淺談智能電網(wǎng)資產(chǎn)管理

淺談智能電網(wǎng)資產(chǎn)管理

資產(chǎn)管理是人類隨著人類對設備故障發(fā)展規(guī)律的理解而逐步深入的，科技實踐的進步、設備在生產(chǎn)中的重要性以及行政管理的不斷發(fā)展而發(fā)展起來的。它包括了多種理論、技術和經(jīng)驗，系統(tǒng)的綜合學科，如技術、經(jīng)濟和管理，以及平衡成本、效率和風險。電網(wǎng)資產(chǎn)管理并非單純簡單的管理項目,而是一項非常復雜的工作,既涉及電力設備和系統(tǒng)的可靠性,也與系統(tǒng)規(guī)劃、運行、調度、檢修各個環(huán)節(jié),以及在線監(jiān)測、故障診斷技術和資產(chǎn)全壽命周期管理等密切相關,直接影響到電力公司的運營和管理,在電力市場化環(huán)境下還會直接影響到電網(wǎng)公司的收益。因此,如何高效地運作不斷增加的龐大資產(chǎn),實現(xiàn)電網(wǎng)資產(chǎn)的最優(yōu)化管理,是提高電網(wǎng)企業(yè)經(jīng)營績效的關鍵問題。因此,電力企業(yè)的資產(chǎn)管理目前在國內(nèi)外己引起了廣泛的關注。受我國現(xiàn)有電力輸配電線路傳輸能力和自動化水平等的限制,新能源發(fā)電并入現(xiàn)有電網(wǎng)難度較大,大力發(fā)展智能電網(wǎng)可有力解決這一問題。智能電網(wǎng)要求配電網(wǎng)安全可靠、優(yōu)質高效和靈活互動。智能配電網(wǎng)建設是實現(xiàn)智能電網(wǎng)的重要一環(huán)。智能電網(wǎng)工程要求配電網(wǎng)最優(yōu)運行,并達到經(jīng)濟高效。配電網(wǎng)是由架空線路、電纜、桿塔、配電變壓器、隔離開關、無功補償電容等設備組成,起到分配電能的作用。如何管理面大量廣、日益增長的龐大的配電網(wǎng)設備資產(chǎn),以充分保證配電網(wǎng)運行的穩(wěn)定和可靠,是本文的出發(fā)點。目前配電網(wǎng)常用的資產(chǎn)管理系統(tǒng)為企業(yè)資產(chǎn)管理(EAM)系統(tǒng),其面向資產(chǎn)密集型企業(yè),以資產(chǎn)設備及其配件為管理對象,集成了采購、庫存、項目、成本會計和人力資源等管理系統(tǒng)。但該系統(tǒng)并沒有在設備資產(chǎn)管理中對設備可靠性進行建模,也沒有具體說明結合機器學習等智能算法的系統(tǒng)方法,因此缺乏比較深入的全過程、全方位、定量化的系統(tǒng)結構。有待進一步研究開發(fā)。英國電力工業(yè)界于20世紀80年代著力開展了一系列資產(chǎn)管理研究及應用,并于2004年頒布了PASS55資產(chǎn)管理標準。2014年1月頒布的ISO55000是世界范圍內(nèi)首次嘗試提出任何類型資產(chǎn)管理都普遍適用的國際標準,值得盡快學習推廣。特別是資產(chǎn)密集、不斷增加的龐大配電資產(chǎn),尤為迫切。ALSTOM在CIGRE2014展示了其新開發(fā)的智能資產(chǎn)管理系統(tǒng),國內(nèi)也先后開展了這方面的工作。文獻從配電網(wǎng)整體管理出發(fā),結合新技術,探究配電網(wǎng)資產(chǎn)管理的綜合應用,包含企業(yè)資源計劃單元、客戶關系管理單元等子系統(tǒng)的整合,但缺少設備資產(chǎn)管理的具體方法。文獻提出了在配電網(wǎng)資產(chǎn)管理中使用智能決策支持系統(tǒng),并結合Agent技術,但缺少資產(chǎn)模型角度的分析。本文從設備資產(chǎn)管理出發(fā),把握配電網(wǎng)設備資產(chǎn)的特點,根據(jù)資產(chǎn)生命周期建立具體的設備資產(chǎn)模型,規(guī)范設備資產(chǎn)計劃的實現(xiàn)流程,提出本系統(tǒng)與現(xiàn)有配電網(wǎng)管理系統(tǒng)集成的結構以及相關實現(xiàn)技術的方法,可作為配電網(wǎng)資產(chǎn)管理的原始數(shù)據(jù)積累、設備健康指數(shù)分析的依據(jù),從而為日后系統(tǒng)研究開發(fā)適應現(xiàn)代配電網(wǎng)資產(chǎn)管理系統(tǒng)奠定基礎。1資產(chǎn)生命周期針對配電網(wǎng)的設備資產(chǎn)管理系統(tǒng),以資產(chǎn)設備和備品設備為基本管理對象。從人工操作上建立功能實現(xiàn)、故障排查、處理措施等完整流程制度,需要對設備資產(chǎn)進行建模,以實現(xiàn)準確而可靠的早期設備維護和后期預防性維護。模型需要覆蓋資產(chǎn)生命周期的各個環(huán)節(jié)。資產(chǎn)生命周期包括選型、安裝、計劃、維護、修復、分析、報廢等。通過建立設備資產(chǎn)基礎模型、設備資產(chǎn)可靠性模型和設備資產(chǎn)計劃模型,以集成設備資產(chǎn)在整個生命周期的模型。1.1設備資產(chǎn)基礎模型設備屬性包括設備序列號、設備型號、生產(chǎn)地、銷售商、價格、附件等。每個設備資產(chǎn)可按規(guī)則人為標識唯一的資產(chǎn)編號,不僅可區(qū)分每個設備資產(chǎn),而且標識中應包含特征位,便于直觀區(qū)分設備類型、設備生產(chǎn)地等屬性,同時也便于信息處理。設備資產(chǎn)屬性可分為兩類:固定屬性和變化屬性。固定屬性是設備被采購回來后固定不變的屬性,如設備名稱、設備型號等;變化屬性是隨時間或使用不斷變換的屬性,如設備運行參數(shù)、存儲位置、維護次數(shù)、使用記錄、關鍵性能變化等。為了實現(xiàn)資產(chǎn)管理的智能化,對設備資產(chǎn)進行分類是很有必要的,并且為設備資產(chǎn)計劃模型服務。設備資產(chǎn)可根據(jù)功能、制造商、生產(chǎn)地、存儲地等進行分類。聚類方法包括樸素貝葉斯(NB)分類、KNN、支持向量機(SVM)等,它們在聚類速度和聚類精度上依賴于對象而不同。設備資產(chǎn)基礎模型中的分類主要是按設備功能來分類,假設共有l(wèi)個分類,類集合為{C1,C2,…,Cl}。聚類準備操作有下述兩個步驟:(1)分詞操作。分詞就是把漢語序列切分為一個個單獨的詞。在分類前,需對設備名稱進行分詞處理,以提取出每個設備的特征詞。分詞方法包括機械分詞法、基于理解和基于統(tǒng)計的分詞方法。(2)類特征提取。根據(jù)訓練樣例中的分類情況和每個設備的分詞集合,提取類的特征詞集合,目的是降低計算空間維度,并加快分類速度。特征提取方法包括詞頻統(tǒng)計法(DF)、信息增益法(IG)、卡方統(tǒng)計法(CHI)等?？紤]有新設備資產(chǎn)加入時的具體聚類方法。根據(jù)準備操作中類特征值集合,應用樸素貝葉斯方法,只考慮與新樣本有相同特征項的分類。分類算法如下:(1)按照類特征詞集合對新設備資產(chǎn)進行分詞處理,提取出其特征詞集合S,并獲取與特征詞相關的類集合C。(2)計算如下:式中:num(C)表示在訓練樣本中類集合C的總數(shù);num(Cj)表示在訓練樣本中屬于類Cj的總數(shù)。(3)計算如下:式中:num(Cj,si)表示有詞si的文本屬于Cj類的數(shù)量;v為類集合C中包含的不同特征項個數(shù)。(4)分類判斷:若特征詞集合S為空,即新設備資產(chǎn)中無法尋找到與原分類相關的特征詞,應建立新的分類,并提取特征項,這需要在人員指導下進行。1.2設備可靠性分析設備資產(chǎn)可靠性模型是用于評價設備資產(chǎn)在整個生命周期中的可靠程度。本模型是給設備資產(chǎn)計劃操作提供依據(jù),并對后期預防性維護提出具體的評估方法。設備資產(chǎn)包括兩種狀態(tài):運行和庫存。需根據(jù)這兩種狀態(tài),建立可靠性模型。設備的可靠性是在其使用壽命周期內(nèi),無故障地執(zhí)行預期功能的能力。在數(shù)學上可表現(xiàn)為可靠度函數(shù)、失效率、平均壽命等。設備的失效率是指在某時間間隔開始時正常工作的設備數(shù)與此時間間隔內(nèi)失效的設備數(shù)的比率,如圖1所示的浴盆曲線。浴盆曲線分為早期故障期、有用壽命期和耗損期三段?？煽啃苑治鲋饕槍τ杏脡勖诤秃膿p期。失效率h(t)與失效概率密度函數(shù)f(t)、可靠度R(t)有關,如式(4):同時可靠度可表示為:常用于失效率概率分布f(t)的數(shù)學模型包括二項分布、泊松分布、威布爾分布、指數(shù)分布、正態(tài)分布等。失效率分布函數(shù)也可依據(jù)經(jīng)驗公式得出,由生產(chǎn)廠商提供,或是通過試驗數(shù)據(jù)獲得分布規(guī)律及參數(shù),例如蒙特卡洛方法。根據(jù)兩種狀態(tài)建立不同的失效率概率分布模型。以電子設備資產(chǎn)為例,運行狀態(tài)時,它的失效率概率分布多選擇威布爾分布W(t),如式(6):式中:β為形狀參數(shù);η為尺度參數(shù);γ為位置參數(shù)。設備處于庫存狀態(tài)時,可靠性主要表現(xiàn)設備老化程度。由于沒有相關經(jīng)驗分布,可通過定期檢驗庫存設備資產(chǎn)來獲得失效率,再通過蒙特卡洛方法建立模型。綜上,設備資產(chǎn)可靠性模型表示為設備失效率的多段函數(shù),包括運行時W(t)和庫存時I(t)交替出現(xiàn),如式(7):通過式(5)、式(7)可求解單一設備資產(chǎn)在t時刻的可靠度,這是判別設備資產(chǎn)是否需要預防性維護的重要依據(jù)之一。同時本模型可結合設備資產(chǎn)基礎模型的分類,計算某個分類的聯(lián)合可靠度,如式(8),用于評估此類設備資產(chǎn)是否需要購置或者報廢。式中:RAi(t)表示類C中設備Ai的可靠度。1.3設備資產(chǎn)計劃模型設備資產(chǎn)計劃模型是根據(jù)設備資產(chǎn)的固定操作,生成設備資產(chǎn)操作計劃,以指導設備資產(chǎn)調用、維護、修復、報廢等。通過深入分析,可將該流程模型化,但是,該模型的建立、使用和運行,必須依賴于設備資產(chǎn)基礎模型和設備可靠性模型生成的信息庫,來實現(xiàn)自身的學習和決策目標。這些模型的運行與資產(chǎn)生命周期關系如圖2所示。設備資產(chǎn)計劃模型包括4個部分:(1)學習目標生成、學習器、決策分析和計劃生成。學習目標生成是把資產(chǎn)操作具體化為學習器的學習目標,例如某類資產(chǎn)定期預防性維護操作,在模型中具體化為尋找某類資產(chǎn)中低于可靠性閾值的資產(chǎn)集合。(2)學習器是指機械學習算法,以實現(xiàn)學習目標,其樣本庫來自設備資產(chǎn)信息庫。它包含兩種算法,一種是基于專家系統(tǒng),另一種是基于多層結構的學習?；趯＜蚁到y(tǒng),如上例中決定可靠性閾值,或是建立設備資產(chǎn)的健康指數(shù)評價標準,根據(jù)設備參數(shù),快速判別設備狀態(tài);基于多層結構在處理廣泛搜尋問題上具有優(yōu)勢,可先進行類別學習,然后判別目標所對應的類別后,再在該類別內(nèi)進行具體的設備資產(chǎn)學習。這多用于數(shù)據(jù)挖據(jù),為資產(chǎn)分析提供服務。(3)決策分析是根據(jù)學習器結果進行篩選和具體決策,要結合設備資產(chǎn)信息庫外的數(shù)據(jù)來分析,包括一些經(jīng)濟元素,如維護成本、修復成本、運輸成本等。(4)計劃生成是依據(jù)決策分析的結果,生成計劃清單和任務清單。2整體指導策略配電網(wǎng)設備資產(chǎn)管理系統(tǒng)需與實時資產(chǎn)信息系統(tǒng)、企業(yè)資源計劃系統(tǒng)、配電網(wǎng)工程信息平臺等相集成,共同完成從配電網(wǎng)建造到運行期間所有設備資產(chǎn)管理。資產(chǎn)管理系統(tǒng)的集成如圖3所示。設備資產(chǎn)管理系統(tǒng)具有以下功能:(1)整合并分類設備資產(chǎn)信息,建立設備資產(chǎn)管理模型,依靠機械學習和數(shù)據(jù)挖掘技術實現(xiàn)智能管理和決策。(2)設備資產(chǎn)管理系統(tǒng)的控制來自面向管理的服務,應用信息化和分布式控制技術,實現(xiàn)遠程操作和任務下達。(3)在現(xiàn)有配電網(wǎng)維護上,設備資產(chǎn)管理系統(tǒng)直接指導資產(chǎn)運行和設備資產(chǎn)維修,整體指導策略基于管理操作、設備資產(chǎn)信息、經(jīng)濟因素、設備資產(chǎn)可靠性模型等。在新配電網(wǎng)建設上,主要是根據(jù)配電網(wǎng)工程規(guī)劃,進行設備資產(chǎn)調度、設備資產(chǎn)維護等操作。設備資產(chǎn)管理系統(tǒng)與整個配電網(wǎng)運行和管理系統(tǒng)相集成,能有效和直接處理與設備資產(chǎn)相關的操作,如采購、維護、報廢等,使系統(tǒng)結構靈活,可擴展性強。(4)設備資產(chǎn)管理系統(tǒng)獨立于面向用戶的服務,其接口技術可與其他系統(tǒng)進行實時交互數(shù)據(jù),以更新自身的信息庫。企業(yè)資產(chǎn)管理(EAM)系統(tǒng)具有相似的管理功能,更關注務實和執(zhí)行效率。而本文的設備資產(chǎn)管理系統(tǒng)相比較更具有針對性,擴展性強,可以融入先進的配電網(wǎng)健康指數(shù)評價方法和機械學習算法,能很好地針對設備資產(chǎn)進行全面分析。并且本系統(tǒng)也可與企業(yè)資產(chǎn)管理系統(tǒng)交互運行,共同管理配電網(wǎng)設備資產(chǎn)。設備資產(chǎn)管理系統(tǒng)融入了倉庫內(nèi)設備管理系統(tǒng),如購置新設備信息可直接進入到本系統(tǒng)中。因此,可包含底層設備掃描操作。設備掃描方式有人工輸入設備序列號、掃描設備條形碼和RFID技術。設備資產(chǎn)管理系統(tǒng)整體結構如圖4所示,設備掃描到工控機后可直接與系統(tǒng)接口連接,對數(shù)據(jù)庫操作,也可通過網(wǎng)絡與系統(tǒng)連接。同時設備資產(chǎn)管理系統(tǒng)具有自己的信息庫,使用分布式數(shù)據(jù)庫技術,即有一個主數(shù)據(jù)庫和多個本地數(shù)據(jù)庫,采用自動同步和刷新,從而保證設備資產(chǎn)信息的安全性和可靠性。管理者能直接操作本系統(tǒng),根據(jù)管理者級別,可劃分為企業(yè)級、公司級和工廠級。圖中標示了公司級和企業(yè)級,它們可通過現(xiàn)場總線與系統(tǒng)連接;未標示的企業(yè)級可通過互聯(lián)網(wǎng)遠程查看系統(tǒng)數(shù)據(jù)和運行狀況。3設備資產(chǎn)管理系統(tǒng)從設備管理演變過程來看,應用信息技術統(tǒng)籌管理公司內(nèi)外部資源,實現(xiàn)資產(chǎn)全壽命周期的管理代表了當今世界資產(chǎn)管理的發(fā)展方向。資產(chǎn)全壽命周期管理是將資產(chǎn)管理從規(guī)劃、立項、設計到報廢的資產(chǎn)整個壽命周期各個階段的業(yè)務統(tǒng)籌考慮,以資產(chǎn)總體效益為出發(fā)點,尋求資產(chǎn)全壽命周期的最佳方案,實現(xiàn)貫穿各個階段的整體優(yōu)化。它是一種以系統(tǒng)工程理論為方法,以分層分級管理為模式,以管理階段和管理要素為體系,以指標體系為核心,以工程流程為載