基于大數(shù)據(jù)和人工智能的智慧變電站運營優(yōu)化策略研究

金珊珊 孫博洋 劉鵬飛

［DOI］10.3969/j.issn.1672-0407.2024.07.065

［摘 要］智慧變電站運營優(yōu)化的必要性在于提高運行效率、安全性和降低運維成本。大數(shù)據(jù)技術在智慧變電站中的應用包括設備狀態(tài)監(jiān)測與預測、能源消耗分析與優(yōu)化以及故障診斷與處理。人工智能技術在智慧變電站中的應用包括智能調度與控制、智能巡檢與維護以及智能安全防護?；诖髷?shù)據(jù)和人工智能的智慧變電站運營優(yōu)化策略包括數(shù)據(jù)采集與處理、數(shù)據(jù)分析與挖掘、智能決策與調度、預測與預警。通過這些策略，可以實現(xiàn)變電站的高效運行和安全運行，降低運維成本，提高運維效率。

［關鍵詞］大數(shù)據(jù)技術；人工智能；智能變電站；運營優(yōu)化

［中圖分類號］TM92文獻標志碼：A

隨著科技的不斷發(fā)展，大數(shù)據(jù)和人工智能技術在各個領域的應用越來越廣泛。在電力行業(yè)，智慧變電站作為新一代的智能電網建設的重要組成部分，其運營優(yōu)化策略對于提高電力系統(tǒng)的可靠性、安全性和經濟性具有重要意義。

1 智慧變電站運營優(yōu)化的必要性分析

智慧變電站是利用先進的信息技術手段和智能化設備，對傳統(tǒng)變電站進行升級改造，提高運營效率和管理水平的一種創(chuàng)新型變電站。智慧變電站運營優(yōu)化的必要性在于滿足當前能源發(fā)展的要求，增強電網的可靠性和靈活性，提高電能傳輸?shù)男?。其一，智慧變電站可以大大提升運營效率。傳統(tǒng)的變電站通常依賴于人工巡檢、手動操作和現(xiàn)場維護，存在著效率低下、人力資源浪費和操作風險高的問題。而智慧變電站通過自動化設備、遠程監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析等手段，可以實現(xiàn)遠程智能監(jiān)測與管理，減少人工干預，提高設備運維的效率和響應速度。其二，智慧變電站還能夠提高電網管理的水平?；诖髷?shù)據(jù)、物聯(lián)網等先進技術，智慧變電站可以實現(xiàn)對電網設備、供電負荷、能源潮流等進行實時監(jiān)測與控制。這樣可以更加精確地預測和分析電網運行狀況，并及時采取相應的安全措施，避免故障和事故的發(fā)生，保障電網的安全可靠運行。其三，智慧變電站還有助于提高電能傳輸?shù)男?。通過數(shù)據(jù)收集和分析，智慧變電站可以優(yōu)化供電鏈路，合理調配電能傳輸?shù)穆窂胶拓摵煞植迹瑴p少能量損耗和電網的壓力。改進電能傳輸效率，不僅可以提高能源利用率，還可以降低運營成本，為用戶提供更加穩(wěn)定和經濟的電力供應。智慧變電站的結構圖如圖1所示。

2 大數(shù)據(jù)在智慧變電站運營優(yōu)化中的應用

2.1 大數(shù)據(jù)技術概述

2.1.1 大數(shù)據(jù)的概念與特點

大數(shù)據(jù)是指在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理應用程序無法處理的龐大、復雜和多變的數(shù)據(jù)集合。它具有3v特點，即數(shù)據(jù)量大（volume）、數(shù)據(jù)種類多（variety）、數(shù)據(jù)價值高（value），同時還表現(xiàn)出高速處理（velocity）、真實性（veracity）和多層級（data hierarchy）的特點。

2.1.2 大數(shù)據(jù)技術體系架構

大數(shù)據(jù)技術體系架構主要包含數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)應用四大層級。數(shù)據(jù)獲取層主要負責從智慧變電站中不同來源獲取數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)存儲層用于存儲大數(shù)據(jù)，包括分布式文件系統(tǒng)和分布式數(shù)據(jù)庫等；數(shù)據(jù)處理層用于對大數(shù)據(jù)進行清洗、處理和分析等工作；數(shù)據(jù)應用層用于實現(xiàn)各種業(yè)務需求，如設備狀態(tài)監(jiān)測預測、能源消耗分析與優(yōu)化以及故障診斷與處理等。

2.2 大數(shù)據(jù)在智慧變電站中的應用案例

2.2.1 設備狀態(tài)監(jiān)測與預測

利用傳感器等技術手段，采集變電站各設備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，借助大數(shù)據(jù)技術對數(shù)據(jù)進行處理和分析，能夠實時監(jiān)測設備的運行狀況，提前預測設備故障，從而及時采取維護措施，最大限度降低故障發(fā)生率，并延長設備的使用壽命。

2.2.2 能源消耗分析與優(yōu)化

通過采集變電站能源使用數(shù)據(jù)，將其與外部環(huán)境等因素進行關聯(lián)分析，發(fā)現(xiàn)能源的使用模式和規(guī)律，幫助制定合理的能源消耗策略。同時，通過大數(shù)據(jù)分析，可以發(fā)現(xiàn)能源消耗異常以及存在的能源浪費，進而提出相應的優(yōu)化方案，實現(xiàn)對能源更加科學和高效的利用。

2.3 大數(shù)據(jù)在智慧變電站運營優(yōu)化中的挑戰(zhàn)與問題

在應用大數(shù)據(jù)技術進行智慧變電站運營優(yōu)化時，可能會面臨以下挑戰(zhàn)和問題。其一，數(shù)據(jù)安全。由于涉及大量的敏感數(shù)據(jù)，需要對數(shù)據(jù)進行保密和隱私保護，并建立完善的數(shù)據(jù)安全管理體系。其二，數(shù)據(jù)質量。不同設備產生的數(shù)據(jù)可能存在噪聲、缺失或錯誤等問題，需要對數(shù)據(jù)進行清洗和校驗，確保數(shù)據(jù)的準確和可靠性。其三，數(shù)據(jù)集成。需要對來自不同設備和系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行整合和融合，構建全面的數(shù)據(jù)集成平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和協(xié)同分析。其四，數(shù)據(jù)分析能力。要實現(xiàn)更精準的設備監(jiān)測、預測和優(yōu)化，需要具備強大的數(shù)據(jù)分析能力和算法支持。其五，人員技術儲備。智慧變電站的建設和運營需要具備相關技術水平的人員，包括大數(shù)據(jù)技術、電力系統(tǒng)知識等方面的專業(yè)人才［1］。

3 人工智能在智慧變電站運營優(yōu)化中的應用

3.1 人工智能技術概述

3.1.1 人工智能的概念與特點

人工智能是研究、開發(fā)和實現(xiàn)智能化機器的技術與方法。其核心目標是使計算機能夠具備類似于人類的知覺、理解、推理和判斷等智能能力。人工智能的特點包括自主學習能力、模仿人類思維能力、處理大規(guī)模數(shù)據(jù)和高速計算等能力。

3.1.2 人工智能技術體系架構

人工智能技術體系包括感知、推理、學習和決策等部分。感知包括圖像、語音、傳感器等數(shù)據(jù)的獲取和處理，推理包括邏輯推理、專家系統(tǒng)等知識推理的方法和技術，學習包括機器學習和深度學習等技術；決策則包括基于相關數(shù)據(jù)的決策和動態(tài)調整。

3.2 人工智能在智慧變電站中的應用案例

3.2.1 智能調度與控制

智能調度與控制是指通過人工智能技術實現(xiàn)對變電站的運行狀態(tài)、電力負荷、設備運行情況等進行智能化監(jiān)測和調控。例如，通過數(shù)據(jù)分析和建模，可以預測負荷峰值，并合理調整變電站的發(fā)電量、輸電方案、電力分配等，以避免電力系統(tǒng)的過負荷或過電力現(xiàn)象的發(fā)生。

3.2.2 智能巡檢與維護

智能巡檢與維護主要應用于變電站設備的故障檢測與預測。通過人工智能技術，可以對變電設備的運行數(shù)據(jù)進行分析和監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)故障的信號，并進行智能的預測和診斷，以減少設備的故障停機時間，提高電網的可靠性和穩(wěn)定性。

3.3 人工智能在智慧變電站運營優(yōu)化中的挑戰(zhàn)與問題

人工智能在智慧變電站運營優(yōu)化中具有較大的潛力，但也面臨一些挑戰(zhàn)和問題。其一，數(shù)據(jù)質量和數(shù)據(jù)安全問題。人工智能技術需要大量的高質量數(shù)據(jù)用于訓練和學習，但在變電站運營中獲得這些數(shù)據(jù)可能存在困難。此外，保護這些數(shù)據(jù)的安全性也是一個重要問題。其二，算法的可靠性和穩(wěn)定性問題。人工智能算法和模型需要能夠在復雜環(huán)境下穩(wěn)定運行，并具備較高的可靠性，以保證變電站的正常運行。其三，人工智能系統(tǒng)的可解釋性和透明性問題。人工智能技術是一種黑盒模型，難以直觀地解釋其決策過程。這會使得人們對系統(tǒng)的可信度和安全性產生疑惑。

4 基于大數(shù)據(jù)和人工智能的智慧變電站運營優(yōu)化策略

4.1 數(shù)據(jù)采集與處理

一方面，構建完善的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是實現(xiàn)智慧變電站運營優(yōu)化的前提。智慧變電站需要采集各個環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)，包括電力設備的狀態(tài)數(shù)據(jù)、環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)、運行參數(shù)數(shù)據(jù)等。因此，需要在變電站中部署傳感器和監(jiān)測設備，實時采集各種數(shù)據(jù)并進行傳輸?？梢酝ㄟ^物聯(lián)網技術實現(xiàn)傳感器與云平臺的連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳輸。另一方面，數(shù)據(jù)采集后需要進行處理和分析，深入挖掘數(shù)據(jù)的潛在價值。第一步是數(shù)據(jù)預處理，對采集到的原始數(shù)據(jù)進行清洗、去噪和數(shù)據(jù)準確性的驗證，確保后續(xù)分析的可靠性和準確性。第二步，通過數(shù)據(jù)挖掘和機器學習算法，對數(shù)據(jù)進行處理和分析，挖掘變電站運營中的規(guī)律和隱含信息?？梢詰镁垲愃惴▽υO備運行狀態(tài)進行分類，識別設備運行中存在的異常情況；還可以應用監(jiān)控和預測模型，對電力設備的狀態(tài)進行實時評估和預測。通過數(shù)據(jù)的處理和分析，可以實現(xiàn)變電站運營中的故障預測、性能優(yōu)化等目標［2］。

4.2 數(shù)據(jù)分析與挖掘

數(shù)據(jù)分析是指通過對大數(shù)據(jù)的處理，提煉出隱藏在其中的有意義的信息。在智慧變電站運營優(yōu)化中，數(shù)據(jù)分析可以針對變電站各個方面的運營數(shù)據(jù)，包括電力負荷、設備狀態(tài)、運行參數(shù)等進行深入分析，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)的內在關系和規(guī)律，并將其轉化為可執(zhí)行的操作策略。

一方面，數(shù)據(jù)分析可以幫助變電站優(yōu)化電力負荷管理。通過對歷史電力負荷數(shù)據(jù)的分析，可以識別出高負荷峰值出現(xiàn)的規(guī)律和趨勢，避免負荷過載和能源浪費的情況發(fā)生。同時，還可以結合天氣數(shù)據(jù)、季節(jié)變化等外部因素，制定出更加準確的負荷預測模型，提前做好調度安排和資源分配，優(yōu)化供需匹配，提高供電的可靠性和效率。另一方面，數(shù)據(jù)分析可用于變電站設備運行狀態(tài)監(jiān)測和故障預測。通過對設備運行數(shù)據(jù)的分析，可以了解設備的工作狀態(tài)、健康狀況以及可能存在的隱性故障。通過與歷史數(shù)據(jù)進行對比，可以進行異常檢測和故障預測，提前采取維護和更換措施，避免設備故障的發(fā)生，減少維修成本和停機

損失。

4.3 智能決策與調度

基于大數(shù)據(jù)和人工智能技術的智慧變電站可以通過智能決策和調度優(yōu)化運營策略，提高運行效率和安全性。智能決策和調度系統(tǒng)可以根據(jù)實時監(jiān)測的數(shù)據(jù)、其他變電站的運行情況以及相關外部環(huán)境信息，輔助運營人員做出更加準確、科學的決策，提高變電站的運行效率和安全性。其一，智能決策和調度系統(tǒng)可以對大量數(shù)據(jù)進行分析和處理，從而提供準確的決策依據(jù)。通過數(shù)據(jù)挖掘、機器學習等算法，系統(tǒng)可以分析歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)變電站可能存在的問題，并提供相應的解決方案。例如，當系統(tǒng)檢測到變電設備故障之前，系統(tǒng)可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和設備狀態(tài)預測，提前進行維修，避免可能的事故發(fā)生。同時，系統(tǒng)可以根據(jù)設備狀態(tài)、外部環(huán)境等信息，進行優(yōu)化調度，合理安排設備運行和維護計劃，最大限度地提高設備的利用率和可靠性。其二，智能決策和調度系統(tǒng)還可以實現(xiàn)自主決策和自動調度。通過與傳感器、執(zhí)行器等設備的連接，系統(tǒng)可以自動獲取設備的實時狀態(tài)，實現(xiàn)對設備的遠程監(jiān)控和控制。系統(tǒng)可以根據(jù)不同情況自動調整設備參數(shù)和運行模式，以適應實時的電網負荷需求和電網故障情況。同時，系統(tǒng)可以與其他變電站進行數(shù)據(jù)交互和協(xié)同調度，實現(xiàn)智能聯(lián)動，提高供電的可靠性和穩(wěn)定性。例如，在電力緊張或電網故障情況下，系統(tǒng)可以自主進行動態(tài)負荷調度、電能儲備調度等，保證電網的供電安全。其三，智能決策和調度系統(tǒng)可以提供決策支持和預警功能。系統(tǒng)可以根據(jù)數(shù)據(jù)分析結果，提供變電站設備狀態(tài)的預警和風險評估，通知運營人員及時采取相應措施，避免設備故障或事故的發(fā)生。同時，系統(tǒng)可以基于設備實時狀態(tài)和外部環(huán)境信息，提供合理、可行的運行決策，幫助運營人員做出科學決策，提高安全性和經濟性。

4.4 預測與預警

利用大數(shù)據(jù)和人工智能技術對運行狀態(tài)進行預測和預警可以實現(xiàn)以下方面的優(yōu)化。其一，故障預測。智慧變電站可以通過實時監(jiān)測和分析電力系統(tǒng)的工作狀態(tài)、檢測設備的運行數(shù)據(jù)，并使用人工智能算法對這些數(shù)據(jù)進行分析和處理。通過對歷史數(shù)據(jù)的學習，智能算法可以從中發(fā)現(xiàn)隱含的規(guī)律和異常，預測設備可能出現(xiàn)的故障，并及時進行預警。這樣可以幫助避免電力設備的突發(fā)故障，提高設備的可靠性和持續(xù)運行的能力。其二，負荷預測。基于大數(shù)據(jù)和人工智能技術，智慧變電站可以對電力系統(tǒng)的負荷情況進行實時監(jiān)測和預測。通過采集和分析歷史負荷數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)、天氣數(shù)據(jù)等，并結合智能算法，可以準確預測未來負荷的變化趨勢。這有助于運營人員進行電力供需平衡的調配，合理制定運行策略，降低能源浪費和成本，提高供電可靠性。其三，安全預警。智慧變電站運用大數(shù)據(jù)和人工智能技術可以實時監(jiān)測設備的運行狀態(tài)、重要參數(shù)，對異常情況和潛在的安全風險進行預警。通過設備的智能化連接和傳感器技術，實時采集和監(jiān)測設備的運行數(shù)據(jù)，結合人工智能算法進行實時分析和處理，及時發(fā)現(xiàn)潛在的故障隱患和安全風險，并通過報警和自動控制等方式，實施預防和保護措施，確保變電站的運行安全。

5 結語

綜上所述，基于大數(shù)據(jù)和人工智能的智慧變電站運營優(yōu)化策略具有重要的意義。通過構建完善的數(shù)據(jù)采集體系，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳輸和處理，可以深入挖掘數(shù)據(jù)的潛在價值，為變電站運營提供準確的決策依據(jù)。利用大數(shù)據(jù)和人工智能技術對數(shù)據(jù)進行深入分析和挖掘，可以實現(xiàn)電力負荷管理、設備狀態(tài)監(jiān)測和故障預測、能源管理策略優(yōu)化等方面的優(yōu)化。同時，智能決策和調度系統(tǒng)可以提高變電站的運行效率和安全性，預測與預警功能可以幫助避免設備故障和事故的發(fā)生。因此，基于大數(shù)據(jù)和人工智能的智慧變電站運營優(yōu)化策略對于提高供電可靠性、降低能源成本、提高經濟效益具有重要意義。

參考文獻

［1］國家電網首個聯(lián)網運營多站融合變電站投運［J］. 農村電氣化，2019（8）：8.

［2］于山，秦福軍，卜廣沖. 淺談變電站管理系統(tǒng)及方法［J］. 科技創(chuàng)新與應用，2016（32）：94.

［作者簡介］金珊珊，女，上海人，國網上海市電力公司工程建設咨詢分公司，中級經濟師，碩士，研究方向：電力系統(tǒng)安全與管控、電力系統(tǒng)診斷技術、電力市場風險管理、電力系統(tǒng)相關設備的創(chuàng)新設計等。

孫博洋，男，內蒙古呼和浩特人，國網上海市電力公司工程建設咨詢分公司，工程師，碩士，研究方向：電力工程安全質量技術管理等。

劉鵬飛，男，上海人，國網上海市電力公司工程建設咨詢分公司，中級工程師，碩士，研究方向：電力系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性研究、電能質量和智能電網技術等。