基于配電物聯(lián)網(wǎng)的智能不停電作業(yè)分析模型

李冠良，任 勇，楊亞奇

（1.國網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001；2.國網(wǎng)山西省電力公司，山西 太原 030021；3.國網(wǎng)北京電力科學(xué)研究院，北京 100075）

0 引言

目前，配網(wǎng)不停電作業(yè)發(fā)揮著極為重要的作用。不停電作業(yè)是指作業(yè)人員直接接觸帶電線路或設(shè)備的作業(yè)或作業(yè)人員利用專用作業(yè)工具、設(shè)備或裝置在帶電線路或設(shè)備上的作業(yè)，實(shí)現(xiàn)在不停電的電力線路或設(shè)備上進(jìn)行檢修、測試等的一種作業(yè)方式[1]。但是，目前不停電作業(yè)項(xiàng)目繁多，技術(shù)難度大，施工方式復(fù)雜，查詢數(shù)據(jù)量大，耗時長，效率低，無法得出最佳方案。本文提出一種基于配電物聯(lián)網(wǎng)平臺的人工智能不停電作業(yè)分析模型，該模型通過調(diào)用用電采集系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)GIS（geographic information system）、工程生產(chǎn)管理系統(tǒng)PMS（power production management system）、營銷系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)SCADA（supervisory control and data acquisition）數(shù)據(jù)，利用聚類分析、小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)粒子群模型分析和地理位置模型可實(shí)現(xiàn)停電點(diǎn)負(fù)荷預(yù)測、電源點(diǎn)可接容量分析、停電范圍分析、臨停策略分析等，形成一套完整、全面的不停電作業(yè)方案。

1 配網(wǎng)不停電作業(yè)開展現(xiàn)狀

由于配電網(wǎng)設(shè)備數(shù)量巨大、種類繁多且設(shè)備質(zhì)量與主網(wǎng)設(shè)備差距較大，因此頻繁停電更換配網(wǎng)設(shè)備已嚴(yán)重影響到配網(wǎng)供電可靠性。提升配網(wǎng)供電可靠性的措施主要有轉(zhuǎn)供電、綜合停電管理、帶電作業(yè)等，可以歸類為網(wǎng)架設(shè)備、管理和技術(shù)3個方面。結(jié)合國內(nèi)外對供電可靠性的分析來看，隨著可靠性管理水平的不斷提高，管理挖潛的空間將越來越小。當(dāng)前供電可靠率進(jìn)入99.9%，技術(shù)水平越來越起到?jīng)Q定性作用。提升供電可靠性主要措施貢獻(xiàn)度分析如圖1所示。其中，AHIC-1（average interruption hours of customer） 表示供電用戶在統(tǒng)計(jì)期內(nèi)的平均停電小時數(shù)。隨著國家加快實(shí)施配電網(wǎng)建設(shè)改造及新一輪農(nóng)村電網(wǎng)改造升級的實(shí)施，電網(wǎng)企業(yè)持續(xù)加大對中低壓配電網(wǎng)投資力度，同時施工改造引起的預(yù)安排停電也隨之增加，需要依托多種技術(shù)手段減少停電。帶電作業(yè)在減少預(yù)安排停電時間和停電次數(shù)、提升客戶用電體驗(yàn)等方面有著舉足輕重的作用。

圖1 提升供電可靠性措施貢獻(xiàn)度分析圖

目前不停電作業(yè)項(xiàng)目根據(jù)國家電網(wǎng)公司Q/GDW 10520《10 kV配網(wǎng)不停電作業(yè)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)中按照作業(yè)項(xiàng)目難易程度規(guī)定了4類33項(xiàng)作業(yè)項(xiàng)目，涵蓋了中壓10 kV架空線路及電纜線路，可在用戶不停電的情況下，實(shí)現(xiàn)對所有配網(wǎng)線路、設(shè)備開展檢修作業(yè)；而南方電網(wǎng)公司則按照作業(yè)方式不同規(guī)定了三大類37項(xiàng)作業(yè)項(xiàng)目，通過比較發(fā)現(xiàn)作業(yè)項(xiàng)目只是分類標(biāo)準(zhǔn)不同，作業(yè)內(nèi)容大體相同。由此可以看出，配網(wǎng)不停電作業(yè)項(xiàng)目繁多、技術(shù)難度較大。隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的不停電作業(yè)由于耗時長、效率低等問題已不能保證由于人民對美好生活需求的供電可靠性要求。圖2和圖3為電網(wǎng)公司2010—2017年配網(wǎng)帶電作業(yè)成效分析，包括帶電作業(yè)完成次數(shù)、減少停電時戶數(shù)、多供電量和減少停電用戶平均停電時間CAIDI（customer average interruption duration index）。2017年，電網(wǎng)公司共開展配網(wǎng)不停電作業(yè)86.1萬次，同比增長37.7%，減少停電832萬h·戶，相當(dāng)于每次作業(yè)相應(yīng)減少35個用戶各2.76 h停電時間。多供電量約74 899萬kW·h，相當(dāng)于130萬kW裝機(jī)的發(fā)電廠約2年的發(fā)電量。

圖2 電網(wǎng)公司配網(wǎng)帶電作業(yè)完成次數(shù)與減少停電時戶數(shù)

圖3 電網(wǎng)公司配網(wǎng)帶電作業(yè)多供電量與減少用戶平均停電時間

2 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)概念

泛在電力物聯(lián)網(wǎng)是運(yùn)用新一代信息技術(shù)，將電力用戶及其設(shè)備、電網(wǎng)企業(yè)及其設(shè)備、發(fā)電企業(yè)及其設(shè)備、電工裝備企業(yè)及其設(shè)備連接起來，通過信息廣泛交互和充分共享，以數(shù)字化管理大幅提高能源生產(chǎn)、消費(fèi)和相關(guān)裝備制造的安全水平、質(zhì)量水平、先進(jìn)水平、效益效率水平[2]。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)更關(guān)注如何對采集的數(shù)據(jù)價值進(jìn)行挖掘，即通過對數(shù)據(jù)的分析、挖掘，達(dá)到對整個電力系統(tǒng)的優(yōu)化管理，繼而促進(jìn)能源消費(fèi)側(cè)節(jié)能降耗、智慧用能，為能源體系的轉(zhuǎn)型升級提供重要支撐。配電物聯(lián)網(wǎng)是泛在電力物聯(lián)網(wǎng)在配電網(wǎng)中的具體應(yīng)用，通過配用電萬物互聯(lián)、人機(jī)交互，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)全面感知、信息高效處理、應(yīng)用便捷靈活，從而為提高配電網(wǎng)供電可靠性提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)資源支撐。

3 人工智能不停電作業(yè)分析模型

利用泛在電力物聯(lián)網(wǎng)在狀態(tài)全面感知、信息高效處理等方面的優(yōu)勢對配網(wǎng)不停電作業(yè)管理進(jìn)行開拓性的變革可有效改變不停電作業(yè)目前耗時長、效率低的缺陷，大幅提升工作效率。本文提出一種基于配電物聯(lián)網(wǎng)平臺的不停電作業(yè)人工智能分析模型。該模型整體結(jié)構(gòu)如圖4所示。該模型主要以數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為基礎(chǔ)，通過功能分析模塊實(shí)現(xiàn)不停電作業(yè)方案制定和管理。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要調(diào)取用電采集系統(tǒng)、PMS 2.0系統(tǒng)、營銷系統(tǒng)、GIS系統(tǒng)和SCADA系統(tǒng)中的相關(guān)數(shù)據(jù)。其中，用電采集系統(tǒng)是通過配電變壓器和終端用戶的用電數(shù)據(jù)的采集和分析，通過采集系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)負(fù)荷預(yù)測功能；PMS2.0系統(tǒng)以資產(chǎn)全壽命周期管理為主線，以狀態(tài)檢修為核心，實(shí)現(xiàn)了圖數(shù)一體化，擁有“賬—卡—物”聯(lián)動機(jī)制，通過PMS系統(tǒng)可采集到設(shè)備的真實(shí)狀態(tài)；營銷系統(tǒng)采集用戶用電信息；GIS系統(tǒng)以地理空間數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，適時提供空間和動態(tài)的地理信息，可管理、維修電力設(shè)備及尋找配電線路故障點(diǎn)；SCADA系統(tǒng)利用特定設(shè)備從數(shù)據(jù)測量開始，通過智能電子設(shè)備采集數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)傳輸至主站完成必要的處理與控制算法[3]。功能模塊包括大數(shù)據(jù)挖掘分析模塊、不停電作業(yè)分析模塊和不停電作業(yè)管理模塊。其中，大數(shù)據(jù)分析模塊通過歷史數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)與數(shù)據(jù)挖掘?qū)崿F(xiàn)停電點(diǎn)負(fù)荷預(yù)測和電源點(diǎn)可接容量分析功能，不停電作業(yè)分析模塊通過拓?fù)浞治鰧?shí)，現(xiàn)停電范圍分析和不停電作業(yè)分析功能，不停電作業(yè)管理模塊主要實(shí)現(xiàn)臨停策略分析、模塊化分析管理和不停電作業(yè)方案制定功能。

通過泛在電力物聯(lián)網(wǎng)感知層面的多種智能感知終端，包括智能配電變壓器終端TTU（distribution transformer supervisory terminal unit）、配電開關(guān)監(jiān)控終端FTU（feeder terminal unit）、站所終端DTU（distribution terminal unit）和線路故障指示器等電氣信息感知設(shè)備以及溫度、濕度等環(huán)境傳感器，獲取停電點(diǎn)及周邊設(shè)備、用戶、用電、環(huán)境信息，利用基于粒子群優(yōu)化的小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法模型對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，同時通過調(diào)用實(shí)時交通信息狀況和GIS、營銷等系統(tǒng)數(shù)據(jù)對不停電作業(yè)前期地形勘探，對是否具備不停電作業(yè)條件及不停電作業(yè)項(xiàng)目開展類型進(jìn)行決策判斷。以五大數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為基礎(chǔ)，通過三大功能模塊多角度、全方位地制定不停電作業(yè)方案。

圖4 基于配電物聯(lián)網(wǎng)的人工智能不停電作業(yè)分析模型結(jié)構(gòu)圖

整個模型的具體流程如圖5所示。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要用于采集客戶信息、天氣信息、用電信息和設(shè)備特征等信息。將采集到的海量數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒植际綌?shù)據(jù)倉庫，從唯一性取值、取值范圍和規(guī)范、缺失值補(bǔ)充和異常值分析4個方面對數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)和清洗。將加工后的數(shù)據(jù)分別輸入算法分析預(yù)測模型和地理位置模型中，在算法分析預(yù)測模型中先將數(shù)據(jù)收集清洗后進(jìn)行聚類分析，通過小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)粒子群算法模型對模型進(jìn)行訓(xùn)練，訓(xùn)練后對模型進(jìn)行校驗(yàn)，若校驗(yàn)失敗則對模型進(jìn)行優(yōu)化重新進(jìn)入小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)粒子群算法模型對模型進(jìn)行訓(xùn)練；若校驗(yàn)成功則進(jìn)入下一步計(jì)算分析。加工后的數(shù)據(jù)通過算法分析預(yù)測模型和地理位置模型可以實(shí)現(xiàn)包含電源點(diǎn)可接容量、車輛資源調(diào)配、工器具資源調(diào)配、人員調(diào)配和安全措施制定的不停電作業(yè)方案策略。

本模型相較于傳統(tǒng)的不停電作業(yè)管理方式有以下優(yōu)勢。

a）可自動研判作業(yè)點(diǎn)帶電作業(yè)條件。通過分析歷史數(shù)據(jù)，自動研判作業(yè)點(diǎn)設(shè)備是否具備帶電作業(yè)條件，結(jié)合GIS路網(wǎng)信息數(shù)據(jù)，拓?fù)浞治鲎鳂I(yè)點(diǎn)與馬路之間的距離，進(jìn)一步確認(rèn)可開展不停電作業(yè)類型。

b）可利用大數(shù)據(jù)挖掘分析負(fù)荷趨勢，評估接入的安全性。通過整合配網(wǎng)各種傳感器上傳的海量數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)采集、存儲、索引，進(jìn)一步挖掘饋線、配變的負(fù)荷情況，實(shí)現(xiàn)停電點(diǎn)負(fù)荷趨勢預(yù)測。

c）可通過建立多維度評估模型，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)電源點(diǎn)推薦。通過查詢停電計(jì)劃，建立實(shí)時拓?fù)渫ｋ姺秶?，明確設(shè)備位置及拓?fù)潢P(guān)系，合并相關(guān)停電點(diǎn)，并簡化形成拓?fù)浞治瞿Ｐ汀?/p>

d）可實(shí)現(xiàn)施工路徑自動規(guī)劃，解決入場評估難題。一方面，基于實(shí)時路網(wǎng)及電網(wǎng)信息，可提前規(guī)劃車輛進(jìn)入施工點(diǎn)路線圖，同時通過測量施工點(diǎn)與馬路之間的距離，實(shí)時智能調(diào)整施工路線。另一方面，可遍歷停電點(diǎn)路徑及路況，根據(jù)施工難度加權(quán)，由復(fù)雜的地理圖轉(zhuǎn)變?yōu)閹?quán)值的無向圖模型，實(shí)現(xiàn)施工路徑規(guī)劃。

e） 可實(shí)現(xiàn)3D空間模擬現(xiàn)場勘察功能。通過調(diào)用地圖3D街景模擬現(xiàn)場勘察，進(jìn)一步確定施工可行性。

f）采用不停電作業(yè)模塊化管理，可實(shí)現(xiàn)多維度分析作業(yè)資源。通過在不停電作業(yè)模塊包中選取相應(yīng)的作業(yè)項(xiàng)目類型，可以自動完成危險點(diǎn)分析、安全措施制定、工器具管理和調(diào)配當(dāng)日未出勘人員車輛，進(jìn)一步提高車輛利用率。

g）采用智能分析模型，代替人工不停電作業(yè)分析。針對不同的作業(yè)方式及種類，結(jié)合業(yè)務(wù)特征，提供多種可選方案，并對方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)評估，推薦最優(yōu)方案。根據(jù)分析結(jié)果，完成包括人員車輛工器具調(diào)配、危險點(diǎn)分析、安全措施、作業(yè)流程管控在內(nèi)的全套不停電作業(yè)方案制定，可一鍵生成方案并打印。

在時間效益方面，傳統(tǒng)的帶電作業(yè)方案制定大約需要3天/次，而采用本文提出的基于配電物聯(lián)網(wǎng)人工智能分析模型來分析不停電作業(yè)方案，單次帶電作業(yè)方案制定預(yù)估僅為0.5天/次，可大幅提升工作效率。在經(jīng)濟(jì)成效方面，本模型大幅提升了人員、車輛的使用效率，可節(jié)約車輛和人員的使用成本。

圖5 基于配電物聯(lián)網(wǎng)的人工智能不停電作業(yè)分析模型流程圖

4 結(jié)束語

本文提出的基于配電物聯(lián)網(wǎng)的不停電作業(yè)人工智能分析模型改變了傳統(tǒng)作業(yè)方案制定及作業(yè)管理方式，在經(jīng)濟(jì)效益和時間效益方面有了大幅改善，可為供電公司大檢修智能化建設(shè)提供參考。未來可拓展無人機(jī)作業(yè)、機(jī)器人作業(yè)和3D作業(yè)現(xiàn)場再現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)模擬操作，更加直觀展現(xiàn)施工步驟，提高作業(yè)人員技能水平，保障作業(yè)人員人身安全。