張 政，毛健琨，謝 帆，張 波，丘東元，陳艷峰

(華南理工大學 電力學院，廣州 510640)

0 引 言

電力電子實驗室是基于電力電子與電力傳動學科，面向國家能源、電力和交通的戰(zhàn)略需求，重點解決電力電子與電力傳動領(lǐng)域的重大應用基礎(chǔ)理論和戰(zhàn)略高技術(shù)問題的科研平臺[1-2]。電力電子實驗室的建設與管理在科研和人才培養(yǎng)體系中占據(jù)著核心地位，而實驗設備的管理尤為重要[3-6]。文獻[7-9]中闡述了從系統(tǒng)的方面加強實驗室設備管理的重要性，文獻[10-11]中就如何提高實驗設備利用率做出了探索性工作，文獻[12-14]中結(jié)合現(xiàn)代化信息技術(shù)，研究了實驗室設備的智能化管理模式，文獻[15]中討論了高校實驗技術(shù)人員在設備采購中的作用。而就電力電子實驗室設備的管理研究現(xiàn)狀來看，學者們主要集中在實驗室管理制度建設和電力電子實驗教學改革的定性討論上，從管理的層面上對實驗設備的全面介紹和對其使用情況進行量化建模分析鮮有研究[16-19]。因此，本文詳細介紹了電力電子實驗室常用設備的種類和特點，分析了目前設備管理存在的主要問題，并提出和實踐了一種電力電子實驗室設備的量化管理方法。

1 電力電子實驗室的常用設備

全面認識實驗設備并熟知其功能特點是電力電子實驗室建設與管理的必要條件。結(jié)合目前鮮有電力電子實驗室設備介紹的現(xiàn)狀，詳細闡述電力電子實驗室常用設備的種類和特點，對電力電子實驗室的建設、管理和設備的購置具有重要意義。

1.1 設備分類

電力電子實驗室常用設備種類豐富，功能齊全。根據(jù)其功能特點的不同，可以分為以下幾種主要類型：

(1) 電源類。交、直流電源，射頻電源，函數(shù)信號發(fā)生器等；

(2) 探頭類。電流探頭，電壓隔離探頭等；

(3) 測量類。示波器，萬用表，電橋，紅外溫度計，功率計等；

(4) 分析類。精密阻抗分析儀，矢量網(wǎng)絡分析儀，環(huán)路分析儀，電源分析儀，電能質(zhì)量分析儀等；

(5) 負載類。電阻負載，直流電子負載，交直流電子負載等；

(6) 焊接類。調(diào)溫式焊臺，熱風機等；

(7) 機械類。鉆孔機，小型切割機，液壓鉗等。

1.2 設備特點

電力電子實驗設備除具有與大多數(shù)工科類實驗設備的共性外，因其使用過程常伴隨各種等級的電流、電壓的特點，還應特別注意其電氣參數(shù)和對使用環(huán)境的要求。此外，由于各類電力電子實驗設備的功能不同，還具有其特定的特點。結(jié)合實驗室建設管理過程中遇到的問題，選取以下幾種主要設備介紹其特點。

(1) 直流電源。例如固瑋GPS-X303C型多組輸出直流電源，根據(jù)所需實驗要求的不同可以接線為隔離或不隔離電源，其4通道輸出的能力也不盡相同，實驗中應選擇合適的輸出通道。此外，在購置電源設備時，應充分考慮實驗所需的功率大小選擇設備。

(2) 函數(shù)信號發(fā)生器。使用過程中要選擇正確的輸出波形，在購置時應特別注意設備的輸出頻率范圍，避免設備無法滿足實驗要求的現(xiàn)象。

(3) 電流探頭。量程和帶寬是電流探頭最重要的參數(shù)，根據(jù)實驗要求，應合理選擇以同時滿足測量頻率和電流放大倍數(shù)。此外，使用時還應注意其延遲時間與示波器匹配、禁止帶載插拔、地線夾子可靠接地等問題。

(4) 電壓隔離探頭。實現(xiàn)高壓輸入側(cè)與低壓輸出側(cè)的隔離，選擇最高測量電壓和帶寬應滿足實驗要求，實驗中應選擇合適的衰減比以便于讀數(shù)，此外，地線夾子必須可靠接地。

(5) 示波器。電力電子實驗室一般使用的是數(shù)字示波器，帶寬是其最重要的一項參數(shù)，決定了示波器能夠準確測量的最高頻率，而采樣率、輸出通道、配套的探頭等參數(shù)也應根據(jù)實驗要求進行合理選擇。用示波器測量不共地的不同電位時，應使用電壓隔離探頭。

(6) 功率計。購置功率計時主要關(guān)注其電壓、電流量程，根據(jù)實驗的要求又分為單相功率計和三相功率計。

(7) 精密阻抗分析儀。對壓電器件進行阻抗等參數(shù)測量，應選擇合適的測量頻率范圍購置。使用時，嚴禁帶電測量，電容等儲能器件的測量應先做放電處理。

(8) 矢量網(wǎng)絡分析儀。利用傅立葉變換技術(shù)對測量數(shù)據(jù)進行數(shù)學處理，可將頻域數(shù)據(jù)和時域數(shù)據(jù)進行相互轉(zhuǎn)換。矢量網(wǎng)絡分析儀應根據(jù)其頻率范圍、頻率分辨率和測量范圍進行選擇。使用時還應嚴格區(qū)分75 Ω和50 Ω兩種特性阻抗。

(9) 直流電子負載。根據(jù)測量需求設置功能、參數(shù)和工作模式，還應注意輸入電壓和負載電壓相匹配。

2 設備管理存在的問題

隨著科研的深入，實驗室規(guī)模的擴大，實驗設備的種類越來越多，管理的難度也變得更加復雜。尤其對于電力電子實驗室而言，實驗設備因其功能不同，需要有針對性的購置、管理。在我校電力學院“電力電子系統(tǒng)分析與控制團隊”實驗室的建設和運行管理中，雖然實驗室制定了相應的制度及辦法，但仍然存在以下幾個主要問題。

2.1 責任意識淡薄

實驗室采取設備借用與歸還登記制，但常有人借用設備時不登記便隨意使用，歸還時擔心承擔責任而不寫明設備的好壞情況，造成管理員無法及時維修故障設備，而其他同學借用該設備時無法使用等情況。另外，借還設備不按規(guī)定簽字登記，管理員無法獲得客觀有效的實時統(tǒng)計數(shù)據(jù)，造成量化管理結(jié)果不準確，加大了管理難度。

2.2 設備使用不當

由于對實驗設備和使用規(guī)程的不熟悉而造成設備損壞的事故時有發(fā)生。有些同學在實驗時未能嚴格按照實驗設備的使用規(guī)程操作設備，不僅造成實驗無法正常進行，還影響了設備的精度和使用壽命。此外，設備使用完畢后沒有及時維護保養(yǎng)，也加快了設備的損壞。

2.3 盲目購置設備

目前實驗室設備管理方法普遍采取單一的借用、歸還登記制度，只關(guān)注設備的日常使用情況，而沒有利用這些登記表得到的統(tǒng)計數(shù)據(jù)進一步建立相關(guān)數(shù)學模型，從而對實驗設備的使用進行量化分析，無法對實驗設備的使用損耗、供需平衡等情況作出客觀的評價，導致盲目購置增添設備，造成實驗資源和科研經(jīng)費的浪費等問題。

3 功效系數(shù)法和實驗設備量化管理

量化管理，是一種從目標出發(fā)，使用科學、量化的手段進行組織體系設計和為具體工作建立標準的管理手段。為避免盲目購買實驗設備，提高科研經(jīng)費的使用效益，正確客觀地評估各種實驗設備的供需平衡問題意義重大。根據(jù)本實驗室的管理過程中遇到的主要問題，探索并實踐了一種基于功效系數(shù)法的實驗設備量化管理方法。

3.1 功效系數(shù)法概述

功效系數(shù)法是根據(jù)多目標規(guī)劃原理，對每一項評價指標確定一個滿意值和不允許值，以滿意值為上限，以不允許值為下限．以此確定各標準值，然后分別賦予功效系數(shù)，再經(jīng)過加權(quán)平均進行綜合，從而評價被研究對象的綜合狀況[20]。

本文主要對電力電子實驗室的設備供需情況進行評估，故將功效系數(shù)法的一般模型進行改進，具體計算過程如下：

(1) 設置標準值的4個檔次，分別是優(yōu)秀(λi=80%～100%)、良好(λi=60%～80%)、一般(λi=20%～60%)、較差(λi=0%～20%)；

(2) 對4個檔的標準值分別設置相對應的功效系數(shù)fi：0.8、0.6、0.4、0.2；

(3) 根據(jù)標準值和功效系數(shù)值計算各指標的分數(shù)：

(1)

(4) 根據(jù)各指標的分數(shù)和所占權(quán)重計算其綜合評價指數(shù)：

(2)

3.2 評價指標的確定

結(jié)合電力電子實驗室的特點，規(guī)定在有實驗項目進行的過程中，且一個人一次只能借用一個實驗臺面的條件下，確定了設備使用率α、設備閑置率β、人均擁有率φ、實驗臺使用率δ等4個指標，并賦予各自權(quán)重。具體定義如下：

(1) 設備使用率α。某種實驗儀器設備投入使用的過程中，被借出使用的總機時占投入使用的總時長的比例,即

α=(Tt/Ta)×100%

(3)

式中:Tt為被借出使用的總機時;Ta為投入使用的總時長。能夠直接反映該種設備的使用需求程度，因此其權(quán)重取0.3。

(2) 設備閑置率β。某實驗儀器設備的日均閑置數(shù)量占該種設備總數(shù)量的比例,即

β=(Sd/St)×100%

(4)

式中:Sd為日均閑置數(shù)量;St為該種設備的總數(shù)量。反映了該設備的保有量與實際需求的匹配關(guān)系，重要程度僅次于設備使用率，權(quán)重定為0.25。

(3) 人均擁有率φ。某實驗儀器設備數(shù)量與實驗臺數(shù)量的比值,即

φ=(St/Qt)×100%

(5)

式中:St為該種設備的總數(shù)量;Qt為實驗臺數(shù)量。反映了實驗設備的供應狀態(tài)，決定了實驗設備可被使用數(shù)的上限值，同樣取權(quán)重為0.25。

(4) 實驗臺使用率δ。實驗臺日均使用數(shù)量占實驗臺總數(shù)量的比例,即

δ=(Qd/Qt)×100%

(6)

式中:Qd為實驗臺日均使用數(shù)量;Qt為實驗臺數(shù)量。反映了某設備在實驗項目中被使用的概率的大小，取權(quán)重為0.2。

3.3 功效系數(shù)值的確定

考慮電力電子實驗室的實際運行情況，定義需求類指標與功效系數(shù)值成正相關(guān)關(guān)系，供應類指標與功效系數(shù)值成反相關(guān)關(guān)系，可得各評價指標值對應的功效系數(shù)值，如表1所示。

表1 各指標值及其功效系數(shù)值

3.4 綜合評價指數(shù)的確定

設待評估對象集為W=(P1,P2,…,Pn)，令Zi為評價指標Xi(i=1,2,…,m)的權(quán)重大小，Xij為第j個評估對象Pj對應于第i個評價指標Xi的功效系數(shù)值(i=1,2,…,m；j=1,2,…,n)。則第j個評價對象的綜合評價指數(shù)為：

(7)

考慮該綜合評價模型應用于實驗室設備管理時，應根據(jù)實驗室規(guī)模、工作量、實驗儀器設備完整度來合理劃分綜合評價指數(shù)值所對應的評價標準。本文確立的綜合評價指數(shù)R與實驗設備供求匹配度η關(guān)系如表2所示。

3.5 電力電子實驗室的量化管理實踐與成效

自2018年9月起，將上述基于功效系數(shù)法的實驗設備量化管理方法應用于華南理工大學電力學院“電力電子系統(tǒng)分析與控制團隊”實驗室，實驗室現(xiàn)有主要公用設備如表3所示，選取了大功率直流電源、函數(shù)信號發(fā)生器、電流探頭、電壓隔離探頭等4種典型公用電力電子實驗設備作為研究對象，得到9、10兩個月的使用數(shù)據(jù)如表4所示。

根據(jù)上述結(jié)果可得各設備的評價指標值如表5所示。

為了得到各評價對象的綜合評價指數(shù)，首先需要對各評價指標對應的功效系數(shù)值進行歸一化處理：

表3 實驗室各類公用設備

表4 4種典型設備的使用數(shù)據(jù)

表5 各設備對應的評價指標值 %

(8)

結(jié)合表2、6和式(7)，可得各實驗設備的綜合評價指數(shù)和相應的供求匹配度，如表7所示。

可以看出，雖然大功率直流電源的供求匹配度為供<求，但從其綜合評價指數(shù)來看，供不應求的情況不算嚴重，由于實驗室有一臺大功率直流電源正在維修，無法使用，因此該結(jié)果與實際情況十分吻合。而函數(shù)信號發(fā)生器的綜合評價指數(shù)高達0.866，結(jié)果表現(xiàn)為嚴重供不應求，原因是實驗室總共只有兩臺函數(shù)信號發(fā)生器，而函數(shù)信號發(fā)生器作為電力電子實驗常用設備，必然會出現(xiàn)該局面。此外電流探頭表現(xiàn)為供過于求，而電壓隔離探頭表現(xiàn)為供求平衡，這也與實驗過程中同學們反饋的情況一致。

表6 各評價對象對應的功效系數(shù)值

表7 綜合評價指數(shù)和評價結(jié)果

因此，上述基于功效系數(shù)法的實驗設備量化管理方法能夠真實客觀地評價各實驗設備的供需匹配情況。根據(jù)該方法可以更加有針對性的對電力電子實驗室設備的購置和管理作出高效科學的決策，能大大提高實驗室管理效率和綜合效益。

4 結(jié) 語

電力電子實驗室設備具有種類多、功能全、操作復雜等特點，對電力電子實驗室的建設和設備管理提出了新的要求。本文基于電力電子實驗室建設的角度，全面闡述了電力電子實驗室常用設備的種類和特點，分析了當前設備管理存在的主要問題，并以我校電力學院“電力電子系統(tǒng)分析與控制團隊”實驗室為對象，探索并實踐了一種電力電子實驗室設備的量化管理方法。結(jié)果表明，本文提出的基于功效系數(shù)法的實驗設備量化管理方法，能夠客觀地評價各實驗設備的供需匹配情況，避免設備的盲目購置，有力提高科研資金的使用效益，為電力電子實驗室的建設與設備管理提供有實用價值的建議。