基于泛在电力物联网的设备全寿命管理

荀 华，韩建春

（内蒙古电力科学研究院，内蒙古呼和浩特 010020）

0 引言

随着信息化在电网安全生产工作中的深化应用，生产管理的智能化水平得到不断提高，“ERP 系统”、“生产管理信息系统”、“可靠性系统”等多种信息化管理系统在生产中发挥重要作用。2019 年国家电网首次提出“泛在电力物联网”的概念[1]，即充分应用移动互联、人工智能等现代信息技术和先进通信技术，实现电力系统各个环节万物互联、人机交互，为电网安全经济运行、提高经营绩效、改善服务质量，以及培育发展战略性新产业，提供强有力的数据资源支撑。随后各电力企业围绕泛在电力物联网的战略目标，纷纷开展试点建设工作。

内蒙古电网在依托现有“生产系统”、“物质基础”、“智能电网”基础等条件，秉承节约建设思想，利用大数据之间的交互，开展对已有项目的深化，加强数据交互，提高数据的应用价值；而泛在电力物联网融合了移动互联、大数据、物联网、云技术、人工智能等当代先进技术[2]，有效解决了电力系统发电、输电、变电、配电、用电间的智能联动问题，更能充分展示电网的独特优势，为开拓数字经济、打造新业务、拓展新市场提供增长动能[3]。

为有效提高电网各管理系统之间的信息交互和数据集联应用水平，提升设备全寿命周期的精益化管理水平，同时为了降低设备全寿命周期成本，提高设备综合利用水平，开展基于“泛在电力物联网”的设备全寿命周期管理的研究至关重要。

1 概念解析

1.1 泛在

“泛在”Ubiquitous 源自拉丁语，意为广泛存在，无论是时间还是空间，二维还是三维，无论微观还是宏观，在任何时间任何地点无处不在。

1.2 泛在物联

“泛在物联”是指任何时间、任何地点、任何人、任何物之间的信息连接和交互，将电力用户及其设备、电网企业及其设备、发电企业及其设备、供应商及其设备，以及人和物连接起来，产生共享数据，为用户、电网、发电、供应商和社会服务。

1.3 泛在电力物联网

“泛在电力物联网”是指围绕电力系统的发电、输电、变电、用电各环节，充分应用传感技术、移动互联、人工智能等现代信息技术、先进通信技术，实现电力设备、人机交互、决策定位等的互联互通[4-6]，具有状态全面感知、信息高效处理、应用便捷灵活特征的智慧服务网络。

1.4 设备全寿命周期

“设备全寿命周期”在考虑到设备陈旧老化期和经济磨损期的条件下，能正常发挥功能的设备寿命长度。设备的寿命通常是进行更新和改造的重要决策依据。设备更新改造通常是从设备经济寿命来考虑，为提高产品质量，延长设备的技术寿命、经济寿命，促进产品升级换代，节约能源为目的而进行的。设备的全生命周期管理应该贯穿设备使用寿命的全过程，主要是指从设备的采购到设备淘汰、报废的整个过程中对设备实施的必要的、全面合理的管理和监控，大体分为采购、运行、维护、故障、维修/技改和报废/转让6个阶段。设备全寿命周期管理如图1所示。

图1 设备全寿命周期管理

“泛在电力物联网”和“全寿命周期”概念的释义是为了更好地理解与契合实际应用与理论的关系，开展对设备全寿命管理的发展模式的研究。

2 设备物联网管理系统现状

涉及设备物联网管理的主要是生产管理信息系统和ERP 资产管理系统。生产管理信息系统是一个庞大的系统，除了监督管理电网安全、设备安全的主系统外，还包含很多对设备状态进行精确评价的辅助系统，如状态检修辅助决策系统、在线监测系统、可靠性系统、精确评价系统以及智能预警系统等；另外还有对购买设备的需求、购买、报废进行管理的ERP 资产管理系统，而设备的运行维护工作由生产管理系统进行工单管理，但对运维过程中的费用一般由生产统一处理，在设备的全寿命管理过程中没有留痕，也无法在设备退出运行时进行经济效益的分析。下面对各系统的情况作一个简单说明。

2.1 繁杂的生产管理信息系统

生产管理信息系统是对设备日常运维工作的信息化管理，减少纸质办公，缩短信息交互时间，提高工作效率，减轻工作量，更好的完善了设备的运行、检修、试验等信息，建立设备信息档案，形成生产信息大数据库。

2.1.1 状态检修辅助决策系统

状态检修辅助决策系统是2010 年在状态检修的大趋势下基于公司生产管理信息系统开发建设，系统包括：设备基础台账信息、技术参数、试验信息、检修信息、缺陷信息和不良工况信息以及设备维修或检修决策的制定等信息，这些信息形成了多维度设备大数据库。利用这些关键信息量进行状态检修评价时，设备生产数据都会自动关联，利用权重指标分析法、设备状态评价导则进行设备状态评价，对评价结果进行专家审核，形成设备真实准确的状态结果，对异常设备故障及时进行预警分析，并依据检修导则定制检修策略，开展状态检修，有助于保障设备正常运行、预防故障，然后利用设备状态和设备检修情况合理编制公司未来的停电检修计划，提前安排，实现了设备的应修必修，避免了过度维修，节约生产成本，延长了设备检修周期，确保了设备的安全生产运行。

2.1.2 在线监测主站系统

在线监测主站系统是2012 年建设的，按照变电和输电线路建设了两套系统，且在线监测主站系统均是以计算机、通讯设备、测控单元为基本工具，实现重要输变电设备状态和关键运行环境的实时监测，并对监测数据开展建模、分析、诊断、评估和预测，为电网大生产系统的实时数据采集、设备状态监测及远程控制提供了标准化的监测数据平台；它可以和检测、控制设备构成任意复杂的监控系统，在电网监控中发挥核心作用，可以帮助电网企业减少数据孤岛、降低运行成本，提高生产效率，加快输变电过程中异常状况的反应速度。该系统的正常运行对基础数据采集与传输的要求很高，在运行过程中由于部分在线监测厂家的设备精度和要求不达标，导致部分数据传输的时效性不强，数据的准确性不足，需要后期进行整改。

2.1.3 其他辅助管理系统

除了以上管理系统外，公司还建立了其他辅助管理系统，如：基于大数据管理的电力设备状态智能预警系统，依靠成熟的故障机理、决策树和专家推理故障诊断进行变压器和断路器的精确评价系统，利用多通道高端局放带电检测技术开展的电缆精确评价系统，基于设备可靠性的抗短路评估系统，囊括系统异常事件、非计划停运等情况指标的输变电可靠性管理系统，以及其他针对各类设备的精确评价系统，这些系统可以有效保障电网设备的安全经济运行。

2.2 单一的ERP资产管理系统

ERP资产管理系统是利用信息管理模式，建立设备从购买到报废的资产管理，包含设备价值、型号、厂家等信息，实现资产设备信息化，是集物质资源、资金资源和信息资源为一体的的管理体系。该系统是一个独立的系统，一般只在对设备提出需求、购买、报废这三个环节时应用，部分设备的大修费用会以工单方式在ERP系统走流程，其他环节在生产管理系统中进行。

2.3 分散的管理系统数据现状

电网生产设备多样，系统庞大，资产复杂，成本变动响应时间长、频度高、协同数量大、流程环节多边。由于生产管理方式或关注点不同，电网存在很多不同的管理系统，虽然在各独立系统内数据是交互的，但各系统之间是相互独立的，且存在网口不同，接入方式不同，人员权限不同，设备类型不同，服务对象不同等问题，系统与系统之间数据没有关联性也不存在交互性，即各个系统中的数据属于孤岛数据，而这些数据对于整个电网而言非常具有价值，特别是数据在决策中的价值，各个系统的统筹应用、综合管理，让数据相互支撑，相互应证，是电网安全生产和设备全寿命周期健康精确管理的基础，只有在能源互联网的大格局下，利用云构架，使用“泛在物联网”达成数据集联应用，各系统相互关联，才能实现系统设备的一个闭环管理。为了实现这一目的，初步研究建立基于“泛在电力物联网”的设备全寿命精确管理体系，这样在现有设备与系统的基础上，只需要打通系统与系统之间的壁垒，拓展系统功能，就可以实现这一管理模式的建设。

3 基于泛在电力物联网的设备全寿命周期管理建设的初步研究

3.1 全寿命管理总体框架设计

根据国家电网《泛在电力物联网建设大纲》[7]的原则，泛在电力物联网建设可分为应用层、平台层、网络层和感知层四个层次，并对坚强智能电网与泛在电力物联网之间的协同发展进行深入剖析。

应用层是利用互联互通的信息网络平台，通过对输变电设备相关各个维度数据的高度融合实现电网公司对内、对外业务的支撑，解决数据存储、检索、使用、挖掘和保密等问题，这是输变电设备泛在电力物联网建设的实施平台。

平台层是通过整合电力生产数据、运维数据和管理数据，挖掘数据价值，形成输变电设备物联网管理的应用平台，具备大规模大数据物联统一管理能力和高效处理能力，为输变电设备泛在电力物联网的建设提供了可靠精准的算法模型。

网络层是通过互联网、通讯网等基础网络设施，用于实现感知层与平台层间广域范围内的数据接入和传输，为输变电设备泛在电力物联网的建设提供安全快捷的网络通道。

感知层是由不同的物联网传感器、控制器、软件应用程序和本地通信网络组成，将电力生产、传输、消费等数以万计的设备和系统连接起来，用于实现设备状态信息、管理流程、电网调度数据等信息的采集、汇聚和数据的就地或远程处理，是输变电设备泛在电力物联网的建设的信息采集层，可以实现对电网数据的精准采集。输变电设备泛在物联网建设总体架构如表1所示。

表1 输变电设备泛在物联网建设总体架构

3.2 全寿命管理体系建设方案

设备寿命包括物理寿命、技术寿命和经济寿命。物理寿命是由设备的电气性能和机械性能决定；技术寿命取决于设计，由人为经验确定；经济寿命是基于设备的生存信息、投入产出、经济效益决定设备的退役寿命，也是成本分析所预测的最佳退役年限。设备的全寿命周期就是由物理寿命、技术寿命和经济寿命联合决定的，故全寿命周期管理体系的建设就要综合考量相关因素。

设备的全寿命周期管理体系的建设实现方式：首先要从设备的购买发起，提出设备需求，购买的设备在ERP系统进行资产登记，在生产管理信息系统对设备的基础台账、出厂、安装、调试等数据信息进行备案，投入运行后，利用生产管理系统对设备的运行情况进行监督、监控、运维、评价确保设备健康运行，同时在设备运行过程中，对设备出现的缺陷、故障等问题进行检修、改造等信息进行多维度大数据库的建设。通过建立设备状态评估模型，抽取对设备安全运行有影响的参数进行设备状态的预测分析，对设备运行情况进行评估，对于异常状态的给予维护或检修，并把投入资金与ERP系统关联，通过考虑前期经济投入和运行过程中的经济投入，对设备停运造成的后果进行评估分析，对比设备检修与设备残值情况，对设备的可检修性进行经济性评估分析确定设备是否检修，确保设备检修费用的合理性，如果进行检修则维修成本计入设备全寿命周期的资产管理体系中，直到设备退出系统报废再对设备全寿命周期的运行情况和资产情况进行分析，得出设备役龄现值函数、全寿命年等值成本随役龄的变化趋势，最终综合各类计算结果推算出年度检修成本预期、中断成本预期，给出年度运行成本预期，结合故障率预测给出检修策略、修理项目建议、预估经济投入，达到设备长寿命、少维修的目的，还可以实现选择优质厂家优质设备的目的，达到设备在系统中的最优化使用，长远来看对设备精益化运维、项目集约计划控制、资产全寿命管理具有重要意义。设备全寿命周期管理体系如图2所示。

图2 设备全寿命周期管理体系

3.3 示例推演

根据对变压器运行的研究分析显示，变压器寿命周期可大致分为五个阶段。第一阶段为制造、运输、安装阶段，变压器投运前，为一次性投入，数量较大；第二阶段为运行第一年，主要进行首检和例行维护；第三阶段为运行2 至10 年为稳定运行期，故障率低，经济性高，修理次数少，运行投入低；第四阶段为运行10 至20 年，故障率攀升期，该阶段经济性下降，投入升高；第五阶段为运行20 年以后，运行接近经济寿命，此时继续投入使用已经不经济，则对变压器进行退役，更换。

以某油浸式变压器为例，从设备购置出厂，设备的型号、厂家、设备购置费用、安装运输、交接验收等费用已经全部在ERP 系统数据库中备案，设备投入运行相关设备的技术参数、设备投运时间、安装地点、各类试验信息（出厂、交接、预防、例行）等都会在生产运行管理系统中存档，同时运行期间各类试验、维护、修理费用也会在ERP 系统记录。当设备再次存在缺陷或故障时，结合设备的状态进行评价，按照评价结果确定检修策略，一般A 类检修费用大约25 万元，B类检修费用15 万元，C 类检修5 万元，结合生产管理的安全要求，考虑对生产的影响、安全后果、停电后果、维修成本等利用故障可能性进行设备安全运行分析，依据ERP 系统设备残值、设备运行年限经济性指标等信息综合分析设备是否进行维修，并确定检修策略，当决策为不值得维修，开始进行设备的报废流程，直至报废结束，变压器的全寿命周期管理也就实现了闭环，通过对设备运行状况以及全寿命周期的管理可以建立基于设备使用的经济寿命预测分析，这样也实现设备全寿命周期内的电网安全、费用最经济、设备综合能效最高的目的。

4 结语

通过基于“泛在电力物联网”的设备全寿命周期管理体系的建设，内蒙古电网实现了生产管理系统各类软件之间的信息交互和应用互联，提高了设备数据信息交互，同时利用大数据判断设备的经济效益，提高了设备的精益化管理水平，促进电力数据资产的增值，便于开展数字信息化的应用和开展大数据分析，实现了数据集联应用，缩短数据交互时间，同时降低设备全寿命周期成本，提高设备综合利用水平，特别是为“泛在电力物联网”在现有条件下的建设提供了可行的理论支撑。