電網(wǎng)運(yùn)維管控的優(yōu)化改進(jìn)研究

洪慧君

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司 廣州供電局，廣東 廣州 510000)

電網(wǎng)設(shè)備的運(yùn)行和維護(hù)(O&M)對(duì)于保證電網(wǎng)的穩(wěn)定和可靠性至關(guān)重要。隨著電網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大和對(duì)客戶服務(wù)的更高要求，O&M電網(wǎng)的任務(wù)逐漸變得更加艱巨。受O&M容量的限制，傳統(tǒng)O&M電網(wǎng)模式已經(jīng)無法滿足日益復(fù)雜的需求。在傳統(tǒng)模式下，不同部門數(shù)據(jù)之間相互兼容較差，技術(shù)人員因?yàn)闆]有辦法有效地分析和診斷電網(wǎng)狀態(tài)，無法實(shí)時(shí)管理電網(wǎng)[1]?；凇按髷?shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)”的綜合O&M解決方案，可通過采用物聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)互操作性和交互性，也可利用大數(shù)據(jù)和云計(jì)算技術(shù)進(jìn)行開發(fā)應(yīng)用。當(dāng)前，智能電網(wǎng)的管理需要現(xiàn)代信息通信技術(shù)和智能技術(shù)與電網(wǎng)O&M的融合，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信息采集、離散數(shù)據(jù)采集傳輸、海量維修數(shù)據(jù)挖掘等，最終實(shí)現(xiàn)巡檢資源的優(yōu)化配置和高效運(yùn)行。因此，提出了一種基于大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的綜合電網(wǎng)設(shè)備O&M解決方案，該解決方案通過使用設(shè)備和模塊之間的關(guān)系，將智能技術(shù)和O&M相結(jié)合，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)O&M模式的弊端，為O&M提供了技術(shù)支撐手段。

1 O&M解決方案設(shè)計(jì)

1.1 解決方案目標(biāo)

大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)正在推動(dòng)智能電網(wǎng)發(fā)展與建設(shè)，國家電網(wǎng)公司正在倡導(dǎo)創(chuàng)新和“互聯(lián)網(wǎng)+應(yīng)用”聯(lián)合應(yīng)援，開發(fā)新的O&M技術(shù)變得極其關(guān)鍵，也是智能電網(wǎng)發(fā)展的方向之一[2]。綜合O&M解決方案旨在解決傳統(tǒng)模式的問題，為O&M提供信息支持。它以標(biāo)準(zhǔn)的流程和方式獲取信息，改變了人工記錄數(shù)據(jù)的方式，避免非標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)和錯(cuò)誤，以提高O&M工作的效率和質(zhì)量，保證系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和可靠性。

1.2 技術(shù)解決方案

基于大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的一體化O&M解決方案由現(xiàn)場工作平臺(tái)、移動(dòng)工作平臺(tái)和中心支撐系統(tǒng)組成。其中，現(xiàn)場工作平臺(tái)是基于智能傳感和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的野外工作平臺(tái)；通過射頻識(shí)別、無線傳輸?shù)任锫?lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力設(shè)備和設(shè)備管理的全面感知。該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了互聯(lián)互通，中心支撐系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)分析功能，并以標(biāo)準(zhǔn)的方式管理現(xiàn)場工作。O&M解決方案的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示[3]。

圖1 智能O&M控制系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig.1 Overall architecture of intelligent O&M control system

(1)現(xiàn)場工作平臺(tái)。該平臺(tái)通過RFID等智能傳感技術(shù)對(duì)現(xiàn)場設(shè)備的信息進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理。每個(gè)設(shè)備上都有一個(gè)二維碼或電子標(biāo)簽，用于連接移動(dòng)工作平臺(tái)?，F(xiàn)場工作平臺(tái)可以查詢?cè)O(shè)備信息、歷史記錄、數(shù)據(jù)訪問服務(wù)地址等，并進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測、離線測試數(shù)據(jù)輸入等工作。

(2)移動(dòng)工作平臺(tái)。各種數(shù)據(jù)通過智能移動(dòng)終端單元和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口進(jìn)行格式標(biāo)準(zhǔn)化，而工作流可以用標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)一的格式表達(dá)，實(shí)現(xiàn)一鍵式上傳。因此，手動(dòng)數(shù)據(jù)輸入將大大減少。智能移動(dòng)終端單元也是現(xiàn)場工作側(cè)和中心支撐系統(tǒng)側(cè)之間的連接平臺(tái)，作為現(xiàn)場評(píng)估的平臺(tái)和中轉(zhuǎn)代理站，可以訪問中心支撐系統(tǒng)基于云的資源，并能指導(dǎo)現(xiàn)場工作。智能移動(dòng)終端設(shè)備內(nèi)置的多維數(shù)據(jù)和狀態(tài)分析模型，能提供與現(xiàn)場工作相關(guān)的數(shù)據(jù)分析能力，支持非網(wǎng)絡(luò)工作模式。十多種帶電檢測設(shè)備和大部分停電檢測設(shè)備的通信協(xié)議都內(nèi)置在終端設(shè)備中，可以訪問80%的儀器。該終端符合國家電網(wǎng)信息安全體系，可靠性和便攜性高[4]。

(3)中心支撐系統(tǒng)。中心支撐系統(tǒng)采用分布式架構(gòu)，可與PMS、智能O&M控制系統(tǒng)等控制系統(tǒng)無縫集成。該分析算法可以通過大數(shù)據(jù)技術(shù)的微觀應(yīng)用來進(jìn)行定制。通過歷史數(shù)據(jù)可以進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驗(yàn)證和糾錯(cuò)，通過多維數(shù)據(jù)分析可以對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)估[5]。

現(xiàn)場工作流程如下，O&M人員攜帶智能移動(dòng)終端設(shè)備到達(dá)現(xiàn)場。終端開機(jī)后，自動(dòng)生成無線自組網(wǎng)絡(luò)，并初始化終端。終端從中心支撐系統(tǒng)下載相關(guān)數(shù)據(jù)和工作流程。在O&M工作過程中，用戶需要嚴(yán)格遵循移動(dòng)終端上呈現(xiàn)的步驟?，F(xiàn)場工作數(shù)據(jù)可以通過智能終端與中心端數(shù)據(jù)交換，使現(xiàn)場工作人員可以使用控制中心的數(shù)據(jù)資源，中心端可以控制現(xiàn)場工作。智能分析模塊邏輯架構(gòu)如圖2所示。

2 功能特征

2.1 智能終端設(shè)備

智能終端單元連接在現(xiàn)場側(cè)和控制系統(tǒng)側(cè)之間，它可以自動(dòng)生成無線組網(wǎng)?，F(xiàn)場儀表和移動(dòng)控制終端(如PAD、手機(jī))可與其連接，再通過專網(wǎng)或GPRS連接到中心側(cè)[6]。

智能終端從功能上可以分為應(yīng)用層和核心層。核心層與應(yīng)用程序連接層通過無線傳輸模塊如WiFi、3G/4G和藍(lán)牙來進(jìn)行，如圖3所示。

圖2 智能分析模塊邏輯架構(gòu)Fig.2 Logic architecture of intelligent analysis module

圖3 智能運(yùn)維功能層架構(gòu)Fig.3 Logic architecture of intelligent analysis module

應(yīng)用層通過嵌入式數(shù)據(jù)庫和智能分析算法庫建立數(shù)據(jù)分析應(yīng)用，通過規(guī)范化的數(shù)據(jù)接口實(shí)現(xiàn)工作流的標(biāo)準(zhǔn)化，進(jìn)行設(shè)備檢測管理和數(shù)據(jù)管理。應(yīng)用層的標(biāo)準(zhǔn)化工作流程是通過配置音視頻和USB、SD卡等外部設(shè)備接口來實(shí)現(xiàn)的。

現(xiàn)場數(shù)據(jù)和工作流程的標(biāo)準(zhǔn)化可以解釋為：①支持主流測試設(shè)備的通信協(xié)議，提供數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口，確保來自相同測試項(xiàng)目的數(shù)據(jù)的統(tǒng)一和標(biāo)準(zhǔn)化;②在知識(shí)庫中提供現(xiàn)場O&M指南和現(xiàn)場工作手冊(cè)。現(xiàn)場工作可以分為幾個(gè)步驟同時(shí)進(jìn)行，O&M的工作人員按照這些步驟在終端上交互式地填寫數(shù)據(jù)空白，這是為了保證O&M工作的規(guī)范化;③提供視頻和音頻接口，以視頻或音頻方式記錄現(xiàn)場工作的關(guān)鍵步驟。

控制系統(tǒng)定期更新智能終端單元的數(shù)據(jù)和算法模型，以支持?jǐn)?shù)據(jù)分析功能，可以為特殊變電站和O&M要求提供定制服務(wù)，可以從中心端遠(yuǎn)程調(diào)用歷史數(shù)據(jù)和類似故障情況，也可以調(diào)用高級(jí)分析的中央處理器。移動(dòng)終端支持視頻組件訪問，在特殊情況下，來自中心端的專家可以遠(yuǎn)程提供指導(dǎo)。

2.2 信息安全保護(hù)

信息安全有4層保護(hù)[7]。

(1)安全終端層。內(nèi)置終端加密芯片，由PKI服務(wù)系統(tǒng)簽發(fā)，用于數(shù)字證書的簽發(fā)。

(2)安全通道層。提供終端與接入平臺(tái)之間的安全網(wǎng)絡(luò)接入，包括有線專線、無線APN線等。

(3)接入系統(tǒng)層。接入系統(tǒng)層是系統(tǒng)的核心組成部分，由安全接入網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)、身份認(rèn)證系統(tǒng)、安全數(shù)據(jù)過濾系統(tǒng)和中央監(jiān)控管理系統(tǒng)組成。

(4)業(yè)務(wù)服務(wù)層。主要包括應(yīng)用系統(tǒng)的后臺(tái)服務(wù)系統(tǒng)、前端服務(wù)器等。操作系統(tǒng)保護(hù)、密碼保護(hù)、訪問認(rèn)證保護(hù)等都被集成在一起。

2.3 中央支持系統(tǒng)

中心支撐系統(tǒng)包括任務(wù)提示模塊、數(shù)據(jù)分析模塊和案例查詢模塊。任務(wù)提示模塊負(fù)責(zé)記錄和提示設(shè)備歷史信息。數(shù)據(jù)分析模塊存儲(chǔ)電力公司的大量設(shè)備數(shù)據(jù)，并具有專用的設(shè)備數(shù)據(jù)庫。對(duì)于數(shù)據(jù)庫中已有的設(shè)備，數(shù)據(jù)分析模塊可以利用運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)對(duì)設(shè)備進(jìn)行診斷，對(duì)于數(shù)據(jù)庫中新加入的設(shè)備，可以參考電壓等級(jí)相同、類型相似的設(shè)備進(jìn)行診斷。該模塊還可以對(duì)各種故障的發(fā)生次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，為推斷故障原因提供依據(jù)。中心支撐系統(tǒng)包含全面的故障案例庫，包括設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)、故障名稱、故障位置、故障表現(xiàn)、故障等級(jí)、可能衍生故障、異常狀態(tài)值、診斷測試、處理措施等。該庫涵蓋了所有類型的故障，并收集了300多個(gè)典型的變壓器故障案例。故障案例庫可以手動(dòng)或自動(dòng)擴(kuò)展，中心側(cè)的故障診斷可靠性會(huì)隨著庫中故障案例的積累而逐漸提高。

3 應(yīng)用場景

3.1 標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)場工作

使用智能O&M移動(dòng)終端可以使現(xiàn)場工作標(biāo)準(zhǔn)化，現(xiàn)場工作人員將嚴(yán)格遵循終端上的提示和步驟。此外，通過對(duì)現(xiàn)場工作關(guān)鍵步驟的視頻記錄，可以保證和客觀評(píng)價(jià)現(xiàn)場作業(yè)的質(zhì)量。隨著國家電網(wǎng)指導(dǎo)方針和現(xiàn)場操作要求的引入，標(biāo)準(zhǔn)化操作流程已經(jīng)建立[8]，并向現(xiàn)場操作人員提供交互式提示。這些措施有效減少了現(xiàn)場人員經(jīng)驗(yàn)不足帶來的問題，提高了O&M質(zhì)量。

3.2 標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)

O&M解決方案標(biāo)準(zhǔn)化了主流現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)。提供統(tǒng)一的模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口，確保同一測試項(xiàng)目的輸出數(shù)據(jù)統(tǒng)一規(guī)范，提高了現(xiàn)場作業(yè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，為數(shù)據(jù)的高效利用和高級(jí)應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)它有助于提高公用事業(yè)的資產(chǎn)管理能力[9]，如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)分析及處理模塊架構(gòu)Fig.4 Data analysis and processing module architecture

3.3 中央配套系統(tǒng)

現(xiàn)場工作數(shù)據(jù)傳輸?shù)街悄躉&M終端，用于記錄、分析和實(shí)時(shí)評(píng)估設(shè)備狀態(tài)。當(dāng)O&M人員遇到困難時(shí)，將啟動(dòng)中央支持服務(wù)。這些服務(wù)包括數(shù)據(jù)呼叫、高級(jí)分析、遠(yuǎn)程專家支持等。中央側(cè)支持服務(wù)有效、便捷，有助于檢測潛在缺陷和狀態(tài)惡化信息，提升高級(jí)應(yīng)用的實(shí)用性[10]。

3.4 定制的應(yīng)用服務(wù)

可以根據(jù)客戶的實(shí)際需求和客戶電網(wǎng)的特點(diǎn)，提供具有相同架構(gòu)和定制服務(wù)的客戶定制解決方案。定制服務(wù)包括閾值設(shè)置、焦點(diǎn)、算法定制、報(bào)告輸出等。定制服務(wù)符合公司差異化的模式和應(yīng)用，可以被用戶使用和擴(kuò)展。電力公司的O&M可以得到定制服務(wù)的有效支持。

3.5 一鍵數(shù)據(jù)上傳功能

一鍵數(shù)據(jù)上傳功能有效簡化了數(shù)據(jù)錄入和作業(yè)申請(qǐng)流程(工作票申請(qǐng)、數(shù)據(jù)記錄和PMS的數(shù)據(jù)錄入等)。它還避免了工作流程缺失和記錄錯(cuò)誤的可能錯(cuò)誤，提高了工作效率和體驗(yàn)。通過一鍵數(shù)據(jù)上傳功能，O&M人員將有更多的時(shí)間和精力專用于現(xiàn)場數(shù)據(jù)的智能存儲(chǔ)，有助于知識(shí)的傳播和共享。

4 應(yīng)用案例

綜合O&M解決方案已在公司多個(gè)省市的電力企業(yè)中成功應(yīng)用。通過整合電力公司的O&M數(shù)據(jù)，構(gòu)建了一個(gè)數(shù)據(jù)分析中心，提供各種定制服務(wù)。氣象環(huán)境數(shù)據(jù)在復(fù)雜天氣下的設(shè)備診斷過程中被整合，優(yōu)化了狀態(tài)監(jiān)測算法。移動(dòng)O&M平臺(tái)適用于實(shí)時(shí)檢測，對(duì)紅外、局部放電等帶電檢測進(jìn)行檢修分析。基于“可靠性”理論，完成了先進(jìn)的應(yīng)用模型在設(shè)備O&M管理中的應(yīng)用。提供周、月變電站設(shè)備考核功能，滿足多個(gè)省市需求。

為驗(yàn)證基于物聯(lián)網(wǎng)的電力通信網(wǎng)絡(luò)智能運(yùn)維系統(tǒng)的有效性，在國內(nèi)某局部電網(wǎng)進(jìn)行了電力通信網(wǎng)智能運(yùn)維的應(yīng)用，并與傳統(tǒng)運(yùn)維技術(shù)在數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面的性能進(jìn)行了對(duì)比分析。其中，傳統(tǒng)的電力通信網(wǎng)運(yùn)維系統(tǒng)存在運(yùn)維方式繁瑣、信息量遺漏、設(shè)備核實(shí)難度大等弊端，通信數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)和處理效率較低。電力通信網(wǎng)絡(luò)智能運(yùn)維系統(tǒng)的通信數(shù)據(jù)檢測結(jié)果如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)檢測結(jié)果對(duì)比分析Fig.5 Comparison and analysis of data detection results

該系統(tǒng)在多個(gè)省市推出，對(duì)主變壓器(電抗器)進(jìn)行了5 000多次檢修和分析，生成了數(shù)千份診斷報(bào)告，完成了300多例診斷[11]。大數(shù)據(jù)分析中心多次檢測主變壓器和電抗器多臺(tái)設(shè)備的缺陷，并給出合理的故障排除方案，這有助于避免重大損失，保障電力行業(yè)安全生產(chǎn)。

從仿真結(jié)果可以看出，智能系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采集通信數(shù)據(jù)，維護(hù)通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的效率和準(zhǔn)確性，傳輸和分析處理遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的運(yùn)維技術(shù)，使能源通信網(wǎng)的運(yùn)維準(zhǔn)確率提高25%。因此，在采用基于能源物聯(lián)網(wǎng)的能源通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營和智能維護(hù)系統(tǒng)后，能源通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以使用物聯(lián)網(wǎng)、云平臺(tái)等技術(shù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，通過專門控制的移動(dòng)終端技術(shù)，可以對(duì)能源通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行可視化管理，以建立一個(gè)可視化的管理系統(tǒng)。可見，能源通信網(wǎng)在線運(yùn)維智能系統(tǒng)有效提高了電網(wǎng)專業(yè)管理人員和能源通信網(wǎng)專業(yè)維護(hù)人員的工作效率[12]。智能運(yùn)維系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)信息共享、交互和在線網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)，有效提高了能源通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維的智能化水平，實(shí)現(xiàn)了高效、可靠、安全的能源網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維。

5 結(jié)語

基于大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的一體化電網(wǎng)設(shè)備O&M解決方案，提升了現(xiàn)場工作人員的O&M能力，有效保障電網(wǎng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行。首先介紹了電力物聯(lián)網(wǎng)的基本特征和功能架構(gòu)，在此基礎(chǔ)上詳細(xì)分析了電力通信網(wǎng)總體架構(gòu)和智能運(yùn)維總體架構(gòu)，重點(diǎn)闡述了數(shù)據(jù)配置處理模塊、故障智能分析模塊和預(yù)警集中監(jiān)視模塊等智能運(yùn)維核心功能模塊。所設(shè)計(jì)的智能運(yùn)維系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)電力通信數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理和管控，能夠?qū)崿F(xiàn)電力通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維和物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)管控平臺(tái)的互聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)電力通信網(wǎng)絡(luò)的智能化運(yùn)維目標(biāo)，為機(jī)房智能巡檢、巡視機(jī)器人等形態(tài)的人工智能技術(shù)手段應(yīng)用于機(jī)房的智能化運(yùn)維提供方向性的指引。最后，將設(shè)計(jì)的電力通信網(wǎng)絡(luò)智能運(yùn)維系統(tǒng)在實(shí)際電網(wǎng)中進(jìn)行了應(yīng)用，結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的電力通信網(wǎng)絡(luò)智能運(yùn)維系統(tǒng)，有效提升了電力通信網(wǎng)絡(luò)的信息應(yīng)用管控水平、運(yùn)維工作效率和安全可靠性。該解決方案在電網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用具有積極意義。