面向新型電力系統(tǒng)的配電網(wǎng)設(shè)備安全運行管理頂層設(shè)計

天津大學電氣自動化與信息工程學院 范延赫

中國能源建設(shè)集團天津電力設(shè)計院有限公司 王 慧 劉建偉

國網(wǎng)北京市電力公司 陳澤西 賈東強

■引言

在“雙碳”目標和新型電力系統(tǒng)不斷發(fā)展的大背景下，電網(wǎng)電力設(shè)備愈發(fā)智能化、信息化、數(shù)字化。與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)相比，新型電力系統(tǒng)隨機性、波動性更加明顯[1]。同時智能設(shè)備不斷更新，在帶來龐大數(shù)據(jù)源的同時，也使原有的管理、運維、檢修等技術(shù)無法滿足新型電力系統(tǒng)建設(shè)的需要。

隨著配電線路在電力系統(tǒng)中所占份額越來越大，其安全運行與否直接影響電力系統(tǒng)的供電和配電效率[2]。配電網(wǎng)系統(tǒng)龐大復雜，包含變壓器、開關(guān)柜等設(shè)備，其安全性幾乎關(guān)乎著國計民生[3-4]。因此，保障配網(wǎng)設(shè)備的安全穩(wěn)定運行將成為首要任務(wù)。當前我國配網(wǎng)設(shè)備運行管理存在一系列問題，為了減少設(shè)備故障，提高供電可靠性，最大程度保證電力企業(yè)的利益，必須科學的制定相關(guān)措施，及時發(fā)現(xiàn)并解決配網(wǎng)運行時出現(xiàn)的各種故障，從而保障配電線路安全穩(wěn)定運行，更好的滿足用戶需求。

本文將研究和分析目前配電網(wǎng)設(shè)備安全管理出現(xiàn)的問題，并從安全管理制度、運行維護技術(shù)以及操作人員水平方面，結(jié)合“云大物移”、人工智能、區(qū)塊鏈等數(shù)字技術(shù)，提升配網(wǎng)設(shè)備安全管理水平，保障新型電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。再總結(jié)和探討新型電力系統(tǒng)配電網(wǎng)設(shè)備運行維護關(guān)鍵技術(shù)，為后續(xù)配網(wǎng)設(shè)備安全管理提供參照。

■配電網(wǎng)電氣設(shè)備運行管理現(xiàn)存問題

（一）設(shè)備本身存在隱患

1.電力設(shè)備的采購工作不夠完善

在選擇配網(wǎng)設(shè)備時應(yīng)嚴格按遵守國家相關(guān)安全規(guī)定，在保證質(zhì)量的同時盡可能減少采購成本。但一些企業(yè)并不重視采購工作，僅從降低成本的角度隨意選擇也并不會對選購的設(shè)備加以認真檢驗。甚至有些采購部門以權(quán)謀私、以次充好使得設(shè)備的質(zhì)量得不到保障，從根本上埋下安全隱患[5-6]。

2.配電網(wǎng)設(shè)備老化嚴重

由于投資成本的限制，部分地區(qū)的配網(wǎng)設(shè)備更新速度緩慢，陳舊落后的設(shè)備已經(jīng)無法滿足新型電力系統(tǒng)建設(shè)和正常運轉(zhuǎn)的需求，甚至會引發(fā)安全事故[7-8]。比如沒有及時更換老化線路或者沒有及時更換其他老化材料，使配電線路絕緣性出現(xiàn)問題，進而使導線之間存在漏電，從而會導致大量的熱量和火花出現(xiàn)，引起火災事故，也會對周邊群眾的生命財產(chǎn)安全產(chǎn)生威脅。

3.外部環(huán)境影響

配網(wǎng)設(shè)備在地震、大風、雷雨等天氣情況下可能會受到不同程度的損害。最嚴重的問題當屬雷擊事故。它會造成絕緣子爆裂、避雷器爆裂、設(shè)備燒毀等問題[9]。

（二）缺乏健全的安全運行管理體系

1.安全意識薄弱

首先對于一些企業(yè)來說，缺少法律意識、對配網(wǎng)設(shè)備發(fā)生故障造成的影響認識不足，相關(guān)的安保和應(yīng)急措施不夠完善，無法給管理人員和操作人員給予足夠的安全保障；其次，對于操作人員來說，在運行維護時一些人存在僥幸心理。圖省事，怕麻煩的思想仍然存在，對較小的故障可能選擇視而不見，認為其無關(guān)緊要。此外，運行人并沒有對所有設(shè)備進行實時監(jiān)控，這可能導致漏掉一些異常情況。

2.安全管理制度缺陷

制度是保障配網(wǎng)安全運行的基礎(chǔ)，但電力系統(tǒng)配網(wǎng)設(shè)備安全管理制度仍不完善。配網(wǎng)設(shè)備安全管理制度不符合實際情況，并沒有根據(jù)行業(yè)標準和運行條件嚴格制定安全管理制度。現(xiàn)有的制度無法覆蓋購置、安裝、使用、運維、更新、淘汰等全部環(huán)節(jié)，在細節(jié)處也存在紕漏，配網(wǎng)設(shè)備管理不規(guī)范、不嚴謹、不具體。

除了安全管理制度不完善，配網(wǎng)設(shè)備安全管理制度的執(zhí)行也存在不到位的情況。部分管理工作人員并沒有認識到安全管理制度的重要性，沒有將相應(yīng)的規(guī)章制度落實到工作中。

配網(wǎng)管理人員不足和專業(yè)素質(zhì)無法滿足崗位需求的現(xiàn)象也制約著安全管理制度有效落實。許多操作人員過分依賴經(jīng)驗作業(yè)，對新型設(shè)備不夠了解。專業(yè)知識和職業(yè)技能很難達到配網(wǎng)自動化運行和管理的水平[10-11]。

綜上，建立、健全、落實配網(wǎng)設(shè)備安全管理制度是十分有必要的。

3.缺少完善的監(jiān)督體系

首先，缺少專門的監(jiān)督機構(gòu)。政府和企業(yè)在監(jiān)督過程中都起到一定作用，但這樣也會導致責任不清的現(xiàn)象，大大降低監(jiān)督質(zhì)量。同時，監(jiān)督混亂，沒有真正做到“專業(yè)人做專業(yè)事”。其次，監(jiān)督制度不全。一方面相應(yīng)的監(jiān)管制度并未建立起來，如上下級溝通，事故報告制度等，另一方面，缺乏與監(jiān)管制度對應(yīng)的獎懲制度，因此在監(jiān)管過程中難免不出現(xiàn)缺乏系統(tǒng)性、針對性、規(guī)范性等問題。最后，監(jiān)督對象不全面。除了對配電網(wǎng)電氣設(shè)備的運行狀態(tài)進行監(jiān)督管理之外，還需要對操作人員進行監(jiān)督考核。

（三）配電網(wǎng)設(shè)備運行維護技術(shù)落后

一方面，缺乏配網(wǎng)設(shè)備集成系統(tǒng)。無法及時獲取電氣設(shè)備編號，位置信息，運行狀態(tài)等參數(shù)。另一方面，運維技術(shù)落后。傳統(tǒng)的運維方式通常是故障后檢修，這樣一來無法保證對設(shè)備的實時監(jiān)控，二來比較耗費人工[12]。而且，隨著新型電力設(shè)備的不斷出現(xiàn)，現(xiàn)有的運維技術(shù)無法滿足精確性，可靠性，時效性等要求。

■健全配網(wǎng)設(shè)備安全運行管理體系

配電網(wǎng)設(shè)備安全管理是對設(shè)備壽命周期全過程的管理，包括配網(wǎng)線路規(guī)劃設(shè)計，設(shè)備選型、采購、安裝驗收、運行維護、及檢修、淘汰等多個環(huán)節(jié)。為了使配網(wǎng)設(shè)備安全運行，完善的安全管理體系是重中之重。必須根據(jù)行業(yè)標準建立安全管理制度并嚴格執(zhí)行、加強各部門監(jiān)管聯(lián)動、依托物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、物品編碼等信息技術(shù)加強運行維護等。圖1 為配電網(wǎng)設(shè)備安全管理體系。

圖1 配電網(wǎng)設(shè)備安全管理體系

（一）建立配電網(wǎng)設(shè)備安全管理制度

配電網(wǎng)設(shè)備安全管理必須在制度的規(guī)范和引導下進行。各生產(chǎn)單位、電力企業(yè)必須結(jié)合工作安全要求和自身實際情況制定和完善安全管理制度，并確保能落實到實處[6,13-15]。建立各級崗位責任制，明確參與配網(wǎng)建設(shè)全部人員和機構(gòu)的目標和責任，完善交接班制度。完善操作規(guī)程，確保操作人員嚴格按照安全規(guī)程操作，同時確保人身安全。建立安全檢查制度，定期對設(shè)備檢查維護，及時發(fā)現(xiàn)老化破損的設(shè)備，并建立檔案制度，對檢查進行全記錄。除此以外，建立事故報告制度，在事故發(fā)生后第一時間提交事故類型、原因、解決辦法等詳細信息。建立運行維護制度和應(yīng)急預案制度，配備專業(yè)隊伍模擬實際情況，開展應(yīng)急演習等提高運維水平和應(yīng)對突發(fā)情況能力。

（二）建立設(shè)備入網(wǎng)安全管理體系

首先建立專門的采購小組，在采購之前對不同產(chǎn)品的質(zhì)量和價格進行對比，選擇性價比高的產(chǎn)品。采購后對設(shè)備的進行檢查，包括資質(zhì)，質(zhì)量證明，產(chǎn)品性能，凡不合規(guī)定一律不使用，然后依托電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建配網(wǎng)設(shè)備信息管理系統(tǒng)。如圖2 結(jié)合數(shù)字化技術(shù)，使類型多樣，差異化大的設(shè)備組成智能化、信息化的集成系統(tǒng)，強化配網(wǎng)設(shè)備管理水平，也為后續(xù)運行維護體系打下良好基礎(chǔ)。如利用實物ID 編碼技術(shù)，將變電設(shè)備、換流設(shè)備、輸電設(shè)備、配電設(shè)備等進行賦碼貼簽再入網(wǎng)[16]；或者利用高壓感應(yīng)取電技術(shù)取得各個部分的數(shù)據(jù)并進行實時傳輸[17]。通過建設(shè)設(shè)備入網(wǎng)安全體系，保證設(shè)備的質(zhì)量，使其在運行過程中更加安全可靠。

圖2 基于電力物聯(lián)網(wǎng)的信息管理層級結(jié)構(gòu)

（三）運行維護工作

新型電力系統(tǒng)的復雜運行條件對配電網(wǎng)設(shè)備的運行維護提出了更高要求。“云大物移”，人工智能等數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，為運行維護提供了更好的支撐。以設(shè)備信息互通互聯(lián)的配電物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，將數(shù)字化技術(shù)與數(shù)字孿生融合，實現(xiàn)配電網(wǎng)設(shè)備狀態(tài)的精準檢測、預測和智能診斷。關(guān)鍵技術(shù)架構(gòu)如圖3 所示。

圖3 配網(wǎng)設(shè)備運行維護關(guān)鍵技術(shù)架構(gòu)

首先，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)和智能感知終端，為監(jiān)測配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的運行提供全面、完備的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和信息。同時，在工作人員移動終端的顯示主界面顯示這些數(shù)據(jù)，根據(jù)人工決策和機器決策綜合判斷設(shè)備運行狀態(tài)。其次，針對配網(wǎng)設(shè)備運行狀態(tài)進行預測，通過對預測模型的應(yīng)用、仿真模擬數(shù)據(jù)的實際運行狀態(tài)，較為精確的模擬配網(wǎng)設(shè)備實際運行在狀態(tài)，并在預測的結(jié)果基礎(chǔ)上制定有效措施[1,18-19]。最后，以實際數(shù)據(jù)和預測狀態(tài)為基礎(chǔ)，分析設(shè)備運行中的故障問題。

（四）建立配電網(wǎng)監(jiān)督體系

首先，組建專門的監(jiān)督機構(gòu)。并分出不同部門負責監(jiān)督購入設(shè)備人員、質(zhì)檢人員、運行維護人員等，加強各部門協(xié)調(diào)合作和確保上下級高效溝通，建立全覆蓋無死角的監(jiān)督體系，通過信息共享，群策群力提高監(jiān)督效率和效果。然后，明確各部門的工作職責、工作程序進而建立監(jiān)督工作制度以及辦法。此外構(gòu)建監(jiān)督資源共享制度、監(jiān)督傳遞制度、監(jiān)督人員調(diào)配制度等。最后，優(yōu)化監(jiān)督方式方法，強化對與重點設(shè)備有關(guān)的人員監(jiān)督綜合運用日常巡查檢查、專項審計、專項檢查等監(jiān)管方式，及時找出問題并采取有效措施積極改進。

（五）建立人員培訓體系

首先，要依照《配網(wǎng)設(shè)備安全規(guī)范》，從實際出發(fā)制定完善的培訓制度，主要針對教學培訓人員、運維管理人員、檢修人員等。建立專門培訓管理人員隊伍以保證培訓質(zhì)量。再針對現(xiàn)有各種人員的水平，制定不同的課程，確保大家“術(shù)業(yè)有專攻”[20]。然后，創(chuàng)新培訓方法。不再完全采用傳統(tǒng)的理論式學習或者“師傅帶徒弟”等方式，要緊跟時代潮流，創(chuàng)新培訓方法。定期或者不定期舉行測評考試和比武競賽來鞏固人員專業(yè)技術(shù)理論基礎(chǔ) 、提高業(yè)務(wù)素質(zhì)，并建立績效考評機制，對表現(xiàn)優(yōu)異者給予獎賞，對多次考核不及格的人予以罰款，強制學習甚至開除的懲罰[13]。最后豐富培訓內(nèi)容。從國家法律法規(guī)、企業(yè)規(guī)章制度、設(shè)備操作技能設(shè)備風險辨識與隱患治理、應(yīng)急預案等等諸多方面深入著手，使得操作人員能夠?qū)W到系統(tǒng)性的知識。

■配網(wǎng)設(shè)備安全管理關(guān)鍵技術(shù)

（一）電力物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)

先進、可靠的傳感器技術(shù)是實現(xiàn)電力設(shè)備數(shù)字化和智能化的基礎(chǔ)。目前，物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，考慮到配電設(shè)備運行維護過程中數(shù)據(jù)繁多，時效性要求高等特點，將電力物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)應(yīng)用到在線監(jiān)測工作中已經(jīng)非常有必要。傳感器與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合形成龐大的系統(tǒng)。傳感器技術(shù)能將模擬信號轉(zhuǎn)為數(shù)字信號，并完成收集、傳輸、儲存、顯示等工作，對采集到的信息進行全面分析和評估，判斷運行狀態(tài)并給出應(yīng)對策略[21-23]。

為了進一步提升電力物聯(lián)網(wǎng)傳感器物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用水平，以下問題需要引起關(guān)注：

1.傳感器長期可靠難以保證。目前傳感器設(shè)備壽命很難匹配一次設(shè)備，使傳感器技術(shù)可靠性大大下降。必須從材料、器件、工藝、設(shè)計、實驗評估等方面提高傳感器的可靠性和有效性。此外，目前我國大部分高端傳感器依賴進口，超聲、磁場、震動等重要傳感器的傳感材料、核心器件和芯片被外國企業(yè)壟斷。我國亟須突破傳感器核心技術(shù)，擁有自主制造高端傳感器的能力。

2.電力物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)缺乏統(tǒng)一標準。我國在相關(guān)設(shè)備，系統(tǒng)層技術(shù)標準等方面缺乏統(tǒng)一的標準，這嚴重制約在線檢測技術(shù)的應(yīng)用和推廣。

（二）云計算、大數(shù)據(jù)技術(shù)

云計算具有規(guī)模大、效率高、成本低、可靠性強和拓展性高等特點，還具備海量存儲空間，[24]能夠支持用戶隨時隨地，按需便捷的訪問共享資源，其強大的計算能力能夠迅速處理各種數(shù)據(jù)，實現(xiàn)資源高效管理[25]。利用云計算技術(shù)處理新型電力系統(tǒng)中配網(wǎng)設(shè)備的海量數(shù)據(jù)，并存儲在容量很大的存儲空間，在提升計算能力的同時構(gòu)建云平臺[26]。將云平臺與電力物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)融合，實時監(jiān)控所有配網(wǎng)設(shè)備的運行情況并存儲起來，當出現(xiàn)故障時，云計算平臺就會比對此時的數(shù)據(jù)和預測出的正常值，然后傳遞給運維人員，再立即開展檢測與運維工作[27]。

隨著智能電網(wǎng)的快速發(fā)展，配電網(wǎng)需要的設(shè)備數(shù)量增加，型號、也更加復雜，檢測對象的數(shù)量級很高。溫度、濕度、電流、電壓、震動等參數(shù)指數(shù)型上升也對數(shù)據(jù)處理能力提出了更高要求，大數(shù)據(jù)技術(shù)和其思想方法有助于用戶快速高效的處理海量數(shù)據(jù)[25,28-29]，解決設(shè)備狀態(tài)評價與故障預測的難題?；诖髷?shù)據(jù)的配網(wǎng)設(shè)備狀態(tài)檢測技術(shù)主要包括數(shù)據(jù)采集技術(shù)，數(shù)據(jù)去噪技術(shù)，特征提取技術(shù)，模式識別技術(shù)，可視化技術(shù)?？梢灶A見，大數(shù)據(jù)在電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測上的深入應(yīng)用能提高狀態(tài)評價和故障診斷的精確性方面將發(fā)揮重要作用。

（三）數(shù)字孿生技術(shù)

數(shù)字孿生作為一項迅速發(fā)展的數(shù)字信息化技術(shù)，利用物理模型，傳感器、運行歷史等數(shù)據(jù)，實現(xiàn)電網(wǎng)設(shè)備在虛擬數(shù)字空間中的映射，構(gòu)建和真實設(shè)備“同步運行”的數(shù)字孿生體，反應(yīng)相應(yīng)實體設(shè)備的全生命周期過程[30]。電力設(shè)備數(shù)字孿生主要運用高保真數(shù)字化建模、多物理場仿真技術(shù)，精確描述電力設(shè)備運行特性。構(gòu)建高精度的配網(wǎng)設(shè)備空間信息三維數(shù)字化模型，在電力設(shè)備高度逼真虛擬重現(xiàn)的前提下展現(xiàn)多為狀態(tài)感知和仿真分析結(jié)果，實現(xiàn)實體設(shè)備轉(zhuǎn)化為虛擬數(shù)字設(shè)備，再綜合考慮設(shè)備的幾何形狀、物理參數(shù)、狀態(tài)信息和規(guī)則標準等，建立多物理場、多尺度、多區(qū)域的設(shè)備數(shù)字孿生仿真模型。但目前數(shù)字孿生技術(shù)還處在研究初級階段，其關(guān)鍵技術(shù)和核心基礎(chǔ)理論方法還有待深入研究[31-32]。

■結(jié)語

在“雙碳”目標和建設(shè)新型電力系統(tǒng)的背景下，以保證電力設(shè)備安全運行為目標。本文首先分析了配網(wǎng)線路設(shè)備運行管理中存在的安全問題，并融合云計算，大數(shù)據(jù)、電力物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)等數(shù)字化技術(shù)，從安全管理制度、設(shè)備安全入網(wǎng)，監(jiān)督管理，運行維護，人員培訓等多個角度進行頂層設(shè)想，構(gòu)建配電網(wǎng)設(shè)備安全運行體系，提高設(shè)備安全管理水平，并為未來相關(guān)設(shè)備管理提供參考。