基于三維全景的電網(wǎng)數(shù)字化建設(shè)研究與應(yīng)用思路構(gòu)建

陶銀正

(國網(wǎng)安徽省電力有限公司超高壓分公司, 安徽 合肥 230009)

0 引言

隨著我國特高壓交直流混合電網(wǎng)地不斷建設(shè)，以及新冠疫情后國民經(jīng)濟強勁復(fù)蘇帶來的電力需求地持續(xù)增加，大量新變電站的投產(chǎn)使得電網(wǎng)運維檢修人力資源日趨緊張，通過實施電網(wǎng)數(shù)字化建設(shè)來提高運檢效率和質(zhì)量是保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的最優(yōu)解。電網(wǎng)數(shù)字化建設(shè)是國家電網(wǎng)有限公司落實國企改革三年行動、建設(shè)現(xiàn)代設(shè)備管理體系的重要舉措，是推進輸變電業(yè)務(wù)模式優(yōu)化升級的重要途徑，是實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”、能源配置智慧化和能源服務(wù)多元化的一個重要環(huán)節(jié)。針對現(xiàn)階段的電網(wǎng)數(shù)字化建設(shè)實踐，可以綜合利用三維全景、圖像智能識別、AR實景等成熟技術(shù)，充分發(fā)揮物信融合和云邊融合的能力，實現(xiàn)電網(wǎng)輸變電設(shè)備運維從“人工經(jīng)驗”向“數(shù)據(jù)驅(qū)動”轉(zhuǎn)變，及時精準預(yù)警，并主動推送智慧化決策，全面提升電網(wǎng)輸變電設(shè)備運維檢修效率效能。

1 三維全景技術(shù)在電網(wǎng)數(shù)字化建設(shè)中的應(yīng)用前景

2015年5月國務(wù)院印發(fā)的《中國制造2025》戰(zhàn)略文件中明確提出制造業(yè)要不斷提升數(shù)字化研發(fā)設(shè)計工具普及率，推動生產(chǎn)制造向先進服務(wù)轉(zhuǎn)變，促進傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化。在我國電網(wǎng)工程建設(shè)不斷取得佳績的背景下，電網(wǎng)輸變電設(shè)備運維管理也出現(xiàn)了很多技術(shù)難題需要攻克，如超特高壓大電網(wǎng)穩(wěn)定控制、電網(wǎng)調(diào)度和新能源接入等。傳統(tǒng)電力信息化系統(tǒng)已不能完全勝任新時代電網(wǎng)輸變電設(shè)備運維管理精益化、智能化、全面化的需求，迫切需要建設(shè)一套具有融合多專業(yè)信息數(shù)據(jù)、智慧聚合數(shù)據(jù)分析、故障智能預(yù)判告警和決策輔助的電網(wǎng)數(shù)字化系統(tǒng)。

我國以往的電網(wǎng)信息化建設(shè)實踐案例，大多數(shù)都是將大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、可視化等技術(shù)孤立運用，再將傳統(tǒng)電網(wǎng)信息化系統(tǒng)應(yīng)用在電網(wǎng)工程設(shè)計和輸變電工程施工建設(shè)等環(huán)節(jié)，不同專業(yè)的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗成果不能得到很好的融合，造成很多信息孤島。而采用三維全景技術(shù)建設(shè)的電網(wǎng)數(shù)字化系統(tǒng)以三維全景可視化的方式將電力企業(yè)的規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)、運行、檢修、調(diào)度、運營、營銷等多專業(yè)信息進行智能聚合。電網(wǎng)數(shù)字化數(shù)據(jù)管理實現(xiàn)分專業(yè)錄入和采集、統(tǒng)一集中管理、多處共享重復(fù)利用等功能，讓“數(shù)據(jù)多跑路，職工少跑腿”成為了現(xiàn)實。通過大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、可視化等先進技術(shù)對電網(wǎng)數(shù)字化數(shù)據(jù)進行綜合應(yīng)用分析，為我們提供電網(wǎng)運行信息實時呈現(xiàn)、停電隔離點決策、供電可靠性分析、電網(wǎng)潮流分析計算和電網(wǎng)設(shè)備搶修輔助決策等功能。

三維全景電網(wǎng)數(shù)字化系統(tǒng)通過采用三維全景技術(shù)，將電力設(shè)備巡檢機器人、工業(yè)高清視頻、紅外錄像機、GIS設(shè)備SF壓力在線監(jiān)測、變壓器油色譜在線監(jiān)測等專業(yè)系統(tǒng)進行綜合應(yīng)用，可以實現(xiàn)電網(wǎng)設(shè)備監(jiān)控集約化、狀態(tài)感知全面化、設(shè)備管理智慧化，引導(dǎo)電網(wǎng)設(shè)備運維管理水平進入電網(wǎng)數(shù)字化的高質(zhì)量狀態(tài)。

電網(wǎng)數(shù)字化建設(shè)是一項牽涉專業(yè)多，技術(shù)專業(yè)性強，協(xié)調(diào)難度高的工程，需要我們始終堅持以需求為導(dǎo)向，遵循“統(tǒng)一部署、多級應(yīng)用”原則，統(tǒng)籌好數(shù)字化轉(zhuǎn)型與專業(yè)基礎(chǔ)管理的關(guān)系，切實發(fā)揮三維全景技術(shù)的效能來貫通各專業(yè)運維管理數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)規(guī)范準確和電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。

2 三維全景電網(wǎng)數(shù)字化的應(yīng)用思路

電網(wǎng)輸電線路在地理分布特點上呈現(xiàn)出線性和帶狀分布的格局，有時候輸電線路規(guī)劃設(shè)計需要進行線路選線，有時候輸電線路精益化管理需要進行桿塔排位，有時候輸電線路運維需要進行樹障和漂浮物清理，這些輸電線路運維管理難度都比較大。另外換流站或者變電站建筑物的點狀分布業(yè)態(tài)，很多設(shè)備或者建筑結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，而傳統(tǒng)的電力GIS系統(tǒng)只能提供電力設(shè)備、電網(wǎng)運行狀態(tài)，不能將電力規(guī)劃、設(shè)計、運行、檢修、營銷等多方面信息進行聚合，導(dǎo)致了多專業(yè)系統(tǒng)信息孤島和電網(wǎng)數(shù)據(jù)離散，造成專業(yè)系統(tǒng)煙囪林立、數(shù)據(jù)離散管理、運維管理難度大等多重問題。通過使用三維全景技術(shù)進行電網(wǎng)數(shù)字化系統(tǒng)建設(shè)，我們不僅可以實現(xiàn)輸變電設(shè)備運維管理的“全景全息、透明電網(wǎng)、一眼看穿”，還可以實現(xiàn)輸電線路的方位或區(qū)域分析判斷功能，為用戶提供可靠的輔助決策和綜合統(tǒng)計分析。

2.1 科學(xué)合理設(shè)計電網(wǎng)數(shù)字化方案

按照“數(shù)據(jù)一個源、電網(wǎng)一張圖、業(yè)務(wù)一條線”的共建共享原則，堅持以需求為導(dǎo)向，統(tǒng)籌規(guī)劃設(shè)計科學(xué)合理的三維全景電網(wǎng)數(shù)字化方案，是電網(wǎng)數(shù)字化建設(shè)至關(guān)重要的一步。在構(gòu)建三維全景電網(wǎng)數(shù)字化系統(tǒng)的設(shè)計階段，我們要找準現(xiàn)狀、差距和問題，重點發(fā)力，貫通數(shù)據(jù)，積極完善并確定系統(tǒng)的層次架構(gòu)。

當前三維全景電網(wǎng)數(shù)字化系統(tǒng)工程建設(shè)實踐的層次架構(gòu)大致分為基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)管控層、數(shù)據(jù)訪問層、應(yīng)用服務(wù)層、典型應(yīng)用層、電力用戶層等六個層次。這六個層次在三維全景電網(wǎng)數(shù)字化系統(tǒng)中已經(jīng)實現(xiàn)應(yīng)用前臺數(shù)據(jù)單獨呈現(xiàn)和應(yīng)用后臺數(shù)據(jù)共享利用，有效保證了電網(wǎng)數(shù)字化三維全景系統(tǒng)的后續(xù)延展性。

在三維全景電網(wǎng)數(shù)字化系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲設(shè)計時，我們需要將數(shù)據(jù)管理與數(shù)據(jù)應(yīng)用劃分為兩個業(yè)務(wù)板塊，通過合理設(shè)計數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來規(guī)避信息孤島風險，以電網(wǎng)數(shù)字化數(shù)據(jù)集中管理需求為基礎(chǔ)，明晰數(shù)據(jù)共享機制，做到標準規(guī)范統(tǒng)一、源端數(shù)據(jù)唯一、功能模塊健全、信息安全穩(wěn)固。

在三維全景電網(wǎng)數(shù)字化系統(tǒng)的建設(shè)實施階段，我們要充分發(fā)揮服務(wù)器端的高性能計算能力對電網(wǎng)數(shù)據(jù)進行綜合應(yīng)用分析，充分利用圖像識別、數(shù)字孿生、大數(shù)據(jù)分析等物聯(lián)網(wǎng)先進技術(shù)，智慧化應(yīng)用輸變電設(shè)備狀態(tài)感知，保障用戶實時獲取三維可視化服務(wù)完成相關(guān)工作。

在三維全景電網(wǎng)數(shù)字化系統(tǒng)試點運行階段，我們需要對高頻次使用的數(shù)據(jù)定時進行多重存儲備份，制定并完善電網(wǎng)數(shù)字化服務(wù)器端的災(zāi)難恢復(fù)方案，確保電網(wǎng)數(shù)字化數(shù)據(jù)的安全性和系統(tǒng)可靠運行。電網(wǎng)數(shù)字化三維全景系統(tǒng)客戶端主要以web網(wǎng)頁訪問的方式來獲取典型應(yīng)用可視化場景，這樣不僅真正做到了基層減負易用，也能有效提升輸變電設(shè)備運維管理效率。

圖1 三維全景電網(wǎng)數(shù)字化系統(tǒng)層次架構(gòu)

2.2 三維全景電網(wǎng)數(shù)字化系統(tǒng)的關(guān)鍵性功能特征

三維全景電網(wǎng)數(shù)字化方案的主要運行機制是，通過充分利用大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、三維全景等技術(shù)，不僅能實現(xiàn)輸變電工程的規(guī)劃設(shè)計、運行檢修數(shù)據(jù)、調(diào)度交易信息和營銷搶修信息等專業(yè)信息的安全存儲、智能歸檔、精益管理，還能以更豐富的姿態(tài)呈現(xiàn)數(shù)據(jù)、多專業(yè)信息數(shù)據(jù)共享和更多典型場景應(yīng)用，極大簡化了電網(wǎng)輸變電設(shè)備全壽命周期的運維管理難度。三維全景電網(wǎng)數(shù)字化方案的關(guān)鍵性功能特征有如下五個：

一是技術(shù)特征。相比較以往的傳統(tǒng)垂直封閉式的架構(gòu)，基于三維全景電網(wǎng)數(shù)字化技術(shù)的系統(tǒng)架構(gòu)，有著更加多的技術(shù)優(yōu)勢：采用行為實現(xiàn)云化；可以步入到微服務(wù)的狀態(tài)；服務(wù)達到可視化的基準；進入到互聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境下運作；可以集成對應(yīng)的智慧技術(shù)。在這樣的技術(shù)優(yōu)勢下，海量數(shù)據(jù)都可以融入進去，并且引導(dǎo)實際的業(yè)務(wù)步入到智能化的狀態(tài)，業(yè)務(wù)的運作質(zhì)量和效率都會得到提升，滿足電網(wǎng)輸變電設(shè)備管理各種業(yè)務(wù)的并發(fā)需求，具有廣泛的業(yè)務(wù)應(yīng)用和良好的用戶體驗。

二是管理特征。管理方式得到改善，可以實現(xiàn)從端到端的數(shù)據(jù)服務(wù)以及業(yè)務(wù)服務(wù)，在數(shù)據(jù)驅(qū)動的協(xié)作下，無論是業(yè)務(wù)流程的質(zhì)量，還是決策的效率，都得到了明顯提升。這樣的管理架構(gòu)，充分展現(xiàn)出扁平化管理的優(yōu)勢。

三是運營特征。之前多數(shù)使用的是分工運營方式，但是在新技術(shù)架構(gòu)中，專業(yè)管理的邊界得以融通，整合能力提升，專業(yè)運用的模塊因此不斷減少，帶來的結(jié)果就是，整體性的運營能力得到了進一步提升。

四是安全特征。與傳統(tǒng)電網(wǎng)信息化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全防護不同，三維全景電網(wǎng)數(shù)字化系統(tǒng)具有本體安全特征，具備完善的災(zāi)害恢復(fù)備份、云端分布儲存和計算，擁有統(tǒng)一的用戶權(quán)限管理認證體系。

五是價值特征。在傳統(tǒng)電網(wǎng)信息化系統(tǒng)的價值基礎(chǔ)上，開拓了新的價值創(chuàng)造模式。隨著三維全景電網(wǎng)數(shù)字化系統(tǒng)建設(shè)形成的數(shù)字化能源產(chǎn)業(yè)新生態(tài)，如虛擬電廠、智慧充電網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)園區(qū)綜合能源服務(wù)，開啟數(shù)字經(jīng)濟在電力企業(yè)的發(fā)展，為電網(wǎng)從傳統(tǒng)能源供應(yīng)轉(zhuǎn)型為能源服務(wù)綜合提供有益的嘗試。尤其是創(chuàng)新基于區(qū)塊鏈的點對點能源交易機制，正在探索開創(chuàng)著我國能源交易的新模式。

2.3 三維全景電網(wǎng)數(shù)字化的安全性分析

傳統(tǒng)電網(wǎng)應(yīng)用信息化和自動化手段較少時，電網(wǎng)安全保障僅是物理電網(wǎng)本身的運行安全。三維全景電網(wǎng)數(shù)字化將采用大量數(shù)字化手段，電網(wǎng)安全的邊界不斷延伸，再加上黑客攻擊、網(wǎng)絡(luò)襲擊的風險加大，電網(wǎng)安全需要應(yīng)對的場景更加復(fù)雜。隨著大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、智能化、區(qū)塊鏈等技術(shù)在電網(wǎng)領(lǐng)域的大量應(yīng)用，數(shù)字化電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)安全問題成為一個主要挑戰(zhàn)。

電網(wǎng)安全可以分為兩個方面，一個是本質(zhì)安全，另一個是數(shù)據(jù)安全。本質(zhì)安全是指物理電網(wǎng)本身的運行安全。數(shù)據(jù)安全是伴隨著電力數(shù)據(jù)的開放共享、電網(wǎng)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型產(chǎn)生的，且由于數(shù)據(jù)權(quán)益歸屬不清晰、數(shù)據(jù)開放共享義務(wù)不明確、數(shù)據(jù)流通機制不完善、數(shù)據(jù)質(zhì)量標準不統(tǒng)一以及數(shù)據(jù)安全缺乏監(jiān)管等原因?qū)е碌摹?/p>

針對電網(wǎng)數(shù)據(jù)安全的挑戰(zhàn)，在進行三維全景電網(wǎng)數(shù)字化系統(tǒng)建設(shè)過程中，要嚴格遵循以下幾條規(guī)范：一是著力解決數(shù)據(jù)質(zhì)量問題，確保對應(yīng)的模型和規(guī)則成為更加好的基準，引導(dǎo)數(shù)據(jù)管理安全工作進入到更加理想的環(huán)境；二是確保數(shù)據(jù)錄入核查能夠依照對應(yīng)規(guī)范來進行，確保數(shù)據(jù)質(zhì)量可以以在線核查的方式來處理；三是可以依靠眾多大數(shù)據(jù)技術(shù)的集成，使得數(shù)據(jù)質(zhì)量評估效益，使得在線稽查的功能朝著更加理想的方向發(fā)展。

2.4 三維全景電網(wǎng)數(shù)字化的效益評價

三維全景電網(wǎng)數(shù)字化系統(tǒng)在投入運行后，我們需要對該工程進行以下幾方面的效益評價：

其一，有健全的新舊信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)遷移和業(yè)務(wù)切換機制。對于整個電網(wǎng)工程而言，新舊信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)遷移和業(yè)務(wù)切換是極其復(fù)雜的。在三維全景電網(wǎng)數(shù)字化系統(tǒng)建成交付使用時，需要重點關(guān)注電網(wǎng)數(shù)字化數(shù)據(jù)的遷移審核、共享管理，規(guī)范使用數(shù)據(jù)共享及其服務(wù)接口，科學(xué)合理規(guī)避可能出現(xiàn)的信息孤島。

其二，有完善的系統(tǒng)運行質(zhì)量報告制度。雖然三維全景電網(wǎng)數(shù)字化系統(tǒng)是依據(jù)電網(wǎng)數(shù)字化標準和規(guī)范建設(shè)的，為了保障系統(tǒng)能安全可靠的運行，在系統(tǒng)運行階段應(yīng)依據(jù)相關(guān)規(guī)范建立完善的系統(tǒng)運行質(zhì)量報告制度。針對系統(tǒng)運行質(zhì)量異常事件，要及時開展異常分析診斷，給出對應(yīng)的整改意見，并積極對系統(tǒng)進行優(yōu)化迭代升級改造，確保系統(tǒng)更好的保障電網(wǎng)輸變電設(shè)備安全穩(wěn)定運行和各項電網(wǎng)業(yè)務(wù)正常開展。

其三，有規(guī)范的系統(tǒng)業(yè)務(wù)擴展技術(shù)手冊。在確保系統(tǒng)建成投運時已有典型應(yīng)用業(yè)務(wù)全部正常使用的同時，三維全景電網(wǎng)數(shù)字化系統(tǒng)還需要有通過拓展業(yè)務(wù)模塊來滿足未來增量應(yīng)用場景的能力，并提供規(guī)范統(tǒng)一完備的業(yè)務(wù)擴展技術(shù)手冊。

3 三維全景電網(wǎng)數(shù)字化建設(shè)需要注意的問題

全球能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展合作組織發(fā)布的《中國“十四五”電力發(fā)展規(guī)劃研究》，明確指出“十四五”電網(wǎng)發(fā)展應(yīng)以安全為基礎(chǔ)。

3.1 三維全景電網(wǎng)數(shù)字化的隱私安全

現(xiàn)階段電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)開放共享法律法規(guī)并不完善，缺少成熟的隱私保護技術(shù)方案，造成了電力數(shù)據(jù)開放共享流程不夠細致和規(guī)范。電力數(shù)據(jù)天然具有公共屬性，但電力數(shù)據(jù)在法律意義上存在特殊性和復(fù)雜性，三維全景電網(wǎng)數(shù)字化系統(tǒng)在使用電力用戶數(shù)據(jù)時一定要合法合規(guī)，明確規(guī)定電力數(shù)據(jù)開放共享的具體范圍和禁區(qū)，并要格外注意規(guī)范用戶電力數(shù)據(jù)隱私保護。

電網(wǎng)安全更需要加強自身的防護機制，形成覆蓋數(shù)據(jù)流通全過程的隱私保護。從三維全景電網(wǎng)數(shù)字化系統(tǒng)管理上將關(guān)鍵數(shù)據(jù)放在更為安全的地方，對外傳送數(shù)據(jù)要經(jīng)過相應(yīng)的檢查，要對敏感數(shù)據(jù)有完備的甄別檢查機制，建立包含技術(shù)補救等措施在內(nèi)的應(yīng)急防護機制，形成分層級、差異化的全過程隱私數(shù)據(jù)保護體系。

3.2 三維全景電網(wǎng)數(shù)字化人才培養(yǎng)

三維全景電網(wǎng)數(shù)字化系統(tǒng)的建設(shè)和運行，需要更多高素質(zhì)專業(yè)化的人才，電網(wǎng)企業(yè)既要充分利用好已有信息化人才隊伍，也要結(jié)合工程實際來招聘三維全景數(shù)字化人才。積極營造科技創(chuàng)新環(huán)境，積極建立完善三維全景電網(wǎng)數(shù)字化技術(shù)教育培訓(xùn)機制，確保在職員工有自我提升的渠道。

3.3 三維全景電網(wǎng)數(shù)字化的芯片安全

隨著語音處理、視頻圖像識別、知識圖譜、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)在三維全景電網(wǎng)數(shù)字化系統(tǒng)的調(diào)度、運維和營銷等電網(wǎng)業(yè)務(wù)中大規(guī)模應(yīng)用，為保護電網(wǎng)安全還要持續(xù)加強傳感器、通信、控制與計算處理、先進存儲等關(guān)鍵芯片研究，積極推動我國電力高端芯片設(shè)計和產(chǎn)品化能力提升。

4 三維全景電網(wǎng)數(shù)字化建設(shè)的展望

三維全景電網(wǎng)數(shù)字化建設(shè)的展望主要包括三個方面：一是推動電網(wǎng)轉(zhuǎn)型升級，通過三維全景電網(wǎng)數(shù)字化技術(shù)為電網(wǎng)向更高層次的智能化賦能。通過海量數(shù)據(jù)的跨業(yè)務(wù)、擴區(qū)域、跨層級的實時應(yīng)用和業(yè)務(wù)過程的智能化，驅(qū)動公司管理和業(yè)務(wù)變更，促進公司提質(zhì)增效。二是推動建立協(xié)同多元的能源供應(yīng)體系，形成對外開放的價值鏈整合和能源生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)體系，引導(dǎo)各類能源產(chǎn)銷協(xié)調(diào)發(fā)展，促進能源綠色生產(chǎn)和消費，助力形成能源節(jié)約型社會。三是踐行國家發(fā)展戰(zhàn)略，提高可再生能源開發(fā)和消納水平，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，全面踐行國家“四個革命、一個合作”的能源安全新戰(zhàn)略。

5 結(jié)論

綜上所述，三維全景電網(wǎng)數(shù)字化建設(shè)不僅能有效提升電網(wǎng)能源配置效率，還使能源配置得以全景看、全息判、全程控，促進能源消費從單一、被動、通用化的利用模式向融合多中需求、主動參與、定制化的高效利用模式轉(zhuǎn)變。