基于健康指數的直流斷路器狀態評估模型

郭德龍 段宏偉 徐維甲 徐 杰 張明銳

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

在城市軌道交通牽引供電系統中,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行可靠性綜合評價分析,進而提出合理的維保策略是提升運維能力的重要發展方向。

當前國內外學者提出了大量的牽引供電系統中直流斷路器可靠性評價和狀態評估方法。文獻[1]采用突變級數,從設備狀態突變的角度全面考慮影響高壓斷路器狀態的因素。文獻[2]檢測斷路器機械振動信號,用小波分解和神經網絡實現了機械狀態監測和診斷。文獻[3]以熵-突變級數法為基礎,依據云模型進行斷路器健康指標模糊化,充分考慮了指標量的隨機性和模糊性。此外還有學者采用競爭失效[4]、馬爾科夫模型[5]及雷達圖法[6]等來評估直流斷路器健康狀態。

為全面、直觀地對直流斷路器的健康狀態進行評估,本文綜合考慮直流斷路器健康狀態,提出了一種基于健康指數的健康評估模型。通過評估設備多特征參數對運行性能的影響,綜合考慮特征參數間的均衡性,計算得到設備綜合健康指數;在此基礎上進一步擬合健康指數隨運行時間的變化趨勢,評估設備未來健康狀態并預測其退役時間節點,從而提高設備在運行過程中的穩定性和可靠性。

1 直流斷路器健康指標

直流斷路器的健康評估受多種狀態量的影響,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)。這些狀態量從不同方面及程度上反映了斷路器的實時健康狀態。此外,直流斷路器運行環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。因此,有必要對這些狀態量進行全面、準確的描述、分類和匯總,并建立完善的狀態評估指標體系。通過該指標體系的應用,可以對斷路器的健康狀況進行定量評估和監測,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。

指標不足會導致狀態評估結果失真,指標冗余又會增加評估復雜程度。因此,本文從基本參數、運行環境、運行試驗指標、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過程,對直流斷路器進行健康狀態評價。

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

運行環境信息包括溫度、濕度及污染度(如粉塵、污穢等),這些環境因素對斷路器的可靠性和穩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象,進而導致信號誤報、斷路器誤動作;過高的污染度會導致斷路器絕緣發生擊穿,使得設備的可靠性受到影響。

運行試驗參數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的檢測和評估,可以有效地了解斷路器的絕緣狀態、機械特性和觸頭接觸情況。根據評估結果,可以及時采取措施,如維修、調整或更換斷路器等,以確保其正常運行和地鐵設備安全。

部件可靠性考慮二次回路元件、繼電保護裝置、端子排二次電纜及變送器等部件狀態。這些部件的狀態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電流沖擊,可能導致設備過熱、電弧爆炸等問題。因此根據造成的危害程度和發生頻率,對存在的開短路電流和過量操作進行評估。

綜上所述,建立直流斷路器健康狀態評估體系,如表1所示。

表1 直流斷路器健康狀態評估體系

對于不同類型的數據指標采用梯形分布策略進行指標初始化。其中,對于某些難以具體量化的指標如環境污染度、部件可靠性等,由于相關指標難以通過測量或試驗得到具體數值,并且缺乏具體的評分標準,可通過采用借鑒實際運行人員的經驗或多位專家用區間打分法等多種打分評價法確定。

2 基于健康指數的健康評估模型

2.1 健康指數與設備狀態的關系

設備健康指數是衡量和表征設備健康狀態的量化數值,其含義為:在一定條件下,描述待評估設備在預定的條件、時刻或者時間區間里,處于可執行規定功能狀態的能力。對直流斷路器而言,是在規定的條件和時間內,能夠保持一定可靠性和維修性水平并穩定、持續完成預定功能的能力。健康指數理論將現場設備的實時狀態數據按照一定數學規則進行組合,得到評價設備狀況的實時健康指數。利用健康指數對斷路器健康水平進行評估,不僅將斷路器的狀態從簡單的“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行量化數值的綜合性分析計算,能為設備檢修計劃的制定提供堅實有效的數據支撐與理論依據,為綜合衡量設備運行狀況、健康等級和使用壽命等提供一個新視角和新維度。

通過綜合分析與設備運行狀態相關的諸多影響指標參數,得到體現健康狀態的量化數值即為設備的健康指數。設備健康指數的取值范圍在0到1之間,其越接近1表明設備的健康狀態越好,反之,越接近0表明設備的健康狀態越差。

2.2 直流斷路器綜合健康指數

直流斷路器的健康狀況通過基本參數、運行環境、運行試驗指標、部件可靠性及不良工況等五個方面進行綜合評價,因此直流斷路器的綜合健康指數也是由上述評估參量共同作用的結果。為了求取斷路器的綜合健康指數,在分項健康指數的基礎上采取加權方法得到最終指標。綜合健康指數獲取的基本流程為:先利用三級指標求取對應二級指標評估值,再利用二級指標求取對應一級指標評估值,最后利用一級指標求取直流斷路器綜合健康狀態評估值,并根據不良工況進行修正。計算公式為:

(1)

式中:

HI——斷路器健康指數;

k——不良工況修正系數;

n——斷路器分項指標個數;

HIi——斷路器分項指標健康指數;

wi——斷路器分項指標權重。

2.3 分項指標組合權重

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

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

為使主觀權重與客觀權重盡可能接近以達到主觀和客觀的統一,需對斷路器分項指標權重進行改善,從而得到對應的各分項指標組合權重wizh,其計算公式為:

(2)

式中:

wia——分項指標主觀權重;

wib——分項指標客觀權重;

wizh——分項指標組合權重。

根據式(2)對斷路器各分項指標權重進行優化后,實現各分項指標權重計算過程的公正及主客觀內在統一,從而保證設備健康狀態評價結果真實、科學、可信。

2.4 擬合壽命模型

隨著設備運行時間的增加,設備健康狀態一般遵循指數形式的退化,故基于設備投運以來的歷史健康數據,擬合設備壽命模型為:

HI=a-becT

(3)

式中:

a、b、c——模型擬合參數;

T——設備運行時間。

現實中,大多數設備隨著運行時間的增加,設備的性能會逐漸變差,從而導致設備健康狀態降低。因此斷路器健康指數從初始值1逐漸減小,表明其健康狀態正在逐步退化;直到某一時間健康指數將達到臨界值,表明該設備需要維護或退役。依據設備每年健康狀態值和運行年限的健康狀態集合,可以擬合并建立設備壽命模型。對于設備的剩余使用壽命,在相同的設備使用環境與維保情況下,可以通過壽命模型進行求解,從而制定更為科學合理的維修保養策略,進一步保障直流斷路器設備健康穩定運行。

3 實例分析

為了驗證基于健康指數的直流斷路器狀態評估模型的科學性與可行性,本文基于某牽引變電站運行數據進行實例分析。

基于層次分析法對斷路器特性層建立評估矩陣P1如下:

(4)

在此基礎上,依據層次分析法求解特性層間權重w1=[0.48 0.26 0.14 0.12],符合一致性檢驗。

3.1 基本參數健康評估

設備靜態履歷依據電力設備的健康狀態經驗,計算設備使用時間與健康狀態之間的聯系。計算公式為:

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

(5)

式中:

T2——斷路器設計壽命;

H0——初始健康狀態;

T1——現運行時間;

Hjt——靜態履歷健康狀態值;

B——老化系數。

依據設備設計壽命及退役健康狀態計算可得Hjt為0.800。

設備動態履歷是參照斷路器運行記錄、故障記錄和維修記錄對靜態履歷健康狀態值Hjt進行修正而得到的。相關修正系數取值如表2所示,修正系數計算公式為:

ka=k11k12k13

(6)

表2 直流斷路器動態履歷

式中:

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

計算得到斷路器基本參數的健康指數HI1為0.807。

3.2 運行試驗參數健康評估

同樣建立運行試驗參數的評估矩陣P2。

(7)

求取其主觀權重為[0.38 0.12 0.08 0.160.26],其結果滿足一致性檢驗。斷路器運行試驗數據如表3所示,參照熵權法求取其客觀權重為[0.10 0.42 0.34 0.06 0.08]。

表3 直流斷路器運行試驗數據

將客觀權重與主觀權重依據式(2)進行結合,可以求得組合權重w2zh=[0.26 0.34 0.190.07 0.14]。五項指標得分分別為97分、90分、95分、89分和87分,可計算斷路器運行試驗參數健康指數HI2為0.922。

3.3 運行環境和部件可靠性參數健康評估

同樣分別建立運行環境和部件可靠性的判斷矩陣P3、P4:

(8)

(9)

求解運行環境指標層權重w3=[0.30 0.16 0.54],部件可靠性指標層權重w4=[0.14 0.10 0.26 0.46],均滿足一致性檢驗。

根據實際檢測數據,參照運行人員工作經驗與專家建議,斷路器運行環境各因素(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境的健康指數HI3為0.969,部件可靠性參數的健康指數HI4為0.943。

3.4 不良工況修正

直流斷路器兩類不良工況統計如表4所示。設備不良工況的整體修正系數計算公式為:

k=k1k2

(10)

式中:

k1——開短路電流修正系數;

k2——過量操作修正系數。

依據表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

根據式(1)可以得到該斷路器最終的健康指數HI為0.823。

3.5 剩余壽命計算

依據上述步驟,采用相同方法對直流斷路器歷年健康狀態值進行計算,結果如表5所示。

表5 直流斷路器歷年健康指數

在此基礎上對相關數據進行仿真擬合,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,當斷路器臨近退役健康狀態值0.2時,運行時間為22.7年。依據當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 結語

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

本文提出的直流斷路器狀態評估模型充分考慮了狀態檢測指標的科學性,實現了評估計算過程的主客觀統一,可以對設備剩余使用壽命進行預測。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備的狀態評估過程中,可為制定相關牽引供電設備維保策略提供理論依據和參考。