基于六西格玛管理的牵引供电继电保护装置健康状态评估方法

2022-10-12 14:32艾广宁

科技创新与生产力 2022年8期

艾广宁

（中铁电气化局京沪高铁维管公司，天津 301600）

随着“十三五”期间铁路建设的高速发展，电气化铁路逐步从建设期进入运营期，保证牵引供电设备安全稳定运行已经成为各铁路运维单位的工作重心。京沪高铁作为我国高速铁路发展的里程碑，已经平稳运行了将近10年，对于现阶段而言，供电设备质量的好坏、管理手段的先进与否是关系到铁路运营安全的关键因素，为了进一步提高铁路运维设备管理效率和水平，有必要深入探讨质量管理手段在铁路牵引供电设备管理中的应用。

1 评估模型的实施方案及实施过程

1.1 六西格玛定义

六西格玛管理是在提高顾客满意程度的同时降低经营成本与周期过程的革新方法，它是通过提高组织核心过程的运行质量，进而提升企业赢利水平的管理方式，也是在新经济条件下企业获得竞争力和持续发展能力的经营策略[1]。

六西格玛管理是通过系统地、集成地采用业务改进方案，实现无缺陷的过程设计，并对现有过程进行过程界定（Define）、测量（Measure）、分析（Analyze）、改进（Improve）、控制（Control）、简称DMAIC流程（见图1），消除过程缺陷和无价值作业，从而提高质量和服务，降低成本，缩短周期，最终令客户满意，增强企业竞争力。

图1 DMAIC管理循环

1.2 项目实施背景

京沪高速铁路2010年投入运营，设备维护单位的设备维护风险逐年递增，牵引供电设备进入了调整期，设备更新改造在逐步进展过程中，故障率从历史最好水平1.20%上升到2021年的7.50%，由于供电设备的运行可靠性下降，本项目借助六西格玛管理手段来查找故障的原因，制定切实可行的方案，对设备进行科学的质量鉴定，并给予多元化的状态评估，保证供电设备的可靠运行，提高设备的运行效率[2]。

1.3 项目实施步骤

该项目的实施遵循六西格玛的过程循环，结合全面质量管理的手段，运用系统管理的方法，按照DMAIC的循环过程结合京沪高铁的管理经验制定一整套设备科学管理的方法。

1.3.1 D-界定阶段

该项目的基准水平是基于2012年牵引变电所继电保护装置的故障次数44次，故障率4.10%，标杆的历史最好水平1.15%，定义项目的目标为1.60%，定义项目Z为减低牵引供电设备的故障率，细分3个z，分别为设备操作问题、电气绝缘问题和检测手段问题。通过组建项目管理小组，明确职责范围，获得项目的授权与认可。

该项目的实施应用技术是故障预测与健康管理（Prognostics and Health Management，PHM）技术，而牵引供电系统的故障预测与健康管理是建立在大量现场实测数据的基础上，通过评估各种数据信息来完成对设备健康状态的评估，分析潜在故障趋势，帮助运营管理人员在运维的过程中实现故障的预处理，从而达到消除故障和延长使用寿命的目的。图2为保护装置PHM系统[3]。

图2 保护装置PHM系统

设备故障预测与健康管理的核心是质量鉴定及状态评估，评估结果与实际情况越相近，则制定的维护方案就越准确，经控制措施实施后相应的设备健康状态越好；若评估结果不当，则会出现过度维修及维修不足等问题。

1.3.2 M-测量阶段

阶段工作：首先确定测量系统的可靠性；其次进行过程能力分析，本阶段最重要的是发现导致故障的各种因素，并精确地进行归因。充分运用小组人员的头脑风暴活动为导致设备故障的原因绘制鱼骨图以及进行失效模式及后果分析（Failure Mode and Effects Analysis，FMEA），见图3、第82页表1。

表1 设备故障FMEA过程

图3 故障原因鱼骨图

此阶段主要在实施测量及检测过程中做了5个方面的过程改善工作。

1.3.2.1 对现场测量测试因子的改善

1）制定详细的测量表格和测试方案来保证现场测量的精度要求，保障测试数据的准确性。

2）在保障测量过程中干扰因素最小化的基础上，应用模拟牵引变电所开关状态来保障保护装置逻辑的正常输出，以确保保护装备能够正常地按照逻辑发出指令。

3）对测试过程中数据偏差较大的数据插件进行复测，对复测有问题的插件及时进行更换。

1.3.2.2 对现场专业业务技能因子的改善

1）组织专业人员对维护人员进行专业的知识培训，重点是常见的故障查找及故障分析处理。对逻辑判定条件及动作顺序进行了规范性的培训教育，提高维护人员的技能水平。

2）按照保护装置厂家维护手册及相关的标准对现场巡视频次进行规范，按照动态管理手段进行巡视，对系统运行环境进行实时检测，提高现场人员的执行能力。

1.3.2.3 对现场运行通信线路断路及设备老化接地因子的改善

1.3.2.4 对设备屏幕显示不全面或者显示错误因子的改善

对所有显示屏进行综合治理，集中进行状态的查看及复归，必要时及时进行更换。

1.3.2.5 对现场运行工况因子的改善

1）应用温控系统对现场的环境温度及湿度进行严格控制，保证温度在0～35℃之间，湿度≤85%。

2）应用电能质量控制系统保证装置系统的运行电压偏差在-10%～10%之间。

3）线路的绝缘强度＞100 MΩ。

经过改善后从第一次FMEA统计中，对筛选出风险系数（Risk Priority Number，RPN）在100以上的因子进行分析，并进行了归集与分类，共有7个项目找出高影响的故障因子。

目前，我国正处于转型期，着力建设服务型政府。而建设服务型政府的首要任务就是要降低政府的运行成本，提高政府的运行效率。而以权责发生制为基础编制政府综合财务报告就能够对政府各部门的收支以及业务活动的成本进行详细、客观、准确地核算，能够公正评价政府运行的成本，从而能够有效提高政府的运行效率，实现向服务型政府的转型。

经过第二次的FMEA后，还有4个输入因子的RPN较高。

1）数据缺失导致保护失效。

2）逻辑程序混乱导致保护跳闸。

3）保护定值设定不规范导致越级误跳闸。

4）I/O插件绝缘问题导致保护失效。

1.3.3 A-分析阶段

牵引供电系统的故障预测和健康管理是建立在大量现场实测数据的基础上，通过提取数据中的有用信息，完成对系统的状态评估，分析潜在故障趋势，利用系统状态评估对牵引供电系统实行故障预测和健康管理，达到消除故障、延长设备使用寿命的目的[4]。

RPN是事件发生的频率、严重程度和检测等级三者的乘积，其数值愈大说明潜在的问题愈严重，用来衡量可能的缺陷，以便采取可能的预防措施减少由于设备故障多带来的损失，使系统运行更为可靠。对于应用于健康管理首先应集中在那些最受影响和风险程度最高的环节。

RPN值范围为1（绝对最好）~1000（绝对最差）。为了更好地反映牵引供电系统继电保护装置的运行状态，体现装置内部故障的发展规律，便于现场运维人员更好地操作，可以将状态划分为好、较好、一般、较差、差5个等级，并对5个等级对应的RPN值划分范围区间，且相应地给与健康状态评估及维护措施。其中好与较好处于无故障状态，系统的可靠性很高，随着运行时间的增长，系统将逐渐处于一般、较差、差的状态，其运行状态与健康值之间的关系见图4。

图4 设备健康状态运行图

1.3.4 I-改进阶段

通过对测量阶段采集的数据进行整理分析，利用六西格玛分析工具Minitab软件对测量的各个因子进行分析，确定关键的影响因素，利用科学的技术及管理手段进行评估，按照评估的结果采取相应的措施进行改进。

1）数据缺失导致保护失效，通过校检装置的可靠性，发现保护装置有6处保护定值与定制单不符，为出厂默认值，导致保护装置存在误动和拒动的可能性。通过修改保护定值并进行保护试验确保保护装置可靠运行。

2）在长期运行中部分供电方式发生改变，原有逻辑程序已经无法适用，混乱导致保护跳闸，对保护装置逻辑图与现有运行方式和备用运行方式进行验证，李营变电所变压器后备保护单边供电时低电压启动过流保护存在勿动风险，改进措施修改了保护动作逻辑，使其可以应用在变压器单边供电方式中。

3）在长期运行中部分所亭出现了27.5 kV馈线保护未动作，27.5 kV进线保护动作；变压器低压侧过流保护未动作、变压器高压侧保护动作导致停电范围扩大，在检测中发现均为定值计算时计算参数不合理，导致保护定值设定不规范致使越级误跳闸，经过重新获取定值计算参数计算并修改不规范定值，目前已基本杜绝了越级误跳闸的情况。

4）对保护装置的I/O插件接线端子进行除锈清灰处理，并对依旧绝缘不合格的板件进行更换，绝缘问题使保护失效情况得以解决。

继电保护装置的定值问题和逻辑问题处理在之后的运行中得到了验证，I/O插件绝缘在之后的绝缘测试中也得到了很好的改善，测试结果也均在允许值以内。经过改进阶段采取的一系列措施，保护装置的可靠性、选择性、灵敏性均得到了较大提升，5月份的设备运行故障率为1.54%，已经低于1.60%的目标值，基本实现了项目的预期目标。

1.3.5 C-控制阶段

对改进的成果进行固化，修改了保护定制单、保护逻辑图和试验作业指导书。从而将这些经验进行制度化的保存，通过有效的监督方法，确保了改进成果持续得到应用。

根据保护运行特征以及设备故障特征选择保护数据缺失、保护装置越级跳闸、I/O插件绝缘情况的3个关键点，同时制定了控制计划，见表2。