配電變壓器并行檢測模型及其關(guān)鍵技術(shù)研究

李 星，呂奮飛，陳令英，云玉新，張緒輝

（1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003；2.國網(wǎng)山東省電力公司德州供電公司，山東 德州 254300；3.山東電力研究院，山東 濟(jì)南 250003）

0 引言

配電變壓器（簡稱“配變”）是電力系統(tǒng)廣泛使用的一類電氣設(shè)備，主要用于35 kV以下配電網(wǎng)的電壓電流變換和電能傳遞。隨著我國城鄉(xiāng)配電網(wǎng)的改造升級，配變的性能質(zhì)量成為電網(wǎng)可靠性關(guān)鍵因素。然而，部分變壓器存在制造工藝問題，導(dǎo)致配變運(yùn)行中發(fā)生著火、爆炸、燒毀等質(zhì)量問題［1-2］，嚴(yán)重影響了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。近年來，國家電網(wǎng)有限公司為加強(qiáng)質(zhì)量源頭管控，大力開展配變抽檢。

傳統(tǒng)的配變檢測主要以手動檢測和人工判斷為主，檢測效率低下，人力成本高，檢測結(jié)果易受人工誤判影響。近年來，隨著集成化檢測裝置的研發(fā)［3-4］以及自動化運(yùn)輸設(shè)備的使用［5-6］，人工成本和運(yùn)輸成本大為縮減，已經(jīng)具備了配變的批量化檢測條件。然而，隨著上述檢測模式的應(yīng)用，又出現(xiàn)了檢測資源的利用率低、運(yùn)輸中轉(zhuǎn)時間長等問題。當(dāng)前關(guān)于配變檢測的研究涉及配變現(xiàn)場檢測技術(shù)研究分析［7］、變壓器智能化試驗(yàn)平臺研究［8］以及配變的在線監(jiān)測技術(shù)優(yōu)化［9］等。上述研究主要是針對單一配變檢測本身，并沒有針對配變批量化檢測模式以及批量化檢測存在的問題進(jìn)行探討。

針對配變批量化檢測，提出一種基于流水線和多任務(wù)的配變并行檢測模型。同時，針對并行化帶來的檢測資源共享這一問題，通過優(yōu)化資源分配、任務(wù)調(diào)度等方法加以解決，提出了資源優(yōu)化配置方法及并行檢測任務(wù)調(diào)度算法。結(jié)果表明，優(yōu)化后的檢測模型相對于優(yōu)化前在檢測效率和資源利用率上均有較大程度提升。

1 配變并行檢測模型

國家電網(wǎng)有限公司已經(jīng)持續(xù)多年推進(jìn)物資質(zhì)量檢測能力標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，大多數(shù)的省級檢測中心、地市檢測中心都已經(jīng)具備了配變批量化檢測檢測模式，只是在設(shè)備類型、數(shù)量上有所差別。

1.1 智能檢測工廠

配變的批量化檢測模式稱為智能檢測工廠，其內(nèi)涵主要包括軟硬件資源和工作流程兩方面。

一體化管控平臺、自動化倉儲系統(tǒng)、智能化運(yùn)輸系統(tǒng)和集成化檢測裝置共同構(gòu)成了智能檢測工廠的軟硬件資源，如圖1所示。

其中，一體化管控平臺是軟件系統(tǒng)，負(fù)責(zé)檢測任務(wù)和檢測資源的統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)任務(wù)調(diào)度、出入庫、狀態(tài)查詢、報告生成等功能。自動化倉儲系統(tǒng)包括立體倉庫和地面緩沖區(qū)，負(fù)責(zé)樣品的存儲和出入庫。智能化運(yùn)輸系統(tǒng)包括AGV 叉車和接駁平臺，負(fù)責(zé)樣品的接駁運(yùn)輸。集成化檢測裝置包括各種類型的檢測工位，負(fù)責(zé)完成具體的試驗(yàn)項(xiàng)目。四個系統(tǒng)通過無線網(wǎng)絡(luò)互連互通，實(shí)現(xiàn)檢測流程的一體化管控。

同時，對檢測工作流程進(jìn)行固化。以任務(wù)流轉(zhuǎn)為主線，智能檢測工廠的工作流程可劃分為收樣入庫、任務(wù)下發(fā)、檢定出庫、接駁運(yùn)輸、工位試驗(yàn)、接駁運(yùn)輸、檢定入庫、退樣出庫8個步驟，如表1所示。

智能檢測工廠可以實(shí)現(xiàn)配變批量化檢測。進(jìn)一步，借鑒計算機(jī)科學(xué)中的“指令流水線”和“多線程”的概念，將檢測項(xiàng)目合理分類以實(shí)現(xiàn)檢測流水線，將檢測工位按需求擴(kuò)充以實(shí)現(xiàn)多任務(wù)并發(fā)執(zhí)行。

圖1 智能檢測工廠模式

表1 智能檢測工廠工作流程

1.2 檢測流水線設(shè)計

計算機(jī)科學(xué)中的流水線技術(shù)是一種將每條指令分解為多步，并讓各步操作重疊，從而實(shí)現(xiàn)幾條指令并行處理的技術(shù)。為提高檢測效率，采用流水線思想，將整個檢測過程劃分為若干道工序，每道工序設(shè)置一個集成式檢測工位，不同工序/工位差異化配置檢測設(shè)備，完成特定的某幾個試驗(yàn)項(xiàng)目，從而構(gòu)成檢測流水線。國家電網(wǎng)有限公司要求的配變檢測項(xiàng)目多達(dá)17 種，如果每個項(xiàng)目都單獨(dú)設(shè)置檢測工位和單一設(shè)備，會增大運(yùn)輸時間和拆接線時間，反而降低檢測效率。

17個檢測項(xiàng)目按照各自特點(diǎn)，可分為常規(guī)項(xiàng)目、屏蔽項(xiàng)目、溫升項(xiàng)目、沖擊項(xiàng)目四大類，每一類項(xiàng)目設(shè)置一個集成式檢測工位，各工位的分類依據(jù)和項(xiàng)目如表2所示。

表2 檢測工位分類情況

配變按順序依次進(jìn)行常規(guī)項(xiàng)目（P1）、屏蔽項(xiàng)目（P2）、溫升項(xiàng)目（P3）、沖擊項(xiàng)目（P4）4道工序，即可完成全部試驗(yàn)項(xiàng)目。

分析8 個檢測任務(wù)通過流水線執(zhí)行的情況，若假設(shè)每個流水線工序所用時間相同，檢測任務(wù)流水線如圖2所示。

圖2 檢測任務(wù)流水線

使用流水線吞吐率T和效率E兩個指標(biāo)衡量流水線性能。T為單位時間內(nèi)完成的檢測任務(wù)數(shù)量，用于衡量流水線檢測總體能力；E為流水線中工作時空區(qū)除以總的時空區(qū)，用于衡量流水線資源利用情況。相應(yīng)公式為

式中：N為總?cè)蝿?wù)數(shù)；L為時鐘周期數(shù)；Δt為每個時鐘周期的時間；M為流水線工序數(shù)；S為總的時空區(qū)數(shù)量。具體到上述8 個檢測任務(wù)，則N=8，Δt=1。不使用流水線，完成全部8 臺檢測任務(wù)，每個任務(wù)需要4道工序，每道工序需要1個時鐘周期，共需要32個時鐘周期，此時T=8/32=1/4，E=4×8/（8×4×8）=1/8；使用流水線，由圖2可知，僅需要11個時鐘周期就能完成全部檢測任務(wù)，此時T=8/11，E=8×4/（8×11）=4/11。可知使用流水線執(zhí)行后，吞吐率和利用率均得到提升。

1.3 多任務(wù)并發(fā)執(zhí)行

流水線可以實(shí)現(xiàn)任務(wù)間的部分重疊，更進(jìn)一步，類比CPU 中的多核多線程，將檢測資源按一定規(guī)律擴(kuò)充，即可實(shí)現(xiàn)任務(wù)間的完全重疊，進(jìn)一步提高任務(wù)并行水平。假設(shè)各類檢測工位同時增加一倍，則多任務(wù)并發(fā)執(zhí)行的流水線如圖3所示。

圖3 并行流水線

可知，完成全部8個檢測任務(wù)只需要7個時鐘周期。此時，T=8/7，E=（4×4）/（4×7）=4/7，相比于單條流水線，T和E都顯著提高。

以上都是在理想情況下得出的結(jié)論，實(shí)際情況往往復(fù)雜很多。

首先，各工序（P1、P2、P3、P4）所用的時間不同。國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了每個檢測項(xiàng)目所需的時間，例如溫升項(xiàng)目耗時較長。

其次，并非每個任務(wù)都要經(jīng)歷完整的4道工序?，F(xiàn)實(shí)中配變要做哪幾個項(xiàng)目是由需求決定的，通常常規(guī)項(xiàng)目和溫升項(xiàng)目需求較多，而屏蔽和沖擊項(xiàng)目則相對較少。

所以，實(shí)際情況下，各檢測工位不需要等比例配置，等比例反而會造成資源浪費(fèi)。

1.4 并行檢測模型

智能檢測工廠、流水線執(zhí)行、多任務(wù)并發(fā)共同構(gòu)成了配變并行檢測模型。其中，智能檢測工廠是前提，流水線執(zhí)行、多任務(wù)并發(fā)是手段，如圖4所示。

圖4 配變并行檢測模型

2 檢測資源優(yōu)化配置

2.1 資源配置比例

為得到檢測資源初始化配置最優(yōu)比例，須將檢測資源與使用程度進(jìn)行匹配。從流水線時空圖分析，各工序檢測資源的使用程度取決于該工序出現(xiàn)的頻率及需要的時間。

實(shí)際上，P1、P2、P3、P4所需的實(shí)際檢測時間分別為4 h、3 h、8 h、2 h。根據(jù)管控平臺中的歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，可以得到各工序出現(xiàn)的頻率。假設(shè)各工序出現(xiàn)的頻率分別為r1，r2，r3，r4。那么四種工位的數(shù)量配比理論上應(yīng)為

根據(jù)實(shí)際情況取整。

2.2 共享資源競爭

由于多任務(wù)并發(fā)執(zhí)行，各檢測工位都成為共享資源，可以被任一任務(wù)使用。在同一時間段內(nèi)，當(dāng)空閑的檢測工位數(shù)小于任務(wù)數(shù)時，部分任務(wù)由于缺少檢測資源而無法繼續(xù)進(jìn)行，任務(wù)被暫時掛起，如圖5所示。

圖5中，4個并行任務(wù)A、B、C、D均完成了常規(guī)項(xiàng)目，將要進(jìn)行溫升試驗(yàn)。此時，空閑溫升工位數(shù)量為3，小于任務(wù)數(shù)量4。任務(wù)A、B、C 順利進(jìn)入溫升工位，將當(dāng)前常規(guī)工位1、2、3釋放。任務(wù)D由于找不到空閑的溫升工位，只能先掛起，此時常規(guī)工位4 就會被任務(wù)D長時間占用。

圖5 任務(wù)掛起

因此，在并行檢測模型下進(jìn)行任務(wù)調(diào)度時，須綜合考慮資源初始配比、資源共享和競爭等問題，保證整體高效運(yùn)轉(zhuǎn)。

3 并行檢測任務(wù)調(diào)度算法

為解決以上問題，對傳統(tǒng)流水線調(diào)度策略進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計了并行檢測任務(wù)調(diào)度算法。

3.1 緩沖區(qū)設(shè)立

設(shè)立物理緩沖區(qū)，用于臨時存放處于掛起狀態(tài)任務(wù)的樣品，釋放該檢測工位。如圖5 所示，由于常規(guī)工位4 被任務(wù)D 長時間占用，為避免資源浪費(fèi)，先將任務(wù)D 掛起，將D 的樣品運(yùn)到物理緩沖器，從而將常規(guī)工位4釋放。

3.2 最短路徑規(guī)劃

樣品在工位—立庫以及工位間流轉(zhuǎn)需要運(yùn)輸系統(tǒng)發(fā)揮作用，運(yùn)輸效率是決定整體檢測效率的關(guān)鍵因素。任務(wù)下達(dá)后，運(yùn)輸系統(tǒng)開始工作。流水線上每完成一道工序，樣品都要運(yùn)輸流轉(zhuǎn)，運(yùn)輸時間不可忽視。運(yùn)輸可分為三種情況，如表3 所示。可知，從立庫到工位用時顯著大于從緩沖區(qū)到工位以及從工位到工位。通過設(shè)立緩沖區(qū)，可以有效縮短運(yùn)輸路徑，通過規(guī)劃最短運(yùn)輸路徑，可以提高整體運(yùn)轉(zhuǎn)效率。

表3 運(yùn)輸類型及時間 單位：min

3.3 基于三隊(duì)列的任務(wù)調(diào)度

為保證流水線高效運(yùn)轉(zhuǎn)，節(jié)約運(yùn)輸時間，結(jié)合初始化資源配置、資源共享、物理緩沖區(qū)和最短路徑規(guī)劃，設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了三個邏輯隊(duì)列的并行檢測任務(wù)調(diào)度算法。

設(shè)計“檢測任務(wù)”這一數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，包含樣品信息、試驗(yàn)項(xiàng)目、任務(wù)狀態(tài)三個元素。“樣品信息”中包含樣品參數(shù)及樣品當(dāng)前位置；“試驗(yàn)項(xiàng)目”中包含了該樣品所需進(jìn)行的全部試驗(yàn)項(xiàng)目以及當(dāng)前正在進(jìn)行的試驗(yàn)項(xiàng)目；“任務(wù)狀態(tài)”包括新建、運(yùn)行、掛起三種狀態(tài)。

設(shè)計三個任務(wù)隊(duì)列，分別為新建隊(duì)列、運(yùn)行隊(duì)列和掛起隊(duì)列。相對應(yīng)的任務(wù)狀態(tài)分別為新建、運(yùn)行、掛起。通過三個隊(duì)列實(shí)現(xiàn)并行任務(wù)調(diào)度，利用物理緩沖區(qū)實(shí)現(xiàn)樣品的預(yù)運(yùn)輸。并行檢測任務(wù)調(diào)度如圖6所示。具體的算法步驟如表4所示。

圖6 并行檢測任務(wù)調(diào)度

4 現(xiàn)場試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)設(shè)置

試驗(yàn)在山東某物資質(zhì)量檢測中心進(jìn)行。試驗(yàn)場所滿足智能檢測工廠要求，配有多個集成式檢測工位、2 臺AGV 叉車、7 層自動化立體倉庫以及一體化管控平臺。一體化管控平臺與各子系統(tǒng)通過無線網(wǎng)絡(luò)連接。選取待檢配變樣品共40臺，其中20臺需要進(jìn)行全部四類項(xiàng)目，另外20 臺僅進(jìn)行常規(guī)和溫升項(xiàng)目。受場地限制，現(xiàn)場最多只能布置16個工位。

表4 基于三隊(duì)列的并行任務(wù)調(diào)度算法

根據(jù)試驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置，可計算出常規(guī)、屏蔽、溫升、沖擊四類項(xiàng)目的頻率分別為：r1=40/40=1，r2=20/40=0.5，r3=40/40=1，r4=20/40=0.5。優(yōu)化前各類檢測工位數(shù)量相等，分別為n（P1）=n（P2）=n（P3）=n（P4）=4。由式（3）可得，優(yōu)化后檢測工位數(shù)量配比應(yīng)滿足n（P1）∶n（P2）∶n（P3）∶n（P4）=4r1∶3r2∶8r3∶2r4=4∶1.5∶8∶1。受場地限制，取整后n（P1）=4，n（P2）=2，n（P3）=8，n（P4）=2。由于初始并發(fā)水平為4，設(shè)緩沖區(qū)數(shù)量為4。并行檢測模型優(yōu)化前后的特征差異詳見表5。

表5 并行檢測模型優(yōu)化前后條件差異

4.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

優(yōu)化前后各檢測工位的資源利用率如表6所示。

表6 優(yōu)化前后工位資源利用率

由表6 可知，優(yōu)化后常規(guī)工位利用率基本持平，溫度工位利用率略有下降，而屏蔽工位和沖擊工位的利用率顯著提升。這說明優(yōu)化前屏蔽和沖擊工位配置過多，溫升工位嚴(yán)重短缺，優(yōu)化后各工位配置更為合理，總體資源利用率顯著提升。

優(yōu)化前后的運(yùn)輸時間分別為t1=40.5 h，t2=24.6 h。優(yōu)化前后完成全部檢測任務(wù)的總耗時分別為T1=122 h，T2=96 h。優(yōu)化前后并行檢測模型性能對比詳見表7。

表7 優(yōu)化前后的性能比較

結(jié)果表明，優(yōu)化后檢測工位利用率提升27.5%，運(yùn)輸時間節(jié)省了39.3%，即有效運(yùn)輸距離縮短了39.3%，符合最短路徑的設(shè)計思想。完成全部檢測任務(wù)的總耗時縮短了21.3%，反之整體檢測效率提升了27.1%。

5 結(jié)語

總結(jié)當(dāng)前主流的配變檢測模式，在“智能檢測工廠”基礎(chǔ)上，引入“并行化”概念，應(yīng)用了流水線執(zhí)行以及多任務(wù)并發(fā)兩種并行方法，設(shè)計出配變并行檢測模型，并針對資源共享問題進(jìn)行優(yōu)化。

優(yōu)化后的模型相比于優(yōu)化前，共同點(diǎn)是優(yōu)化前后都可進(jìn)行并行檢測。不同點(diǎn)在于：優(yōu)化前不存在檢測資源共享，優(yōu)化后存在檢測資源共享；優(yōu)化前不存在緩沖區(qū)，優(yōu)化后存在緩沖區(qū)；優(yōu)化前是通用的任務(wù)調(diào)度算法，優(yōu)化后是三隊(duì)列調(diào)度算法。

試驗(yàn)證明，優(yōu)化后的并行檢測模型在檢測資源利用率、運(yùn)輸距離以及整體檢測效率方面均有顯著提升，適用于智能檢測工廠模式。