入使用到发生电气故障所经历的总时间。绝缘材料老化和时间及温度的关系服从阿伦尼乌斯反应原理。在服役时间T内，变压器可能运行在不同的条件下。将服役期T划分为n个区间t1， t2，…， tn，并认为每个区间ti的绕组热点温度（℃）θH （ti）保持恒定。因此油浸式变压器服役期T内总的绝缘寿命损失：

计算出等效运行时间，即可得到油浸式变压器的寿命损失量和剩余寿命。

1.3 计算靶心度健康指数

灰靶理论是灰评估和灰决策理论，需要在没有标准模式的情况下设定一个灰靶，通过灰靶变换找到靶心，然后将待评估状态与靶心进行比较计算靶心度，通过靶心度来判断油浸式变压器所处的状态等级。用靶心度来衡量油浸式变压器的健康指数。首先计算靶心系数：

其中，ρ为分辨系数，ρ∈[0，1]；Δ0i（k） 表示待评估序列ωi与靶心ω0之间的灰关联差异信息。然后可得到序列ωi的靶心度：

其中，qK为各靶心系数的权值。

将油浸式变压器状态分为正常、轻度故障、中度故障以及严重故障四个等级，对应的靶心度范围分别为[0.6，1]，[0.5，0.6），[0.4，0.5），[0.33，0.4）。另外假设正常状态对应的健康指数范围为[0.6，1]，轻度故障（预警）状态对应的健康指数范围为[0.4，0.6]，中度故障（异常）状态对应的健康指数范围为[0.2，0.4]，嚴重故障（警示）状态对应的健康指数范围为[0，0，2]。油浸式变压器健康指数HI和靶心度γ之间满足分段线性关系：

基于油浸式变压器的等效运行时间和健康指数HI，利用阿伦尼乌斯定律和威布尔分布法，得到油浸式变压器的故障率预测结果。

2 供电设备状态评估系统的主要功能

2.1 数据获取

供电系统设备较多，每种设备的有效数据分别来自不同的地方。设备的一次状态数据通过增加传感器实时监测获取；设备的运行数据由现有的供电自动化系统共享获取；设备的检测试验数据由供电系统定期的检测试验共享获取；设备的基础信息数据由设备出厂资料信息化获取。

一次状态数据包括：设备运行温度、压力、微水含量等；电缆的表皮温度；设备局部放电量、放电次数。

设备的运行数据包括：设备的电流、电压、功率因素、有功功率、无功功率、设备位置状态、故障报警信息等。

设备基础信息和检验数据包括：设备出厂检验数据、设备型式试验报告、设备铭牌数据、设备巡检记录、设备故障检修报告、设备定期实验报告等。

2.2 数据存储

由于获取的数据种类众多、数据海量、数据格式差异较大，为保证数据库能够有序存储数据、快速检索数据，所以采用统一的数据命名规则，对所有数据进行梳理、重命名后，利用可配置压缩精度的分段压缩手段将数据存储到数据库中。同时利用内置历史缓存和历史预读功能，提高数据库的数据检索和数据统计能力。

2.3 功能规划

供电设备状态评估系统对系统的功能结构进行了详细的规划，确保用户在使用系统时能够有良好的体验，如图1所示。

3 系统设计

根据上述的设备的健康状态、剩余寿命和故障率计算原理，结合供电设备状态评估系统功能结构，设计开发城市轨道交通供电设备状态评估系统。

在供电设备状态评估系统中可以看到整条线路、整个站点所有设备的状态信息概况、设备状态占比。如图2所示。

同时，对设备状态评估结果的颜色进行了规划，有利于用户对设备状态评估结果进行识别。

如图3所示，系统也可以查看具体设备基础信息、运行状态、设备的剩余寿命、设备的预计故障率、设备的评价打分状态以及辅助的设备维修策略。用户可以很清晰地了解设备运行状态以及结合设备运行状态制定高效的维修计划。

4 结语

本文利用运用阿伦尼乌斯定律、加权灰靶理论、威布尔分布法、模糊层次分析法、联合电热应力模型等，设计开发的城市轨道交通供电设备状态评估系统，具有完整的设备状态评估、设备寿命预测、故障率预测等功能，可为供电设备的维修策略提供可行性建议，有助于改善目前城市轨道交通供电系统以计划检修为主的检修模式。且随着智能算法应用的深入以及设备数据的不断积累，该系统的模型还可以进行优化修正，以便实现设备状态评估达到更高的预测精度。

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作者单位

1.广州地铁集团有限公司 广东省广州市 510000

2.廣州白云电器设备股份有限公司 广东省广州市 510000