配電網(wǎng)數(shù)字化智能運(yùn)維技術(shù)應(yīng)用研究

孫起鹿

（陜西電力建設(shè)集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710075）

0 引 言

電力系統(tǒng)由發(fā)電、輸電、變電、配電及用電系統(tǒng)組成。按照電壓等級分為高壓配電網(wǎng)、中壓配電網(wǎng)和低壓配電網(wǎng)；也可以按照供電服務(wù)對象來分，即給用戶供電的節(jié)點(diǎn)或斷面均稱為配電網(wǎng)，與電壓等級無關(guān)，增量配電網(wǎng)就是按照這個(gè)邏輯定義的，突破了電壓等級的限制。隨著分布式電源的接入，配電系統(tǒng)往往還包括分布式發(fā)電的電源，如光伏、儲能等，稱之為主動配電網(wǎng)。配電網(wǎng)具有點(diǎn)多、面廣、線長、變化大及通信環(huán)境差等特點(diǎn)。因電力系統(tǒng)發(fā)展的歷史原因，過去一度存在“重發(fā)、輕供、不管用”的現(xiàn)象，配網(wǎng)屬于供電環(huán)節(jié)，并不被重視。

近幾年來，電力系統(tǒng)主網(wǎng)架建設(shè)日趨完善，電網(wǎng)智能化、數(shù)字化、信息化成為共識[1-3]，配電系統(tǒng)得到了長足的發(fā)展及重視。電力系統(tǒng)三大指標(biāo)體系為：電能質(zhì)量、供電可靠性及線損。其中，電網(wǎng)中有一半的損耗發(fā)生在配電網(wǎng)，且配電系統(tǒng)的線損占比較高；用戶停電事件中，約80%是由配電系統(tǒng)引起的，影響可靠性的主要因素也在配電網(wǎng)；電壓合格率是判斷電能質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)，配網(wǎng)作為“最后一公里”也是決定性因素。在役配電網(wǎng)設(shè)備主要關(guān)注的參數(shù)包括運(yùn)行參數(shù)（如電壓、電流等）及設(shè)備本身的狀態(tài)參數(shù)（如溫度、局部放電等）[4]。

本文基于配電網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)及狀態(tài)參數(shù)的融合，提出構(gòu)建在役配電網(wǎng)設(shè)備數(shù)字化智能運(yùn)維系統(tǒng)的解決方案。在大數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析的理念下，對多源多類數(shù)據(jù)的相關(guān)性進(jìn)行系統(tǒng)分析，從而提升配電網(wǎng)建設(shè)與運(yùn)維的精益化水平。

1 配電網(wǎng)設(shè)備檢修的模式分析

1.1 配電網(wǎng)設(shè)備檢修現(xiàn)狀

配電網(wǎng)設(shè)備的檢修模式經(jīng)歷了故障檢修、周期檢修，最終發(fā)展到狀態(tài)檢修。三種模式的更迭是一個(gè)由不科學(xué)到較科學(xué)的過程，都與當(dāng)時(shí)設(shè)備技術(shù)水平、人員狀況及運(yùn)行模式緊密相關(guān)[5]。初期，運(yùn)行中的配電網(wǎng)設(shè)備一般是出現(xiàn)故障和損壞時(shí)，不得已才停機(jī)檢修，其原則是“壞了必修、修必修好”，稱之為故障檢修。該種模式勢必造成突發(fā)性停電，對需要連續(xù)運(yùn)行的用電客戶是一種大型生產(chǎn)事故，其損失無法估計(jì)；對供電企業(yè)來講，供電可靠性指標(biāo)無法保障，電量損失較大。后來逐漸發(fā)展到了預(yù)防檢修階段，該階段含有兩種模式，即周期檢修和狀態(tài)檢修。周期檢修的原則是“到期必修、修必修好”，這種檢修方式由被動停機(jī)到主動停機(jī)，減少了停電用戶的突發(fā)性損失。對于檢修周期的確定，從借鑒國外的經(jīng)驗(yàn)到自己總結(jié)，逐漸趨于完善合理。設(shè)備狀態(tài)檢修是根據(jù)先進(jìn)的狀態(tài)檢測、監(jiān)測和診斷技術(shù)提供的設(shè)備狀態(tài)信息，判斷設(shè)備的異常狀況，預(yù)判設(shè)備的故障趨勢，并在故障發(fā)生前進(jìn)行檢修。其原則是“該修則修、修必修好”。隨著設(shè)備全壽命周期狀態(tài)檢測與故障診斷技術(shù)的發(fā)展，實(shí)施設(shè)備狀態(tài)檢修已經(jīng)成為設(shè)備檢修的最高策略。狀態(tài)監(jiān)測是狀態(tài)檢修的基礎(chǔ)與支撐，而對監(jiān)測結(jié)果的有效科學(xué)應(yīng)用則是狀態(tài)檢修得以實(shí)現(xiàn)的保證。目前，由于狀態(tài)監(jiān)測的判據(jù)還沒有絕對標(biāo)準(zhǔn)，限制了狀態(tài)檢修的推進(jìn)。隨著數(shù)字化技術(shù)、計(jì)算機(jī)通信技術(shù)的進(jìn)步，基于邊緣計(jì)算、云計(jì)算技術(shù)的設(shè)備狀態(tài)參數(shù)與配電系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)融合，構(gòu)建了智能運(yùn)維體系，給設(shè)備狀態(tài)檢修應(yīng)用推廣帶來了廣闊的未來[6-10]。在配電系統(tǒng)中推行狀態(tài)檢修是電力設(shè)備檢修制度發(fā)展的必然選擇。其直接效益有：節(jié)省大量維修費(fèi)用，延長設(shè)備使用壽命，提高供電可靠性，降低檢修風(fēng)險(xiǎn)，提高設(shè)備利用率。設(shè)備檢修發(fā)展歷程如圖1所示。

圖1 配電網(wǎng)設(shè)備檢修模式的發(fā)展歷程

1.2 配電網(wǎng)設(shè)備狀態(tài)檢修可行性分析

開展配電網(wǎng)設(shè)備狀態(tài)檢修的基礎(chǔ)條件已經(jīng)具備：第一，配電網(wǎng)設(shè)備的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)有了一定的積累，其維護(hù)和檢修技術(shù)也得到了長足發(fā)展，為實(shí)施狀態(tài)檢修奠定了技術(shù)基礎(chǔ) ；第二，配電網(wǎng)設(shè)備的制造在絕緣材料性能、技術(shù)性能、生產(chǎn)工藝方面都有很大提高，制造質(zhì)量、設(shè)備使用壽命都得到了提升，為狀態(tài)檢修奠定了物理基礎(chǔ)；第三，配電設(shè)備在線監(jiān)測傳感器技術(shù)、通信技術(shù)發(fā)展較快，如紅外線成像技術(shù)、無源無線傳感器技術(shù)、光纖繞組溫度傳感器技術(shù)等，為各類設(shè)備狀態(tài)參數(shù)采集、傳輸、數(shù)據(jù)處理提供了可能；第四，計(jì)算機(jī)及通信技術(shù)為設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷提供了支撐，成為配電領(lǐng)域的一個(gè)重要應(yīng)用研究方向；第五，配電自動化大規(guī)模地應(yīng)用，為設(shè)備在線監(jiān)測及狀態(tài)檢修提供通信、圖資信息、地理信息等共享資源，為狀態(tài)檢修的全面推進(jìn)提供了便利條件。支持狀態(tài)檢修的在線監(jiān)測系統(tǒng)按照分層分布的系統(tǒng)原則，包括信號采集（具備邊緣計(jì)算功能）、信號傳輸（包括各種通信方式）、信號處理（具備模式識別功能）、故障診斷到最終給出檢修策略。具體框圖如圖2所示。

圖2 配電設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)框圖

2 大數(shù)據(jù)分析在配電網(wǎng)運(yùn)維中的應(yīng)用

2.1 大數(shù)據(jù)技術(shù)原理

對于“大數(shù)據(jù)”，麥肯錫全球研究所給出的定義是：一種規(guī)模大到在獲取、存儲、管理、分析方面大大超出了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫軟件工具能力范圍的數(shù)據(jù)集合，具有海量的數(shù)據(jù)規(guī)模、快速的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)、多樣的數(shù)據(jù)類型和價(jià)值密度低四大特征。大數(shù)據(jù)思維的核心是全樣本數(shù)據(jù)思維、數(shù)據(jù)核心思維、數(shù)據(jù)價(jià)值思維、關(guān)注效率思維、關(guān)注相關(guān)性思維及預(yù)測思維等。全樣本數(shù)據(jù)思維就是樣本即全體；數(shù)據(jù)核心思維即以數(shù)據(jù)為核心，強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)比流程更重要，挖掘更深層次的數(shù)據(jù)信息；數(shù)據(jù)價(jià)值思維即數(shù)據(jù)的應(yīng)用是有價(jià)值的；關(guān)注效率思維即從尋求精確度到尋求高效率，從尋找確定性到尋找概率性；關(guān)注相關(guān)性思維即由探求因果關(guān)系變成挖掘相關(guān)關(guān)系；預(yù)測思維即基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)相關(guān)性分析，挖掘深層次的應(yīng)用。大數(shù)據(jù)思維是新的思維觀，用大數(shù)據(jù)思維方式思考問題、解決問題成為未來發(fā)展趨勢。

2.2 基于大數(shù)據(jù)的配電網(wǎng)運(yùn)維分析

配電網(wǎng)作為電力系統(tǒng)與用戶連接的最后環(huán)節(jié)，其運(yùn)行參數(shù)、狀態(tài)參數(shù)等相關(guān)數(shù)據(jù)的應(yīng)用分析一直是一個(gè)難題，運(yùn)行參數(shù)有額定數(shù)據(jù)驗(yàn)證，而狀態(tài)參數(shù)缺乏絕對標(biāo)準(zhǔn)，且與運(yùn)行參數(shù)密切相關(guān)?；诖?，對比適合于大數(shù)據(jù)分析的方法來找出規(guī)律，并指導(dǎo)配電網(wǎng)的建設(shè)與運(yùn)維。基于多維度變量數(shù)據(jù)分析，對配電網(wǎng)進(jìn)行的綜合評估診斷，可以快速得到配網(wǎng)可靠率、線損率、電壓合格率等主要技術(shù)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對配電網(wǎng)現(xiàn)狀的總體評估、診斷、分析，為查找系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)提供量化數(shù)據(jù)支撐。具體策略的突破點(diǎn)在于將配電網(wǎng)的運(yùn)行參數(shù)與狀態(tài)參數(shù)建立邏輯關(guān)系，發(fā)現(xiàn)二者的相關(guān)程度，為網(wǎng)架結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀分析、設(shè)備質(zhì)量狀態(tài)監(jiān)測提供數(shù)據(jù)支撐；通過分析薄弱環(huán)節(jié)而生成的“問題庫”，對目標(biāo)電網(wǎng)進(jìn)行計(jì)算分析，得到目標(biāo)網(wǎng)架的分析指標(biāo)；并通過對比驗(yàn)證建設(shè)改造的合理性，輔助建設(shè)目標(biāo)網(wǎng)架方案的決策，構(gòu)建相應(yīng)的建設(shè)改造方案庫。

3 配電網(wǎng)智能運(yùn)維平臺

配電網(wǎng)智能運(yùn)維平臺整合了調(diào)度系統(tǒng)、變電站自動化系統(tǒng)、無人值守變電站輔助系統(tǒng)、配電自動化系統(tǒng)及配電設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)等全方位信息，既包括了配電系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，也包括了配電設(shè)備及環(huán)境等的狀態(tài)參數(shù)?；诖髷?shù)據(jù)分析的理論，為配電網(wǎng)建設(shè)及運(yùn)行維護(hù)提供支持。

3.1 配電網(wǎng)智能運(yùn)維系統(tǒng)架構(gòu)

配電網(wǎng)智能運(yùn)維平臺系統(tǒng)架構(gòu)按照分層分布式體系共分三層：現(xiàn)場感知層、數(shù)據(jù)傳輸層、平臺應(yīng)用層。現(xiàn)場感知層：采用各類設(shè)備安全狀態(tài)傳感器、探測器、采集器、智能檢測終端或第三方儀器儀表類智能設(shè)備等，完成現(xiàn)場電流、電壓等參數(shù)的采集及預(yù)處理；數(shù)據(jù)傳輸層：融合多種通信方式的通信網(wǎng)絡(luò)；平臺應(yīng)用層：基于調(diào)度自動化、變電站綜合自動化及配電自動化等構(gòu)成的運(yùn)行監(jiān)控平臺應(yīng)用已經(jīng)實(shí)現(xiàn)；設(shè)備在線監(jiān)測平臺功能正在逐步實(shí)現(xiàn)；配電網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)控平臺與設(shè)備在線監(jiān)測平臺融合構(gòu)建了智能配電網(wǎng)運(yùn)維平臺，即配電網(wǎng)狀態(tài)參數(shù)與運(yùn)行參數(shù)均實(shí)現(xiàn)可觀、可測、可控?；谂潆娫O(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)的平臺，可以融合設(shè)備壽命管理與預(yù)測技術(shù)、設(shè)備可靠性分析技術(shù)及信息管理與決策技術(shù)為一體，是一個(gè)廣義的配電網(wǎng)智能運(yùn)維系統(tǒng)平臺，實(shí)現(xiàn)了配電網(wǎng)的智能化運(yùn)維。智能運(yùn)維平臺架構(gòu)如圖3所示。

圖3 智能運(yùn)維平臺架構(gòu)框圖

3.2 配電網(wǎng)智能運(yùn)維平臺應(yīng)用功能

配電網(wǎng)智能運(yùn)維系統(tǒng)基于云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)技術(shù)，與配電室運(yùn)維、用電服務(wù)相結(jié)合，為用戶提供線上線下配電運(yùn)維服務(wù)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集中化值班、系統(tǒng)自動化監(jiān)控、運(yùn)行數(shù)據(jù)化分析、現(xiàn)場移動化巡檢、設(shè)備全壽命管理、能效分析與診斷、月度運(yùn)行分析、配電站綜合評價(jià)、實(shí)時(shí)運(yùn)行監(jiān)控?；趯?shí)時(shí)數(shù)據(jù)和大數(shù)據(jù)模型的安全分析、配電室健康狀態(tài)評價(jià)和能效評價(jià)功能，對用戶配電運(yùn)行狀態(tài)、管理水平、用電效率進(jìn)行客觀、綜合評價(jià)；自動化分析報(bào)告、統(tǒng)計(jì)報(bào)表，可敏捷響應(yīng)用戶的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析及運(yùn)維報(bào)告需求；覆蓋配電運(yùn)維、計(jì)量與價(jià)費(fèi)管理、樓層用電監(jiān)控、能源管理等全景業(yè)務(wù)。此系統(tǒng)可以減少維護(hù)人員、杜絕行為浪費(fèi)、延長設(shè)備壽命、減低維護(hù)費(fèi)用，進(jìn)而降低運(yùn)營成本，還有利于節(jié)能增效。

4 結(jié) 語

本文在通信技術(shù)及邊緣計(jì)算技術(shù)進(jìn)步的基礎(chǔ)上，提出了基于狀態(tài)檢修策略的配電網(wǎng)智能運(yùn)維平臺系統(tǒng)的構(gòu)架，即融合了傳統(tǒng)的調(diào)度自動化等系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)及配電設(shè)備在線監(jiān)測狀態(tài)參數(shù)，用大數(shù)據(jù)的理論分析了運(yùn)行參數(shù)及狀態(tài)參數(shù)的相關(guān)性，為判定配電設(shè)備運(yùn)行情況提供依據(jù)，為配電網(wǎng)薄弱點(diǎn)分析提供支撐，給配電網(wǎng)建設(shè)、運(yùn)維檢修提供方案建議。