面向新型電力系統(tǒng)的變電運(yùn)維數(shù)字化應(yīng)用展望

涂佳銘 周于超

國(guó)網(wǎng)蘇州供電公司 江蘇 蘇州 215000

引言

電網(wǎng)連接電力生產(chǎn)和消費(fèi)，是能源轉(zhuǎn)型的中心環(huán)節(jié)。新型電力系統(tǒng)承載著能源轉(zhuǎn)型的歷史使命，構(gòu)建新型電力系統(tǒng)，堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)是基礎(chǔ)，源網(wǎng)荷儲(chǔ)協(xié)同是關(guān)鍵，推動(dòng)科技創(chuàng)新是引領(lǐng)，發(fā)揮制度優(yōu)勢(shì)是保證。這既是我國(guó)電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要方向，也是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的關(guān)鍵途徑。面向新型電力系統(tǒng)發(fā)展大背景，變電運(yùn)維數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)迫在眉睫[1]。

1 變電運(yùn)維工作現(xiàn)狀

1.1 變電站分布廣

變電站分布廣，位置分散，站與站之間的距離大。同時(shí)變電站內(nèi)設(shè)備呈現(xiàn)出種類多、結(jié)構(gòu)參數(shù)差異大等特點(diǎn)。導(dǎo)致故障的原因包括生產(chǎn)過(guò)程中的設(shè)備缺陷，安裝檢修維護(hù)中過(guò)程的問(wèn)題，長(zhǎng)期運(yùn)行后的絕緣老化以及結(jié)構(gòu)劣化等因素。這些問(wèn)題及隱患都需要大量變電運(yùn)維人員定期對(duì)變電站進(jìn)行巡視，需要消耗大部分人力資源。

1.2 變電站輔助設(shè)施不完善

變電站內(nèi)視頻監(jiān)控、聲音檢測(cè)等輔助設(shè)施不完善，均會(huì)導(dǎo)致運(yùn)維人員無(wú)法判斷周遭的自然環(huán)境發(fā)展，以致自然災(zāi)害發(fā)生時(shí)，可能會(huì)造成停電。變電運(yùn)維人員在日常巡視過(guò)程中，需要對(duì)變電站周圍環(huán)境和隱患加強(qiáng)判斷，無(wú)形中加大了運(yùn)維巡視環(huán)節(jié)的工作量。

1.3 變電站設(shè)備數(shù)據(jù)離散分離

變電運(yùn)維存在記錄多、繁、雜的情況，且大多仍舊以紙質(zhì)化形式記錄，存在查找難、分析慢以及易丟失等不足，同時(shí)，記錄通過(guò)人工，主觀性強(qiáng)且效率較低。數(shù)字化發(fā)展過(guò)程中，變電運(yùn)維大數(shù)據(jù)的挖掘和分析是重中之重，變電站數(shù)據(jù)高效共享、融合，有助于提高運(yùn)維人員的工作效率和設(shè)備間聯(lián)動(dòng)的速度[2]。

2 變電運(yùn)維數(shù)字化應(yīng)用

新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革正席卷全球，以大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)、人工智能、區(qū)塊鏈（以下簡(jiǎn)稱“大云物移智鏈”）為代表的多種新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，為變電運(yùn)維數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)提供了技術(shù)支撐。

變電運(yùn)維數(shù)字化轉(zhuǎn)型是一個(gè)系統(tǒng)性、持續(xù)性的過(guò)程，既要有“大云物移智鏈”中某項(xiàng)技術(shù)的深度應(yīng)用，又要有多項(xiàng)技術(shù)的拓展集成，最終形成具體產(chǎn)品，服務(wù)變電運(yùn)維數(shù)字化發(fā)展。舉例來(lái)說(shuō)，硬件方面，可以將機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、智能控制等技術(shù)進(jìn)行融合，形成機(jī)器人、無(wú)人機(jī)等應(yīng)用，代替人工實(shí)現(xiàn)部分巡視與檢修工作；軟件方面，可以利用數(shù)字孿生技術(shù)完善數(shù)據(jù)分析并形成數(shù)據(jù)平臺(tái)，分析設(shè)備現(xiàn)狀，預(yù)測(cè)健康趨勢(shì)。

2.1 機(jī)器人

變電運(yùn)維機(jī)器人不僅可以代替人工進(jìn)行變電站巡視，還能夠?qū)崿F(xiàn)變電站設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的精細(xì)檢測(cè)以及倒閘操作的輔助檢查，從而輔助運(yùn)維人員預(yù)判設(shè)備故障和異常情況進(jìn)，降低事故發(fā)生的概率。不僅如此，變電運(yùn)維機(jī)器人的應(yīng)用，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站的24h高效監(jiān)測(cè)，對(duì)高質(zhì)量電能供應(yīng)具有十分重要的意義[3]。2020年，國(guó)網(wǎng)嘉興供電公司為了解決巡檢機(jī)器人巡檢線路優(yōu)化問(wèn)題，對(duì)機(jī)器人導(dǎo)航問(wèn)題進(jìn)行升級(jí)。針對(duì)周圍環(huán)境導(dǎo)致機(jī)器人巡檢路線偏航，無(wú)法自主充電等問(wèn)題。將變電站內(nèi)的機(jī)器人巡視路線抽象為由節(jié)點(diǎn)和連線組成的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，根據(jù)遇障位置的不同，以路徑最短為原則選擇備選巡視路線。根據(jù)備選巡視路線方案與導(dǎo)航點(diǎn)點(diǎn)位表，制定機(jī)器人避障繞行程序的算法流程圖，并根據(jù)算法流程圖編寫(xiě)程序。該成果在瓦山變?nèi)揪C合檢修工程與新華變110kV副母綜合檢修工程啟動(dòng)前投入使用，對(duì)機(jī)器人算法及軟件進(jìn)行升級(jí)改造。在工程期間，機(jī)器人對(duì)于行駛道路上的安全圍欄與工程物資能夠有效避開(kāi)，并且在不遺漏巡視點(diǎn)位的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)繞行路線最優(yōu)化。目前，國(guó)網(wǎng)蘇州供電公司應(yīng)用的巡檢機(jī)器人已經(jīng)了實(shí)現(xiàn)圖像識(shí)別、局放檢測(cè)、紅外測(cè)溫、環(huán)境監(jiān)控、設(shè)備聯(lián)動(dòng)以及安防報(bào)警燈等功能。

2.2 無(wú)人機(jī)

無(wú)人機(jī)巡檢，作為一門(mén)搭載高清傳感器和紅外線熱像儀等電子巡檢裝置，對(duì)地面電力設(shè)施進(jìn)行監(jiān)視檢測(cè)的新型巡查技術(shù)手段，具備了迅速方便、效率高、不受地域影響和可靠性較高等技術(shù)優(yōu)勢(shì)。在變電運(yùn)維專業(yè)，傳統(tǒng)的地面人工巡檢和機(jī)器人巡檢方式存在視野盲區(qū)，對(duì)于高空設(shè)備及高處表計(jì)存在巡檢不到位的問(wèn)題。對(duì)于克服以上缺點(diǎn)，并且提高巡查質(zhì)效，在變電所內(nèi)引入無(wú)人機(jī)巡查，減少巡檢盲點(diǎn)，進(jìn)而保證變電所設(shè)施的運(yùn)轉(zhuǎn)安全，有很大的實(shí)用性[4]。

2.3 在線監(jiān)測(cè)

在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由傳感裝置、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換單元和站端顯示報(bào)警模塊組成，在不停電的情況下，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀況。目前變電站主設(shè)備在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成了站內(nèi)變壓器、GIS組合電器、斷路器、開(kāi)關(guān)柜等的多項(xiàng)監(jiān)測(cè)，包括變壓器繞組變形在線監(jiān)測(cè)、變壓器油色譜在線監(jiān)測(cè)、SF6氣體泄漏在線監(jiān)測(cè)報(bào)警、開(kāi)關(guān)柜局放在線監(jiān)測(cè)等。高清視頻在線監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)變電站的全景展示、對(duì)變電站設(shè)備運(yùn)行情況和周圍隱患進(jìn)行綜合監(jiān)控；智能紅外熱像監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備發(fā)熱情況；智能壓板在線監(jiān)測(cè)可監(jiān)測(cè)壓板位置狀態(tài)。

2.4 集控站一鍵順控

集控站一鍵順控可在集控站對(duì)所管轄的變電站進(jìn)行遠(yuǎn)程一鍵順控倒閘操作，無(wú)須運(yùn)維人員到變電站現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行倒閘操作。它是通過(guò)加裝輔助傳感器和高清攝像頭對(duì)設(shè)備狀態(tài)變位進(jìn)行雙確認(rèn)。斷路器狀態(tài)變位的雙確認(rèn)采用遙信和遙測(cè)值，同時(shí)在加上高清攝像頭拍攝位置進(jìn)行判斷的。隔離開(kāi)關(guān)狀態(tài)變位的雙確認(rèn)采用非同源的兩個(gè)遙信，即加裝輔助傳感器來(lái)進(jìn)行判斷。這種模式，有效提高運(yùn)維人員倒閘操作的效率，節(jié)約操作時(shí)間和等待操作的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了變電站倒閘操作的遠(yuǎn)程化、自動(dòng)化、可視化。

2.5 數(shù)字孿生

數(shù)字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過(guò)程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對(duì)應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過(guò)程[5]。

國(guó)外數(shù)字孿生的工程應(yīng)用對(duì)象多樣，包括電力系統(tǒng)、數(shù)字電廠、海上風(fēng)機(jī)、高壓直流換流站、STATCOM等。國(guó)內(nèi)數(shù)字孿生的工程應(yīng)用對(duì)象主要集中在數(shù)字孿生變電站。廣州首座數(shù)字孿生變電站220kV磨碟洲變電站投產(chǎn)。該站應(yīng)用數(shù)字孿生展示平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)變電站全站信息匯聚展示、全站設(shè)備狀態(tài)分析、全站設(shè)備集中控制。

3 數(shù)字化展望

3.1 機(jī)器人

機(jī)器人巡檢存在著避障能力較差，識(shí)別成功率不高以及數(shù)據(jù)利用率欠佳等問(wèn)題，需要對(duì)機(jī)器人進(jìn)行迭代優(yōu)化，從而不斷完善機(jī)器人巡檢效果。機(jī)器人巡檢的研究熱點(diǎn)主要集中在精準(zhǔn)自適應(yīng)導(dǎo)航、設(shè)備狀態(tài)識(shí)別以及巡檢數(shù)據(jù)庫(kù)的建立等三方面。

導(dǎo)航領(lǐng)域，目前主要采用視覺(jué)導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航、RFID（無(wú)線射頻識(shí)別），以及磁軌跡規(guī)劃等技術(shù)進(jìn)行導(dǎo)航定位狀態(tài)識(shí)別。識(shí)別儀表讀數(shù)通過(guò)視覺(jué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)，一般采用最小二乘算法、Hough變換算法、差影法等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。巡檢數(shù)據(jù)庫(kù)通過(guò)合理利用運(yùn)維時(shí)間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)視、分析，可以盡可能早地發(fā)現(xiàn)缺陷，排除故障，避免進(jìn)一步惡化，危害站內(nèi)甚至電網(wǎng)設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3.2 無(wú)人機(jī)

目前，無(wú)人機(jī)變電站巡檢仍存在一些技術(shù)難點(diǎn)，一是無(wú)人機(jī)續(xù)航問(wèn)題，通常無(wú)人機(jī)續(xù)航都少于30min，影響巡視效果和效率。二是需要完善無(wú)人機(jī)應(yīng)急處理機(jī)制，防止無(wú)人機(jī)墜落，影響電網(wǎng)設(shè)備安全運(yùn)行。目前的研究熱點(diǎn)主要集中在續(xù)航和自主巡檢兩方面。

針對(duì)續(xù)航問(wèn)題，主要采用巢起巢落無(wú)人機(jī)自主充電模式或無(wú)線充電技術(shù)等方法解決續(xù)航問(wèn)題。對(duì)于設(shè)備狀態(tài)和隱患的巡檢，主要利用激光雷達(dá)采集的云數(shù)據(jù)和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，實(shí)現(xiàn)高精度的圖像識(shí)別。視覺(jué)跟蹤技術(shù)、RTK技術(shù)以及AI技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)對(duì)路徑的自主分析和精度控制，初步具備應(yīng)急能力。

3.3 在線監(jiān)測(cè)

主設(shè)備在線監(jiān)測(cè)會(huì)存在采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性等問(wèn)題。輔助設(shè)備存在各數(shù)據(jù)系統(tǒng)離散，數(shù)據(jù)平臺(tái)不兼容，無(wú)法進(jìn)行統(tǒng)一性綜合分析判斷等問(wèn)題。

針對(duì)主設(shè)備數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性問(wèn)題可從設(shè)備前端和監(jiān)測(cè)方式兩個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)備前端改進(jìn)可通過(guò)更換質(zhì)量良好可靠的傳感器來(lái)收集數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)方式采用多角度或多維度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，比如增加對(duì)設(shè)備聲音的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析判斷設(shè)備狀況。針對(duì)輔助設(shè)備數(shù)據(jù)平臺(tái)獨(dú)立不兼容問(wèn)題可結(jié)合主設(shè)備在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺(tái)。在該統(tǒng)一數(shù)據(jù)平臺(tái)上建立主設(shè)備和輔助設(shè)備兩級(jí)菜單，所有一二次設(shè)備及輔助設(shè)備配置統(tǒng)一的數(shù)據(jù)傳輸通道，各自所需要的數(shù)據(jù)直接從數(shù)據(jù)平臺(tái)獲取，各設(shè)備間的信息交換也在數(shù)據(jù)平臺(tái)上完成。

3.4 一鍵順控

集控站一鍵順控改造工作量巨大，涉及變電站所有一次設(shè)備狀態(tài)改變后的目標(biāo)狀態(tài)確認(rèn)，改造過(guò)程中風(fēng)險(xiǎn)大，工作強(qiáng)度高，需配合生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)行。加快現(xiàn)代設(shè)備管理體系建設(shè)，推進(jìn)設(shè)備管理數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化升級(jí)刻不容緩。以提質(zhì)增效為目標(biāo)，利用“大云物移智鏈”數(shù)字化技術(shù)，積極打造變電專業(yè)數(shù)字化班組，實(shí)現(xiàn)變電運(yùn)維數(shù)字化、智能化生產(chǎn)管理新模式。

3.5 數(shù)字孿生

數(shù)字孿生技術(shù)的核心主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)全景顯示、數(shù)據(jù)智能分析以及上層功能應(yīng)用等3個(gè)方面。數(shù)據(jù)全景顯示方面，須進(jìn)一步打通數(shù)據(jù)壁壘，實(shí)現(xiàn)智能巡檢設(shè)備、多源傳感器等設(shè)備數(shù)據(jù)的有效接入與動(dòng)態(tài)更新。數(shù)據(jù)智能分析方面，須一方面加強(qiáng)人工智能的應(yīng)用研究，挖掘大數(shù)據(jù)中低密度高價(jià)值信息，另一方面利用先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)促進(jìn)理論研究的進(jìn)步，為數(shù)據(jù)挖掘提供深入的理論支撐和多樣的數(shù)據(jù)分析思路。上層功能應(yīng)用方面，須加大數(shù)字孿生技術(shù)在變電運(yùn)維業(yè)務(wù)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)，搭建應(yīng)用平臺(tái)實(shí)現(xiàn)多應(yīng)用的有效集成與高效管理。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文首先介紹了新型電力系統(tǒng)建設(shè)背景下變電運(yùn)維工作面臨的挑戰(zhàn)，其次概述了以“大云物移智鏈”為代表的數(shù)字化技術(shù)，然后從機(jī)器人、無(wú)人機(jī)、在線監(jiān)測(cè)、鑰匙管理、一鍵順控以及數(shù)字孿生等6個(gè)方面總結(jié)了變電運(yùn)維數(shù)字化應(yīng)用的發(fā)展現(xiàn)狀，最后對(duì)變電運(yùn)維數(shù)字化應(yīng)用進(jìn)行了展望。

隨著變電運(yùn)維數(shù)字化的深度發(fā)展，變電運(yùn)維工作將呈現(xiàn)設(shè)備智能化、操作精準(zhǔn)化、數(shù)據(jù)可視化的趨勢(shì)。

設(shè)備智能化以集控站數(shù)字孿生管控平臺(tái)為技術(shù)支撐，強(qiáng)化人機(jī)協(xié)同巡檢，對(duì)機(jī)器人、無(wú)人機(jī)、在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行智能識(shí)別，并將發(fā)現(xiàn)的缺陷隱患自動(dòng)納入管控平臺(tái)進(jìn)行統(tǒng)一管理。

操作精準(zhǔn)化以集控站為站端平臺(tái)進(jìn)行變電站遠(yuǎn)程一鍵順控操作，智能聯(lián)動(dòng)高清視頻和機(jī)器人識(shí)別設(shè)備狀態(tài)位置，避免運(yùn)維人員因誤入其他帶電間隔而導(dǎo)致誤操作的風(fēng)險(xiǎn)。

數(shù)據(jù)可視化通過(guò)變電站高清視頻以及各類狀態(tài)感知裝置，提升電力設(shè)備狀態(tài)感知水平和預(yù)警研判能力，強(qiáng)化跨區(qū)信息交互共享、融合水平。

變電運(yùn)維數(shù)字化是大勢(shì)所趨，在數(shù)字化轉(zhuǎn)型的過(guò)程中，不可避免出現(xiàn)各種各樣的問(wèn)題，唯有不斷的遇見(jiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題，逐步進(jìn)行完善，才能持續(xù)提升變電運(yùn)維工作質(zhì)量與效率，保障電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行，更好地服務(wù)經(jīng)濟(jì)社會(huì)穩(wěn)定健康發(fā)展。