基于功效系数法的电力电子实验室设备量化管理

张 政，毛健琨，谢 帆，张 波，丘东元，陈艳峰

(华南理工大学 电力学院，广州 510640)

0 引 言

电力电子实验室是基于电力电子与电力传动学科，面向国家能源、电力和交通的战略需求，重点解决电力电子与电力传动领域的重大应用基础理论和战略高技术问题的科研平台[1-2]。电力电子实验室的建设与管理在科研和人才培养体系中占据着核心地位，而实验设备的管理尤为重要[3-6]。文献[7-9]中阐述了从系统的方面加强实验室设备管理的重要性，文献[10-11]中就如何提高实验设备利用率做出了探索性工作，文献[12-14]中结合现代化信息技术，研究了实验室设备的智能化管理模式，文献[15]中讨论了高校实验技术人员在设备采购中的作用。而就电力电子实验室设备的管理研究现状来看，学者们主要集中在实验室管理制度建设和电力电子实验教学改革的定性讨论上，从管理的层面上对实验设备的全面介绍和对其使用情况进行量化建模分析鲜有研究[16-19]。因此，本文详细介绍了电力电子实验室常用设备的种类和特点，分析了目前设备管理存在的主要问题，并提出和实践了一种电力电子实验室设备的量化管理方法。

1 电力电子实验室的常用设备

全面认识实验设备并熟知其功能特点是电力电子实验室建设与管理的必要条件。结合目前鲜有电力电子实验室设备介绍的现状，详细阐述电力电子实验室常用设备的种类和特点，对电力电子实验室的建设、管理和设备的购置具有重要意义。

1.1 设备分类

电力电子实验室常用设备种类丰富，功能齐全。根据其功能特点的不同，可以分为以下几种主要类型：

(1) 电源类。交、直流电源，射频电源，函数信号发生器等；

(2) 探头类。电流探头，电压隔离探头等；

(3) 测量类。示波器，万用表，电桥，红外温度计，功率计等；

(4) 分析类。精密阻抗分析仪，矢量网络分析仪，环路分析仪，电源分析仪，电能质量分析仪等；

(5) 负载类。电阻负载，直流电子负载，交直流电子负载等；

(6) 焊接类。调温式焊台，热风机等；

(7) 机械类。钻孔机，小型切割机，液压钳等。

1.2 设备特点

电力电子实验设备除具有与大多数工科类实验设备的共性外，因其使用过程常伴随各种等级的电流、电压的特点，还应特别注意其电气参数和对使用环境的要求。此外，由于各类电力电子实验设备的功能不同，还具有其特定的特点。结合实验室建设管理过程中遇到的问题，选取以下几种主要设备介绍其特点。

(1) 直流电源。例如固玮GPS-X303C型多组输出直流电源，根据所需实验要求的不同可以接线为隔离或不隔离电源，其4通道输出的能力也不尽相同，实验中应选择合适的输出通道。此外，在购置电源设备时，应充分考虑实验所需的功率大小选择设备。

(2) 函数信号发生器。使用过程中要选择正确的输出波形，在购置时应特别注意设备的输出频率范围，避免设备无法满足实验要求的现象。

(3) 电流探头。量程和带宽是电流探头最重要的参数，根据实验要求，应合理选择以同时满足测量频率和电流放大倍数。此外，使用时还应注意其延迟时间与示波器匹配、禁止带载插拔、地线夹子可靠接地等问题。

(4) 电压隔离探头。实现高压输入侧与低压输出侧的隔离，选择最高测量电压和带宽应满足实验要求，实验中应选择合适的衰减比以便于读数，此外，地线夹子必须可靠接地。

(5) 示波器。电力电子实验室一般使用的是数字示波器，带宽是其最重要的一项参数，决定了示波器能够准确测量的最高频率，而采样率、输出通道、配套的探头等参数也应根据实验要求进行合理选择。用示波器测量不共地的不同电位时，应使用电压隔离探头。

(6) 功率计。购置功率计时主要关注其电压、电流量程，根据实验的要求又分为单相功率计和三相功率计。

(7) 精密阻抗分析仪。对压电器件进行阻抗等参数测量，应选择合适的测量频率范围购置。使用时，严禁带电测量，电容等储能器件的测量应先做放电处理。

(8) 矢量网络分析仪。利用傅立叶变换技术对测量数据进行数学处理，可将频域数据和时域数据进行相互转换。矢量网络分析仪应根据其频率范围、频率分辨率和测量范围进行选择。使用时还应严格区分75 Ω和50 Ω两种特性阻抗。

(9) 直流电子负载。根据测量需求设置功能、参数和工作模式，还应注意输入电压和负载电压相匹配。

2 设备管理存在的问题

随着科研的深入，实验室规模的扩大，实验设备的种类越来越多，管理的难度也变得更加复杂。尤其对于电力电子实验室而言，实验设备因其功能不同，需要有针对性的购置、管理。在我校电力学院“电力电子系统分析与控制团队”实验室的建设和运行管理中，虽然实验室制定了相应的制度及办法，但仍然存在以下几个主要问题。

2.1 责任意识淡薄

实验室采取设备借用与归还登记制，但常有人借用设备时不登记便随意使用，归还时担心承担责任而不写明设备的好坏情况，造成管理员无法及时维修故障设备，而其他同学借用该设备时无法使用等情况。另外，借还设备不按规定签字登记，管理员无法获得客观有效的实时统计数据，造成量化管理结果不准确，加大了管理难度。

2.2 设备使用不当

由于对实验设备和使用规程的不熟悉而造成设备损坏的事故时有发生。有些同学在实验时未能严格按照实验设备的使用规程操作设备，不仅造成实验无法正常进行，还影响了设备的精度和使用寿命。此外，设备使用完毕后没有及时维护保养，也加快了设备的损坏。

2.3 盲目购置设备

目前实验室设备管理方法普遍采取单一的借用、归还登记制度，只关注设备的日常使用情况，而没有利用这些登记表得到的统计数据进一步建立相关数学模型，从而对实验设备的使用进行量化分析，无法对实验设备的使用损耗、供需平衡等情况作出客观的评价，导致盲目购置增添设备，造成实验资源和科研经费的浪费等问题。

3 功效系数法和实验设备量化管理

量化管理，是一种从目标出发，使用科学、量化的手段进行组织体系设计和为具体工作建立标准的管理手段。为避免盲目购买实验设备，提高科研经费的使用效益，正确客观地评估各种实验设备的供需平衡问题意义重大。根据本实验室的管理过程中遇到的主要问题，探索并实践了一种基于功效系数法的实验设备量化管理方法。

3.1 功效系数法概述

功效系数法是根据多目标规划原理，对每一项评价指标确定一个满意值和不允许值，以满意值为上限，以不允许值为下限．以此确定各标准值，然后分别赋予功效系数，再经过加权平均进行综合，从而评价被研究对象的综合状况[20]。

本文主要对电力电子实验室的设备供需情况进行评估，故将功效系数法的一般模型进行改进，具体计算过程如下：

(1) 设置标准值的4个档次，分别是优秀(λi=80%～100%)、良好(λi=60%～80%)、一般(λi=20%～60%)、较差(λi=0%～20%)；

(2) 对4个档的标准值分别设置相对应的功效系数fi：0.8、0.6、0.4、0.2；

(3) 根据标准值和功效系数值计算各指标的分数：

(1)

(4) 根据各指标的分数和所占权重计算其综合评价指数：

(2)

3.2 评价指标的确定

结合电力电子实验室的特点，规定在有实验项目进行的过程中，且一个人一次只能借用一个实验台面的条件下，确定了设备使用率α、设备闲置率β、人均拥有率φ、实验台使用率δ等4个指标，并赋予各自权重。具体定义如下：

(1) 设备使用率α。某种实验仪器设备投入使用的过程中，被借出使用的总机时占投入使用的总时长的比例,即

α=(Tt/Ta)×100%

(3)

式中:Tt为被借出使用的总机时;Ta为投入使用的总时长。能够直接反映该种设备的使用需求程度，因此其权重取0.3。

(2) 设备闲置率β。某实验仪器设备的日均闲置数量占该种设备总数量的比例,即

β=(Sd/St)×100%

(4)

式中:Sd为日均闲置数量;St为该种设备的总数量。反映了该设备的保有量与实际需求的匹配关系，重要程度仅次于设备使用率，权重定为0.25。

(3) 人均拥有率φ。某实验仪器设备数量与实验台数量的比值,即

φ=(St/Qt)×100%

(5)

式中:St为该种设备的总数量;Qt为实验台数量。反映了实验设备的供应状态，决定了实验设备可被使用数的上限值，同样取权重为0.25。

(4) 实验台使用率δ。实验台日均使用数量占实验台总数量的比例,即

δ=(Qd/Qt)×100%

(6)

式中:Qd为实验台日均使用数量;Qt为实验台数量。反映了某设备在实验项目中被使用的概率的大小，取权重为0.2。

3.3 功效系数值的确定

考虑电力电子实验室的实际运行情况，定义需求类指标与功效系数值成正相关关系，供应类指标与功效系数值成反相关关系，可得各评价指标值对应的功效系数值，如表1所示。

表1 各指标值及其功效系数值

3.4 综合评价指数的确定

设待评估对象集为W=(P1,P2,…,Pn)，令Zi为评价指标Xi(i=1,2,…,m)的权重大小，Xij为第j个评估对象Pj对应于第i个评价指标Xi的功效系数值(i=1,2,…,m；j=1,2,…,n)。则第j个评价对象的综合评价指数为：

(7)

考虑该综合评价模型应用于实验室设备管理时，应根据实验室规模、工作量、实验仪器设备完整度来合理划分综合评价指数值所对应的评价标准。本文确立的综合评价指数R与实验设备供求匹配度η关系如表2所示。

3.5 电力电子实验室的量化管理实践与成效

自2018年9月起，将上述基于功效系数法的实验设备量化管理方法应用于华南理工大学电力学院“电力电子系统分析与控制团队”实验室，实验室现有主要公用设备如表3所示，选取了大功率直流电源、函数信号发生器、电流探头、电压隔离探头等4种典型公用电力电子实验设备作为研究对象，得到9、10两个月的使用数据如表4所示。

根据上述结果可得各设备的评价指标值如表5所示。

为了得到各评价对象的综合评价指数，首先需要对各评价指标对应的功效系数值进行归一化处理：

表3 实验室各类公用设备

表4 4种典型设备的使用数据

表5 各设备对应的评价指标值 %

(8)

结合表2、6和式(7)，可得各实验设备的综合评价指数和相应的供求匹配度，如表7所示。

可以看出，虽然大功率直流电源的供求匹配度为供<求，但从其综合评价指数来看，供不应求的情况不算严重，由于实验室有一台大功率直流电源正在维修，无法使用，因此该结果与实际情况十分吻合。而函数信号发生器的综合评价指数高达0.866，结果表现为严重供不应求，原因是实验室总共只有两台函数信号发生器，而函数信号发生器作为电力电子实验常用设备，必然会出现该局面。此外电流探头表现为供过于求，而电压隔离探头表现为供求平衡，这也与实验过程中同学们反馈的情况一致。

表6 各评价对象对应的功效系数值

表7 综合评价指数和评价结果

因此，上述基于功效系数法的实验设备量化管理方法能够真实客观地评价各实验设备的供需匹配情况。根据该方法可以更加有针对性的对电力电子实验室设备的购置和管理作出高效科学的决策，能大大提高实验室管理效率和综合效益。

4 结 语

电力电子实验室设备具有种类多、功能全、操作复杂等特点，对电力电子实验室的建设和设备管理提出了新的要求。本文基于电力电子实验室建设的角度，全面阐述了电力电子实验室常用设备的种类和特点，分析了当前设备管理存在的主要问题，并以我校电力学院“电力电子系统分析与控制团队”实验室为对象，探索并实践了一种电力电子实验室设备的量化管理方法。结果表明，本文提出的基于功效系数法的实验设备量化管理方法，能够客观地评价各实验设备的供需匹配情况，避免设备的盲目购置，有力提高科研资金的使用效益，为电力电子实验室的建设与设备管理提供有实用价值的建议。