基于大數(shù)據(jù)平臺的配電網(wǎng)智能化運維管控平臺設計及應用

孫保華， 陳蕾， 夏棟， 韓韜

(1.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211106；2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司，浙江 杭州 310007)

0 引 言

隨著配電自動化和信息化建設的深入，在配電網(wǎng)全過程管控方面[1-2]，國家電網(wǎng)公司和南方電網(wǎng)公司都開展了相關研究，國網(wǎng)江蘇、山東、浙江、上海、江西等省市公司，南網(wǎng)廣東等公司基于自建系統(tǒng)，初步建立了對配電網(wǎng)運營全過程進行監(jiān)控和管理的信息平臺，實現(xiàn)了對配網(wǎng)設備以及自動化運行狀況的監(jiān)控功能，實現(xiàn)了對配網(wǎng)故障搶修進度及業(yè)務工單流程的管理[3]。浙江華云、江西泰豪以及山東魯能公司分別研制了配網(wǎng)運維管控相關產(chǎn)品，實現(xiàn)了配網(wǎng)跨專業(yè)、多場景管控，但是這些產(chǎn)品均未基于大數(shù)據(jù)平臺研發(fā)[4-6]。

伴隨經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展，現(xiàn)有配電網(wǎng)的運維管理水平難以滿足用戶日益增長的用電服務需求[7-9]，主要表現(xiàn)在配電網(wǎng)可觀可控的覆蓋范圍有限，管控能力不足，對多元化負荷監(jiān)控和優(yōu)化分析能力不強，難以適應分布式電源、電動汽車的快速發(fā)展，配電網(wǎng)精益管理的信息化水平不高，對精準投資、高效運維的支撐乏力[10-12]。

針對上述不足，文獻[13]以提高配電網(wǎng)精益化管理水平為目標，提出了包括2大層次、13類模塊和38項子模塊的配電網(wǎng)運維管控平臺總體功能架構，并對平臺中的各模塊功能及功能定位做了詳細的探討。文獻[14]運用數(shù)據(jù)挖掘中的決策樹算法，提出了一種差異化配電網(wǎng)運維管理方法，可以在一定程度上提高配網(wǎng)運行的效率，但是該算法的準確度和可行性還有待實際檢驗。文獻[15]探討了大數(shù)據(jù)在配電網(wǎng)中的機遇與挑戰(zhàn)，從配網(wǎng)管理、運行、設備制造和設計等方面介紹了大數(shù)據(jù)的應用，為后續(xù)的研究指明了方向。文獻[16]以大數(shù)據(jù)在配電網(wǎng)的應用需求和場景分析為導向，重點闡述了配電網(wǎng)大數(shù)據(jù)關聯(lián)模型建模、分析方法和手段。本文以提升配電網(wǎng)設備狀態(tài)管控力和運檢管理穿透力為出發(fā)點，提出基于大數(shù)據(jù)平臺的配電網(wǎng)智能化運維管控平臺體系架構，基于大數(shù)據(jù)平臺的運檢業(yè)務數(shù)據(jù)分析和挖掘場景，提出在保電管理、迎峰度夏等場景下配網(wǎng)大數(shù)據(jù)的分析預警技術，研究圍繞“狀態(tài)管控、管理管控、指標管控”的運檢業(yè)務管控應用，形成了“運行管控、問題分析、過程督辦、績效評估”的全過程閉環(huán)管理流程。

1 系統(tǒng)總體架構

配電網(wǎng)智能化運維管控平臺以物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)、云計算和大數(shù)據(jù)等現(xiàn)代信息網(wǎng)絡技術為依托，實現(xiàn)配電自動化、PMS2.0及其他專業(yè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的融合，圍繞“設備狀態(tài)管控、運維管理管控、運檢指標管控”三方面，形成“運行管控、問題分析、過程督辦、績效評估”的閉環(huán)流程，實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動運檢業(yè)務的創(chuàng)新發(fā)展和效率提升，全面推動運檢工作方式和生產(chǎn)管理模式的創(chuàng)新。配電網(wǎng)智能化運維管控平臺總體架構圖如圖1所示。

圖1 運維管控平臺總體架構圖

圖1中，配電網(wǎng)智能化運維管控平臺基于云計算、大數(shù)據(jù)平臺和配用電統(tǒng)一模型，深度融合運檢、營銷、調(diào)控等系統(tǒng)數(shù)據(jù)，構建在全業(yè)務數(shù)據(jù)中心基礎之上的企業(yè)級跨專業(yè)管控決策系統(tǒng)。通過縱向管控和橫向協(xié)同，壓縮管理鏈條，提高響應速度、處理效率和供電服務管控能力，支撐省、地、縣、班(所)四級應用，解決部門之間的前端融合不充分，專業(yè)協(xié)同不順暢等問題，實現(xiàn)信息匯集、一口對外、過程管控、協(xié)同指揮、事件稽查、風險預警、全景分析和綜合評價的全方位管控與決策支撐。

2 運維管控平臺體系架構

配電網(wǎng)智能化運維管控平臺基于全業(yè)務統(tǒng)一數(shù)據(jù)中心建設，系統(tǒng)以大數(shù)據(jù)平臺為核心，構建開放式平臺。應用大數(shù)據(jù)分布式存儲和運算技術，以“標準統(tǒng)一、開放靈活、安全可靠”為設計原則，運維管控平臺體系架構從下至上分為三層：

(1)智能感知層，將PMS2.0系統(tǒng)、配電自動化系統(tǒng)、調(diào)度自動化系統(tǒng)、用電采集系統(tǒng)、調(diào)度管理系統(tǒng)OMS、95598等相關基礎數(shù)據(jù)系統(tǒng)，通過消息推送、數(shù)據(jù)總線、數(shù)據(jù)抽取ETL等方式接入大數(shù)據(jù)云平臺。

(2)數(shù)據(jù)融合層，相關系統(tǒng)數(shù)據(jù)進入配電網(wǎng)模型資源中心后，根據(jù)統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型，進行數(shù)據(jù)的清洗整理。配電網(wǎng)模型資源中心是大數(shù)據(jù)云平臺的具體實現(xiàn)，在大數(shù)據(jù)云平臺上構建基礎數(shù)據(jù)服務和微應用服務，為業(yè)務應用的開展提供了數(shù)據(jù)服務的支撐。

(3)智能決策層，在大數(shù)據(jù)云平臺的云計算和微應用服務的基礎上，根據(jù)各類業(yè)務管控的需求構建配網(wǎng)智能化運維管控平臺，實現(xiàn)配網(wǎng)“設備狀態(tài)管控、運維管理管控、運檢指標管控”。

平臺分層體系架構如圖2所示。

圖2 平臺分層體系架構圖

數(shù)據(jù)抽取主要包括批量抽取和實時抽取兩種方式。批量抽取主要針對實時性要求不高的數(shù)據(jù)，如PMS設備臺賬信息、營銷系統(tǒng)用戶信息等；實時抽取主要針對實時性要求較高的數(shù)據(jù)，如配網(wǎng)自動化、用電信息采集等系統(tǒng)的變位、告警、異常等數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)抽取采用大數(shù)據(jù)平臺中的流式計算進行處理。

模型資源中心子模塊包含服務發(fā)布、數(shù)據(jù)展示、模型校驗、模型拼接和基礎平臺等功能。服務發(fā)布，將模型數(shù)據(jù)、量測數(shù)據(jù)和消息以接口服務的形式發(fā)布出去，實現(xiàn)模型量測數(shù)據(jù)的共享化。數(shù)據(jù)展示，展示數(shù)據(jù)信息、模型拓撲信息，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化。模型校驗，制定標準對模型數(shù)據(jù)定義的語法、語意的模型校驗，同時將數(shù)據(jù)與源系統(tǒng)進行同步一致性校驗，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的標準化和一致性。模型拼接，用于配網(wǎng)模型與“上溯”主網(wǎng)模型和“下行”營銷模型的拼接，動態(tài)修改模型進行保存發(fā)布，實現(xiàn)模型的實時更新?；A平臺，分布時存儲模型數(shù)據(jù)、電網(wǎng)運行信息數(shù)據(jù)、設備參數(shù)類數(shù)據(jù)等，具有備份機制，可以海量存儲，確保數(shù)據(jù)存儲的可靠性。

3 運維管控功能設計

基于統(tǒng)一業(yè)務數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)管理中心模塊和數(shù)據(jù)分析中心模塊的數(shù)據(jù)分析技術，實現(xiàn)數(shù)據(jù)管理中心為運維管控平臺提供靜態(tài)模型、分析模型支撐，數(shù)據(jù)分析中心為運維管控平臺提供數(shù)據(jù)實體、數(shù)據(jù)分析支撐。

3.1 設備狀態(tài)管控

根據(jù)配電網(wǎng)實時運行數(shù)據(jù)，感知設備運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)設備潛在運行隱患，輔助科學指導配網(wǎng)運維檢修工作，降低運檢成本，提高配網(wǎng)設備可用性。

(1)設備缺陷管控，根據(jù)PMS2.0設備缺陷流轉信息，實現(xiàn)配網(wǎng)設備缺陷的多維度統(tǒng)計分析、缺陷到期未消預警、重要設備缺陷成因分析、缺陷預警預測功能。

(2)設備跳閘管控，基于網(wǎng)絡拓撲關系、運行狀態(tài)數(shù)據(jù)和業(yè)務數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對配電網(wǎng)各層級(配電饋線/支線/低壓線路)故障跳閘情況[一般跳閘(永久性跳閘、瞬時跳閘)、試送電跳閘、熱備線路跳閘、傳動試驗跳閘]、缺相(斷線)情況、跳閘率及其影響停電情況的全面真實掌控，實現(xiàn)對跳閘情況的多維度統(tǒng)計分析(按原因、部位、時長、次數(shù)、空間分布、時間分布等)、頻繁跳閘線路及其原因，輔助差異化運維方案編制與實施，有效降低故障跳閘率。

(3)設備負載狀態(tài)，基于設備臺賬和遙測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對配電網(wǎng)各層級(配電饋線/支線/低壓線路/配變)的負載情況(重載、過載、輕載、空載、負載率等)的真實全面掌控，實現(xiàn)多維度統(tǒng)計分析(如按時間、原因、負荷趨勢)，自動挖掘負荷突增重過載、臨時突增重過載及終端異常、臺賬異常重過載設備，輔助各單位合理安排配變運維計劃及采集運維計劃，減少重過載、達到經(jīng)濟運行。

(4)設備實時狀態(tài)評價，根據(jù)設備臺賬、缺陷故障及實時運行信息，采用大數(shù)據(jù)分析技術，實現(xiàn)對配網(wǎng)主要設備的實時狀態(tài)評價與預警，輔助各基層單位實時掌控設備狀態(tài)變化情況，提高設備安全運行能力。

3.2 運維管理管控

針對配網(wǎng)運維檢修、搶修工作的進展、重要節(jié)點和關鍵環(huán)節(jié)進行監(jiān)控，跟蹤分析業(yè)務全過程，實現(xiàn)對運檢工時、成本、成效等的挖掘分析。同時，基于配網(wǎng)運行狀態(tài)管控實現(xiàn)對配網(wǎng)業(yè)務異常情況的督辦與主動預警，形成閉環(huán)主動檢修管理。

(1)停電搶修分析，基于配網(wǎng)搶修數(shù)據(jù)、生產(chǎn)類投訴、故障跳閘等數(shù)據(jù)，依托可視化展示、大數(shù)據(jù)分析等技術，實現(xiàn)對停電搶修工作的可視化管控分析(如搶修駐點、搶修時長、搶修資源、搶修效率)，全面掌握搶修實時動態(tài)，自動挖掘搶修人員承載力情況，搶修工作安排不足之處，搶修布點不合理情況，輔助搶修駐點、搶修資源、搶修策略的合理優(yōu)化。

(2)檢修作業(yè)分析，根據(jù)配網(wǎng)檢修作業(yè)、設備故障等數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對配網(wǎng)檢修工作的多維度統(tǒng)計分析(如次數(shù)、工時、成本、成效等)，自動挖掘配網(wǎng)檢修作業(yè)中存在的超期檢修、過度檢修、無/少效檢修及人員承載力等問題，輔助提高檢修作業(yè)的成效。

(3)帶電作業(yè)分析，根據(jù)配網(wǎng)帶電作業(yè)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對配網(wǎng)帶電作業(yè)工作的多維度統(tǒng)計分析(如次數(shù)、工時、成本、成效等)，自動挖掘配網(wǎng)帶電作業(yè)工作中存在的人員承載力、裝備等問題，輔助提高帶電作業(yè)效率效益。

3.3 運檢指標管控

面向監(jiān)管層面，實現(xiàn)設備類、工程類、作業(yè)質(zhì)量類關鍵運行指標的分析展現(xiàn)。同時，制定各類指標的合理區(qū)間，跟蹤指標的走勢，驗證業(yè)務開展成效，輔助發(fā)現(xiàn)弱項指標，并對指標異常情況進行預警和分析，實現(xiàn)各類指標全過程管控。

(1)配網(wǎng)規(guī)模指標，實現(xiàn)配網(wǎng)規(guī)模指標(如線路電纜化率、絕緣化率、聯(lián)絡率、平均供電半徑、N-1比例等)的可視化分析，實時跟蹤配網(wǎng)規(guī)模指標變化、對超出閥值的指標進行預警，輔助分析指標短板、提出改進策略。

(2)配網(wǎng)運行指標，實現(xiàn)配網(wǎng)運行指標(如配電設備消缺率、配電設備故障跳閘率、供電可用系數(shù)、電壓合格率、重過載率、低電壓率等)的可視化分析，實時跟蹤配網(wǎng)運行指標變化、對超出閥值的指標進行預警，輔助分析指標短板、提出改進策略。

(3)配網(wǎng)檢修指標，實現(xiàn)配網(wǎng)檢修指標(如配網(wǎng)計劃檢修完成率、平均檢修時長、帶電作業(yè)化率等)的可視化分析，實時跟蹤配網(wǎng)檢修指標變化、對超出閥值的指標進行預警，輔助分析指標短板、提出改進策略。

(4)搶修服務指標，實現(xiàn)配網(wǎng)搶修服務指標(如停電信息報送及時率、派單及時率、到達現(xiàn)場及時率、搶修平均恢復時長、自動合單比例、工單錯派率等)的可視化分析，實時跟蹤配網(wǎng)搶修服務指標變化、對超出閥值的指標進行預警，輔助分析指標短板、提出改進策略。

(5)配網(wǎng)自動化指標，實現(xiàn)配網(wǎng)自動化指標(如自動化覆蓋率、終端在線率、遙控使用率、遙控成功率、減少停電時戶數(shù)、減少電量損失、饋線故障自動處理次數(shù)、用戶分界開關自動處理次數(shù)等)的可視化分析，實時跟蹤配網(wǎng)自動化指標變化、對超出閥值的指標進行預警，輔助分析指標短板、提出改進策略。

4 關鍵技術分析

4.1 大數(shù)據(jù)分析技術

利用大數(shù)據(jù)技術進行監(jiān)測與分析，是基于電網(wǎng)資源對象，利用調(diào)度自動化、配電自動化、用電信息采集和客戶報修等數(shù)據(jù)，采用數(shù)據(jù)挖掘、并行計算和決策樹等技術，實現(xiàn)配電網(wǎng)業(yè)務管控分析。具體對于大數(shù)據(jù)分析技術應用如下：

(1)多元業(yè)務數(shù)據(jù)：全業(yè)務統(tǒng)一數(shù)據(jù)中心基于大數(shù)據(jù)平臺建設，通過處理域、分析域、管理域?qū)崿F(xiàn)了電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集、清洗、管理和分析。全業(yè)務統(tǒng)一數(shù)據(jù)中心實現(xiàn)多元數(shù)據(jù)的接入和處理，為接口、采集和業(yè)務數(shù)據(jù)分析提供基礎條件。

(2)存儲計算：應用大數(shù)據(jù)平臺的HADOOP架構的分布式存儲和計算提供海量數(shù)據(jù)存儲及讀取。

(3)數(shù)據(jù)管理：通過大數(shù)據(jù)平臺實現(xiàn)模型管理、服務管理和質(zhì)量管理。

(4)數(shù)據(jù)計算：大數(shù)據(jù)技術能夠融合成熟的基礎計算引擎構建配電網(wǎng)狀態(tài)數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)支撐服務，為數(shù)據(jù)的分析挖掘提供充要條件。

(5)分析挖掘：大數(shù)據(jù)技術通過回歸分析、相關分析和決策樹分析等數(shù)據(jù)挖掘技術進行建模，為數(shù)據(jù)的多維度分析應用提供支撐。

4.2 大數(shù)據(jù)框架

配電網(wǎng)大數(shù)據(jù)分析，考慮到海量數(shù)據(jù)分析的計算效率問題，在應用大數(shù)據(jù)平臺算法的基礎上，考慮建設配電網(wǎng)大數(shù)據(jù)基礎框架。目前，如公變數(shù)據(jù)采集完整率、低壓數(shù)據(jù)采集完整率、區(qū)域最大負荷、日最大負荷趨勢、配電變壓器缺項分析的需求，當應用實時調(diào)用時，由于計算量很大造成響應緩慢。因此從業(yè)務需求角度出發(fā)，以底層業(yè)務數(shù)據(jù)為基礎，通過Spark Streaming 實時計算框架對數(shù)據(jù)進行分析計算，方便業(yè)務統(tǒng)計分析時的快速調(diào)用。圖3展示了大數(shù)據(jù)基礎設施對配電網(wǎng)運維管控平臺的支撐。

圖3 大數(shù)據(jù)體系框架

圖3中，實時數(shù)據(jù)采用kafka或flume進行數(shù)據(jù)實時抽取，存儲至HBASE或Redis中。批量數(shù)據(jù)通過ETL工具將原業(yè)務系統(tǒng)數(shù)據(jù)抽取至貼源層，采用KUDU對數(shù)據(jù)進行存儲，構建數(shù)據(jù)模型層，在數(shù)據(jù)模型層之上，依據(jù)配網(wǎng)業(yè)務需求，構建業(yè)務模型層，針對智能管控平臺應用需求，面向應用開展數(shù)據(jù)存儲，形成數(shù)據(jù)集市層。半結構化或非結構化數(shù)據(jù)如涉及文檔、圖片、視頻等通過文件服務系統(tǒng)，存儲到HDFS中。

5 應用案例分析

國網(wǎng)某省級電力公司于2015年開展建設“配電網(wǎng)全過程管控系統(tǒng)”，實現(xiàn)了配電網(wǎng)運行狀態(tài)和異常信息的監(jiān)測和告警。2016年以來，天津供電公司逐步開展配電網(wǎng)智能化運維管控平臺的建設。到2017年8月底，已建成配電網(wǎng)智能化運維管控平臺，接入用電采集系統(tǒng)、調(diào)度自動化系統(tǒng)、營銷管理系統(tǒng)、PMS系統(tǒng)和ERP系統(tǒng)五大系統(tǒng)的業(yè)務數(shù)據(jù)。平臺包括設備狀態(tài)管控、運維管理管控、運檢指標管控、應急管理管控和供電服務指揮五大模塊，為配網(wǎng)高效運維、精準建設、精細精益管理，提供決策支撐。

圖4是整個配電網(wǎng)運維管控平臺的首頁，展示整個城市配網(wǎng)信息，包括全市配網(wǎng)概況、配網(wǎng)設備規(guī)模、配電網(wǎng)日運維情況、供電可靠性和電壓質(zhì)量等。

圖4 配電網(wǎng)運維管控平臺首頁

圖5是電壓質(zhì)量管控模塊中的配網(wǎng)設備分析界面。用于展示饋線異常和臺區(qū)異常等信息，其中:饋線異常包括饋線重載、饋線過載和饋線正常；臺區(qū)異常包括配變重載、配電過載、配電正常、低電壓、過電壓和三相不平衡等信息。

圖5 電壓質(zhì)量管控模塊

圖6是運維管理管控模塊中配變異常管控模塊界面，可以查看配變異常管控情況、當前配變統(tǒng)計異常分析、數(shù)據(jù)有效性次數(shù)統(tǒng)計分析和配電異常占比情況等信息。

圖6 配變異常管控模塊

6 結束語

本文以提升配電網(wǎng)設備狀態(tài)管控力和運檢管理穿透力為出發(fā)點，提出基于大數(shù)據(jù)平臺的配電網(wǎng)智能化運維管控平臺體系架構，實現(xiàn)圍繞“狀態(tài)管控、管理管控、指標管控”的運檢業(yè)務管控應用，形成“運行管控、問題分析、過程督辦、績效評估”的全過程閉環(huán)流程管理。研制基于大數(shù)據(jù)平臺的配電網(wǎng)智能化運維管控平臺并進行示范應用，支撐配電網(wǎng)全業(yè)務數(shù)據(jù)實時在線分析和輔助決策。保障配網(wǎng)安全可靠、經(jīng)濟運行，為社會發(fā)展提供更優(yōu)質(zhì)、便捷的電力供應和服務。