劉子婷 姜良剛 馬玎 王新剛 施廣宇

摘要：依托于變壓器專業(yè)化巡檢和工廠化檢修的變壓器專業(yè)化檢修模式已經(jīng)成為適應(yīng)未來電網(wǎng)發(fā)展的必然方向，但是目前尚缺乏有效的專業(yè)管理抓手。本文設(shè)計了一套變壓器專業(yè)化檢修綜合管理系統(tǒng)軟件，基于多源數(shù)據(jù)融合進行數(shù)據(jù)分析，可及時發(fā)現(xiàn)變壓器潛在的故障及危險源，為運維人員提供檢修策略，實現(xiàn)變壓器專業(yè)化檢修作業(yè)全生命周期管理，大大提高了檢修工作效率以及數(shù)據(jù)的使用效率和信息化水平。

關(guān)鍵詞：多源數(shù)據(jù)融合；專業(yè)化檢修；狀態(tài)評估；全生命周期管理

中圖分類號：TM407 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）07-0171-04

1 引言

隨著我國能源和電力事業(yè)的蓬勃發(fā)展，電網(wǎng)規(guī)模的持續(xù)擴大，投入電力變壓器數(shù)量、容量逐年增加。電力變壓器作為電網(wǎng)的核心設(shè)備之一，其運行狀況直接影響著電力系統(tǒng)的安全性和可靠性。為保證變壓器及其組部件的安全、可靠、經(jīng)濟運行，對其運行狀態(tài)進行定期集中檢測和評估，然后統(tǒng)一實施維護或改造是非常必要的。依托于變壓器專業(yè)化巡檢和工廠化檢修的變壓器專業(yè)化檢修模式有利于提高變壓器檢修集約化運作，專業(yè)化管理，有效保證檢修的質(zhì)量，大幅度減少停電時間，提高可靠性指標(biāo)，降低設(shè)備檢修安全風(fēng)險，減少設(shè)備檢修成本，提高工作效率，已經(jīng)成為適應(yīng)未來電網(wǎng)發(fā)展的必然方向。[1]

目前，變壓器運維信息管理主要依托于現(xiàn)有的生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)（PMS）開展。但是，一方面，變壓器專業(yè)化檢修數(shù)據(jù)采集和整理工作量大，手動采集，人工錄入，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和時效性差，且檢修數(shù)據(jù)多以非結(jié)構(gòu)化的文檔、報告型式存儲，基于變壓器專業(yè)化檢修數(shù)據(jù)的診斷分析應(yīng)用難以有效開展，數(shù)據(jù)價值未能有效發(fā)揮；另一方面，變壓器專業(yè)化檢修作業(yè)流程管理松散，檢修任務(wù)管理缺乏管理抓手?，F(xiàn)有的PMS系統(tǒng)對變壓器專業(yè)化檢修的支撐力度不足。

在上述背景下，本文從如何構(gòu)建實用的變壓器專業(yè)化檢修綜合管理系統(tǒng)出發(fā)，介紹該系統(tǒng)的基本架構(gòu)和主要功能，并詳細介紹多源數(shù)據(jù)融合及狀態(tài)評估等關(guān)鍵技術(shù)與方法，其主要目的是為變壓器專業(yè)化檢修提供信息化管理手段，對變壓器專業(yè)化檢修業(yè)務(wù)的順利開展提供技術(shù)支撐。

2 系統(tǒng)設(shè)計

基于多源數(shù)據(jù)融合的變壓器專業(yè)化檢修綜合管理系統(tǒng)是集成多源數(shù)據(jù)、運行狀態(tài)評估、專業(yè)化檢修過程管控的綜合管理系統(tǒng)，可實現(xiàn)變壓器專業(yè)化檢修的多源數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析，得到相應(yīng)的狀態(tài)評估和故障診斷結(jié)果，制定合理的檢修策略，發(fā)布檢修作業(yè)計劃，管控檢修作業(yè)流程，建立從變壓器專業(yè)化巡檢到工廠化檢修作業(yè)全生命周期管控，提高變壓器專業(yè)化檢修的作業(yè)水平和效率，保證變壓器運行可靠性。

2.1 軟件架構(gòu)

基于多源數(shù)據(jù)融合的變壓器專業(yè)化檢修綜合管理系統(tǒng)的軟件架構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)采用嚴(yán)格的分層結(jié)構(gòu)設(shè)計，從成熟度、易擴展及高性能等方面考慮每層設(shè)計，系統(tǒng)自下而上依次為基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)源層、數(shù)據(jù)接口層、業(yè)務(wù)邏輯層、表示層。

基礎(chǔ)設(shè)施層主要包括支撐變壓器專業(yè)化檢修綜合管理系統(tǒng)運行所需的計算和存儲等資源，如計算機、中間件、數(shù)據(jù)庫、服務(wù)器及電力專網(wǎng)等。

數(shù)據(jù)源層為變壓器專業(yè)化檢修綜合管理系統(tǒng)接入所需數(shù)據(jù)來源，包括變壓器臺賬數(shù)據(jù)（額定容量、絕緣水平、冷卻、制造工藝、施工等）、預(yù)試數(shù)據(jù)（油色譜分析、工頻交流耐壓試驗、短路試驗等）、運行數(shù)據(jù)（油位、油溫、連接銅牌溫度、電流、電壓等）、以及有記錄的臨時性檢修數(shù)據(jù)、周期性檢修數(shù)據(jù)、事故數(shù)據(jù)等。

數(shù)據(jù)接口層根據(jù)數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)特征與實現(xiàn)特征，設(shè)計開發(fā)適配器，基于交互規(guī)約及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對其進行數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)加工處理，并分類為定性與定量數(shù)據(jù)，進而存入數(shù)據(jù)存儲層中。

數(shù)據(jù)存儲層存儲了經(jīng)數(shù)據(jù)接口處理得到的各種定性與定量數(shù)據(jù)，依托于基礎(chǔ)設(shè)施層，采用分布式文件系統(tǒng)、分布式關(guān)系型數(shù)據(jù)庫和列式數(shù)據(jù)庫等技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的海量規(guī)模存儲、快速查詢讀取，為系統(tǒng)功能的實現(xiàn)提供信息與數(shù)據(jù)支撐。

業(yè)務(wù)邏輯層是整個變壓器專業(yè)化檢修綜合管理系統(tǒng)的運作核心，通過整合數(shù)據(jù)存儲層的信息資源，進行變壓器專業(yè)化檢修數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和分析，得到相應(yīng)的狀態(tài)評估和故障診斷結(jié)果，制定合理的檢修策略，發(fā)布檢修作業(yè)計劃，管控檢修作業(yè)流程，向運維檢修人員提供變壓器專業(yè)化檢修作業(yè)管理功能和綜合數(shù)據(jù)展示功能。

表示層以WEB、便攜式終端APP等形式，為運維檢修人員提供交互操作的界面。運維檢修人員可獲得包括變壓器多源數(shù)據(jù)展示、統(tǒng)計分析、狀態(tài)評估等可視化功能，包括專業(yè)化檢修任務(wù)管理、標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)指導(dǎo)等專業(yè)化檢修作業(yè)全生命周期管理功能。

2.2 系統(tǒng)功能設(shè)計

基于多源數(shù)據(jù)融合的變壓器專業(yè)化檢修綜合管理系統(tǒng)主要包括用戶管理、數(shù)據(jù)管理、狀態(tài)評價、故障診斷、業(yè)務(wù)管理、統(tǒng)計查詢等功能模塊，如圖2所示。

（1）用戶管理模塊。該模塊主要包括用戶登錄、用戶信息管理等內(nèi)容，對系統(tǒng)進行基本設(shè)置，不同用戶有不同的權(quán)限設(shè)定。

（2）數(shù)據(jù)管理模塊。本模塊管理變壓器相關(guān)數(shù)據(jù)。獲取變壓器設(shè)備臺賬、在線監(jiān)測數(shù)據(jù)、專業(yè)化檢修內(nèi)容等多源數(shù)據(jù)，按照統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式保存至數(shù)據(jù)庫中。在數(shù)據(jù)保存過程中，首先依據(jù)閾值對存儲的數(shù)據(jù)進行清洗、統(tǒng)計、分析，再將清洗之后的數(shù)據(jù)和統(tǒng)計結(jié)果再按照統(tǒng)一格式保存至數(shù)據(jù)庫，最終為系統(tǒng)的其他功能模塊提高規(guī)范的數(shù)據(jù)。

（3）狀態(tài)評估模塊。綜合分析變壓器臺賬數(shù)據(jù)、預(yù)試數(shù)據(jù)、運行數(shù)據(jù)以及有記錄的臨時性檢修數(shù)據(jù)、周期性檢修數(shù)據(jù)、事故數(shù)據(jù)等信息，依據(jù)既定的指標(biāo)進行變壓器狀態(tài)評估本模塊實現(xiàn)對變壓器各部件及本體進行狀態(tài)評估。

（4）故障診斷模塊。結(jié)合狀態(tài)評估結(jié)果對變壓器狀態(tài)進行故障診斷，最終預(yù)測出變壓器各部件、本體可能存在的問題和變壓器的薄弱點及故障，并針對變壓器可能存在的缺陷，以表格和圖標(biāo)的形式向技術(shù)工作人員展示，并結(jié)合狀態(tài)評估結(jié)果給出檢修策略或檢修計劃。

（5）任務(wù)管理模塊。該模塊包括檢修技術(shù)制定、檢修任務(wù)派發(fā)、檢修過程監(jiān)督、檢修結(jié)果審核、檢修績效評估等功能，實現(xiàn)變壓器專業(yè)化檢修任務(wù)全生命周期管理，形成全新的紙化、規(guī)范化、高效實時的變壓器專業(yè)化新的業(yè)務(wù)模式，同時積累結(jié)構(gòu)化規(guī)范的檢修數(shù)據(jù)，為開展基于變壓器專業(yè)化數(shù)據(jù)的綜合應(yīng)用打下堅實基礎(chǔ)。

（6）統(tǒng)計查詢模塊。主要包括基本信息統(tǒng)計、評估信息統(tǒng)計、檢修信息統(tǒng)計等，每個統(tǒng)計內(nèi)容都按照固定的報表格式進行分析與匯總，以表格形式為主，需要將統(tǒng)計結(jié)果填入報表中，實現(xiàn)打印功能，有些統(tǒng)計結(jié)果以餅圖、柱狀圖等方式展示。同時，支持對所需數(shù)據(jù)進行查詢并形成相應(yīng)的報表。

3 關(guān)鍵技術(shù)與方法

圍繞本文變壓器專業(yè)化檢修綜合管理系統(tǒng)所設(shè)計的主要功能，提出上述功能所涉及的關(guān)鍵技術(shù)與方法，包括多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合技術(shù)、綜合狀態(tài)評估方法、通信技術(shù)等。

3.1 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合技術(shù)

多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合技術(shù)的出現(xiàn)為變壓器專業(yè)化檢修的狀態(tài)評估提供了新的思路，它作為一種智能化信息處理技術(shù)，已在工程建設(shè)、地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警、交通管制、金融系統(tǒng)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。[2-5]

變壓器專業(yè)化檢修綜合管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)來源于變壓器設(shè)備臺賬、在線監(jiān)測系統(tǒng)、巡檢作業(yè)、PMS等，數(shù)據(jù)來源多，數(shù)據(jù)量大，增長快、數(shù)據(jù)模式不同、數(shù)據(jù)類型異構(gòu)多樣，因此，需要利用多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合技術(shù)進行數(shù)據(jù)處理，為實現(xiàn)變壓器專業(yè)化檢修綜合管理系統(tǒng)的狀態(tài)評估功能奠定基礎(chǔ)。

數(shù)據(jù)融合模型設(shè)計是多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合技術(shù)的關(guān)鍵問題，目前流行的有多種數(shù)據(jù)融合模型[6]，典型數(shù)據(jù)融合模型模型的特點如表1所示。

由表1可知，情報環(huán)模型稍顯粗糙，Boyd控制環(huán)模型不能較好地反映評估結(jié)果對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的影響，Dasarathy模型有效地描述了各級融合行為，但是欠缺對系統(tǒng)融合目的的描述，而JDL模型按目標(biāo)分類，最具通用性，因此本文將JDL模型應(yīng)用到變壓器專業(yè)化檢修綜合管理系統(tǒng)中，并引入反饋機制，如圖3所示。

本文建立的修正JDL模型共包六級。

第一級：數(shù)據(jù)過濾及預(yù)處理。獲取各類數(shù)據(jù)源信息（設(shè)備臺賬、巡檢數(shù)據(jù)、在線監(jiān)測數(shù)據(jù)等），并對多源數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)過濾，

選擇出與狀態(tài)評估相關(guān)的信息存入變壓器專業(yè)化檢修綜合管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可中，備后續(xù)應(yīng)用。

第二級：數(shù)據(jù)融合及關(guān)聯(lián)。對各類預(yù)處理后的數(shù)據(jù)根據(jù)變壓器專業(yè)化檢修業(yè)務(wù)需求進行數(shù)據(jù)融合及數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的處理，將不同類型的數(shù)據(jù)按照面向?qū)ο蟮脑瓌t進行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)處理。

第三級：綜合狀態(tài)評估。在層次化指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，對各個指標(biāo)的權(quán)重和評估標(biāo)準(zhǔn)予以確認(rèn)，最終采用適合的算法對變壓器進行綜合狀態(tài)評估。

第四級：故障診斷。根據(jù)變壓器綜合狀態(tài)評估結(jié)果，對變壓器進行故障診斷。

第五級；過程優(yōu)化。將變壓器狀態(tài)評估和故障診斷信息保存到統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫中管理，通過動態(tài)數(shù)據(jù)庫的連接實現(xiàn)優(yōu)化和數(shù)據(jù)反饋，可調(diào)整數(shù)據(jù)源、優(yōu)化數(shù)據(jù)處理等，通過反饋自適應(yīng)，提高系統(tǒng)的融合效果。

第六級：檢修策略及檢修計劃的輔助決策。根據(jù)狀態(tài)評估和故障診斷結(jié)果，制定檢修策略和檢修計劃時間，為實現(xiàn)變壓器專業(yè)化檢修作業(yè)全生命周期管理提供支撐。

3.2 綜合狀態(tài)評估方法

本文通過建立基于模糊-集對分析[7]和D-S證據(jù)理論[10]的變壓器狀態(tài)評估模型，實現(xiàn)對變壓器的綜合狀態(tài)評估，具體步驟如下：

（1）計算各指標(biāo)相對劣化度。

（2）劃分評估等級。

本文將變壓器狀態(tài)劃分為4個等級，即正常狀態(tài)、注意狀態(tài)、異常狀態(tài)和嚴(yán)重狀態(tài)[8]，記為集合Z={z1，z2，z3，z4}。

（3）根據(jù)模糊層次分析法[9]計算各量之間的相對重要程度，得出常權(quán)值，再根據(jù)各指指標(biāo)對劣化度，計算變權(quán)值。

（4）對指標(biāo)采用集對分析方法，按照下式計算與各狀態(tài)等級的聯(lián)系度。

（5）構(gòu)造基本概率分配。

本文將各狀態(tài)量反映的變壓器狀態(tài)信息作為獨立的證據(jù)，并將其集對分析評估的聯(lián)系度結(jié)果作為證據(jù)理論的基本信度分配（BPA），識別框架（為不確定度）上的BPA滿足信度函數(shù)：，式中為空集。

由于不同證據(jù)可信度不同，引入可信度系數(shù)，表征不同證據(jù)的可信程度，越大，表明證據(jù)可信度越高。用修訂證據(jù)合成前的BPA，定義如下：

（6）證據(jù)融合，得到整體狀態(tài)的BPA。

為了對多源證據(jù)進行綜合處理，采用證據(jù)合成規(guī)則，計算出最終的基本概率分配和信度函數(shù)，計算方法如下：

其中B、C為的子集，P反映證據(jù)的沖突程度，P值越大，沖突程度越大，即為融合后的BPA結(jié)果。

（7）結(jié)合最大隸屬度原則和信度準(zhǔn)則，對評估結(jié)果進行判斷，得出結(jié)論。

當(dāng)采用D-S證據(jù)理論將基于多特征量的單信度值融合為一個綜合信度值后，運用隸屬度最大原則和信度準(zhǔn)則綜合評定變壓器狀態(tài)。

式中，和為預(yù)先設(shè)定的閾值。若完全滿足上式，則為推理結(jié)果。

3.3 通信技術(shù)

基于公共網(wǎng)絡(luò)、電力專網(wǎng)、3/4G移動通信網(wǎng)絡(luò)等，利用藍牙、NFC、WWAN、GPS/北斗、光纖通信等技術(shù)構(gòu)建變壓器專業(yè)化檢修綜合管理系統(tǒng)的多通道通信機制，并開發(fā)變壓器專業(yè)化檢修便攜式終端，實現(xiàn)以下功能：

（1）數(shù)據(jù)通信。變壓器專業(yè)化檢修過程中監(jiān)測設(shè)備監(jiān)測設(shè)備（紅外相機等）數(shù)據(jù)自動接入、檢修數(shù)據(jù)遠傳與同步；

（2）檢修作業(yè)管理。主要包括：檢修任務(wù)下達、接收、進度管理、標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)指導(dǎo)等功能。

（3）檢修資料庫檢索。在變壓器專業(yè)化檢修便攜式終端上提供各類作業(yè)指導(dǎo)書、變電站一次接線圖、設(shè)備結(jié)構(gòu)圖紙等資料，供檢修現(xiàn)場人員查閱。

（4）溝通交流。在變壓器專業(yè)化檢修過程中，就某一組檢修數(shù)據(jù)或某一臺變壓器發(fā)起溝通交流主題，允許制定參與溝通交流的成員，支持文字、語音、小視頻、文件等交流內(nèi)容。

4 結(jié)語

基于多源數(shù)據(jù)融合的變壓器專業(yè)化檢修管理系統(tǒng)的設(shè)計思想，為電力企業(yè)信息化系統(tǒng)的發(fā)展提供了一個新的途徑。該系統(tǒng)實現(xiàn)了電力變壓器個性化的狀態(tài)評價、異常狀態(tài)的快速檢測、狀態(tài)變化的準(zhǔn)確預(yù)測、以及故障的智能診斷，全面、及時、準(zhǔn)確掌握變壓器的健康狀態(tài)，實現(xiàn)了變壓器專業(yè)化檢修作業(yè)全生命周期管理，大大提高變壓器狀態(tài)評估效率、檢修智能化水平及設(shè)備管理精益化水平。

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