變電站開關(guān)設(shè)備透明化技術(shù)成熟度評價方法研究

摘" 要：該文提出一種變電站開關(guān)設(shè)備透明化成熟度評價理論框架，并細(xì)分為5個遞進(jìn)等級，信息描述、多點(diǎn)映射、動態(tài)可視、時效分析和業(yè)務(wù)協(xié)同，旨在覆蓋從數(shù)據(jù)基礎(chǔ)構(gòu)建到高級應(yīng)用協(xié)同過程。從信息組織、關(guān)聯(lián)交互、融會貫通和功能服務(wù)4個維度提出成熟度評價指標(biāo)，并設(shè)計完整應(yīng)用流程。項(xiàng)目成果可為變電站開關(guān)設(shè)備數(shù)字化技術(shù)的高階應(yīng)用提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：數(shù)字電網(wǎng)；變電站；開關(guān)設(shè)備；透明化；成熟度評價

中圖分類號：TM72""""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A""""""""" 文章編號：2095-2945（2025）04-0081-05

Abstract： This paper proposes a theoretical framework for transparency maturity evaluation of substation switchgear， which is subdivided into five progressive levels， information description， multi-point mapping， dynamic visualization， timeliness analysis， and business collaboration， aiming to cover the process from data foundation construction to advanced application collaboration. Maturity evaluation indicators are proposed from four dimensions： information organization， correlation interaction， integration， and functional services， and a complete application process is designed. The project results can provide technical reference for high-level applications of substation switchgear digitalization technology.

Keywords： digital power grid; substation; switchgear; transparency; maturity evaluation

隨著信息技術(shù)與電力系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施的一體化趨勢，一、二次設(shè)備的深度融合成為了推動電網(wǎng)現(xiàn)代化的關(guān)鍵路徑[1]。變電站作為電力傳輸與分配的神經(jīng)中樞，其智能化與可靠性升級成為提升整個電網(wǎng)透明化與響應(yīng)速度的迫切需求[2]。

隨著電力系統(tǒng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，變電站開關(guān)設(shè)備因規(guī)模龐大以及數(shù)據(jù)分散性，其設(shè)備狀態(tài)檢測、數(shù)據(jù)集成與分析應(yīng)用等方面尚未實(shí)現(xiàn)技術(shù)覆蓋，如何評估新技術(shù)的成熟度并優(yōu)化其在復(fù)雜電網(wǎng)環(huán)境下的應(yīng)用策略，成為實(shí)現(xiàn)先進(jìn)技術(shù)部署的迫切需求[3]?，F(xiàn)有技術(shù)手段和評價體系側(cè)重單一設(shè)備性能或局部系統(tǒng)的優(yōu)化，技術(shù)嚴(yán)密性和維度相關(guān)性方面具有局限性。一方面，忽略了現(xiàn)實(shí)工況及相關(guān)技術(shù)，以及情景特征與業(yè)務(wù)需求的相互作用；另一方面，與現(xiàn)有技術(shù)理論脫節(jié)，缺乏評價指標(biāo)的理論支撐，難以全面、準(zhǔn)確地掌握數(shù)字化、透明化應(yīng)用水平與建設(shè)方向[4]。

圍繞新型電力系統(tǒng)建設(shè)，需要清晰的、具有針對性的變電站開關(guān)設(shè)備數(shù)字化、透明化成熟度定義，對其能力域進(jìn)行分類，以評估其建設(shè)質(zhì)效。本文的目的旨在：①成熟度描述。呈現(xiàn)當(dāng)前變電站開關(guān)設(shè)備的數(shù)字化、透明化成熟度水平和目標(biāo)。②成熟度評價。將數(shù)字化、透明化建設(shè)目標(biāo)與現(xiàn)實(shí)技術(shù)水平和技術(shù)成熟度進(jìn)行評價和對比分析。③規(guī)范性建設(shè)。為變電站開關(guān)設(shè)備達(dá)到預(yù)期的數(shù)字化、透明化成熟度水平提供建設(shè)指導(dǎo)。

通過對變電站開關(guān)設(shè)備數(shù)字化、透明化技術(shù)成熟度進(jìn)行評價，可把握從基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理到高級應(yīng)用協(xié)同的全鏈條升級路徑，減少技術(shù)發(fā)展收益的不確定性，以確保技術(shù)革新與業(yè)務(wù)需求的緊密對接。

1" 開關(guān)設(shè)備數(shù)字化、透明化成熟度評價理論框架

1.1" 開關(guān)設(shè)備數(shù)字化、透明化業(yè)務(wù)需求及現(xiàn)狀

數(shù)字化、透明化技術(shù)發(fā)展的主要目的是在設(shè)備層面、系統(tǒng)層面和業(yè)務(wù)層面滿足電力系統(tǒng)的運(yùn)行與維護(hù)需求。對其技術(shù)成熟度的評價是將組織、系統(tǒng)、過程和技術(shù)與實(shí)際需求和目的相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對電力設(shè)備的數(shù)字化、透明化建設(shè)進(jìn)行描述、指導(dǎo)和開發(fā)。隨著物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、可視化等技術(shù)的發(fā)展，對變電站開關(guān)的設(shè)備數(shù)字化、透明化技術(shù)成熟度評價重點(diǎn)是圍繞戰(zhàn)略、組織、技術(shù)、操作和需求進(jìn)行多方面多維度的綜合評估[5]。因此，本文從業(yè)務(wù)單元與發(fā)展需求相結(jié)合的角度，構(gòu)建涵蓋技術(shù)策略、管理策略、運(yùn)維策略、平臺組織和應(yīng)用流程的成熟度評價模型。

新型電力系統(tǒng)數(shù)字化、透明化運(yùn)維利用數(shù)據(jù)與知識融合，應(yīng)對復(fù)雜環(huán)境，確保運(yùn)維安全可靠[6]。對其技術(shù)成熟度的評估需聚焦于關(guān)鍵技術(shù)及智能設(shè)備，結(jié)合信息共享平臺，根據(jù)業(yè)務(wù)需求構(gòu)建評價模型，定性分析整體數(shù)字化、透明化水平，指導(dǎo)實(shí)踐建設(shè)。

由圖1可知，本文從價值屬性和技術(shù)屬性對變電站開關(guān)設(shè)備的技術(shù)應(yīng)用場景進(jìn)行拆解[7]：①現(xiàn)有應(yīng)用場景。具備相對成熟的實(shí)現(xiàn)技術(shù)，可視為基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)。②未來重點(diǎn)場景。體現(xiàn)出未來建設(shè)需求和技術(shù)的顯性價值，但大規(guī)模應(yīng)用仍待關(guān)鍵技術(shù)突破與支撐。

當(dāng)前，變電站開關(guān)設(shè)備數(shù)字化、透明化面臨信息孤立與功能差異等問題：①電場、溫度場等數(shù)據(jù)融合不足，電、熱、聲等狀態(tài)信息與空間信息分離，減弱了設(shè)備管控效能；②缺乏與可視化對接的數(shù)據(jù)分析與挖掘方法，導(dǎo)致運(yùn)維信息管理分散無序；③運(yùn)維信息與復(fù)雜動態(tài)工況下的需求不對接，難以支撐變電站數(shù)字化運(yùn)維應(yīng)用[8]。

本文依托國際標(biāo)準(zhǔn)ITU-T Y.4906《產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型評估框架》與《企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型方法論》，以及國內(nèi)GB/T 23011—2022《數(shù)字化轉(zhuǎn)型 價值效益參考模型》與T/AIITRE 10001—2020《數(shù)字化轉(zhuǎn)型 參考架構(gòu)》等規(guī)范，結(jié)合工信部數(shù)字化轉(zhuǎn)型成熟度體系，針對變電站開關(guān)設(shè)備的特殊運(yùn)維需求，構(gòu)建一套分層次、分領(lǐng)域的成熟度評估框架，旨在為變電站數(shù)字化、透明化技術(shù)的成熟度提供全面并且具有針對性的評估工具，促進(jìn)技術(shù)有效應(yīng)用與轉(zhuǎn)型升級。

1.2" 數(shù)字化、透明化技術(shù)成熟度等級

圍繞現(xiàn)有的變電站設(shè)備的相關(guān)理論研究和應(yīng)用實(shí)踐，本文依據(jù)其特征功能與用途分為6個層面：①面向多維度、多業(yè)務(wù)需求的雜散亂信息高度集成與有序化、結(jié)構(gòu)化規(guī)范組織；②設(shè)備實(shí)體及其模型的協(xié)同應(yīng)用；③多層級信息、模型與技術(shù)資源的融合集成；④基于有序化、結(jié)構(gòu)化信息組織的動態(tài)可視化掛接；⑤設(shè)備環(huán)境與狀態(tài)資源的優(yōu)化管理與高效交互；⑥高度可靠的平臺工具及其友好服務(wù)范式。

基于變電站智能化與可靠性需求，從4個方面將開關(guān)設(shè)備的數(shù)字化、透明化技術(shù)分為5個等級：①一級（L1），信息描述。信息描述涉及運(yùn)用信息技術(shù)，從多維度刻畫變電站開關(guān)設(shè)備特性，但現(xiàn)有模式下，信息化模型與實(shí)體設(shè)備間實(shí)時交互受限，依賴人工進(jìn)行信息組織、控制及模型更新優(yōu)化。②二級（L2），多點(diǎn)映射。多點(diǎn)映射依據(jù)時間、空間及環(huán)境條件，反映變電站開關(guān)實(shí)時狀態(tài)演變，借助實(shí)時數(shù)據(jù)突破三維局限整合多源信息。然而，設(shè)備運(yùn)維分析與關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)推理仍主要依靠人工。③三級（L3），動態(tài)可視。該成熟度層次實(shí)現(xiàn)了信息空間數(shù)字化模型的完善組織，支持復(fù)雜運(yùn)行過程的信息透明。動態(tài)可視通過增強(qiáng)數(shù)據(jù)傳輸，建立雙向交互，提升了多源信息的有序組織與可視化水平。④四級（L4），時效分析。時效分析依托設(shè)備與模型的實(shí)時交互，融合多源信息，動態(tài)展現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)，并結(jié)合運(yùn)維知識解析內(nèi)在規(guī)律，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)全面關(guān)聯(lián)與知識追蹤，輔助快速解析設(shè)備狀況，進(jìn)行高效分析應(yīng)用。⑤五級（L5），業(yè)務(wù)協(xié)同。數(shù)字化、透明化的變電站設(shè)備實(shí)時展示狀態(tài)與趨勢，通過即時交互感知狀態(tài)變化，動態(tài)更新設(shè)備模型和知識，確保長期運(yùn)行中的狀態(tài)與信息的一致性。

1.3" 成熟度評價指標(biāo)

成熟度等級概括了變電站開關(guān)設(shè)備數(shù)字化、透明化的目標(biāo)范圍，圍繞四大維度確立18項(xiàng)指標(biāo)，細(xì)化了各級別對指標(biāo)的成熟度要求。

1.3.1" 信息組織維度

信息組織維度負(fù)責(zé)感知變電站設(shè)備的信息電量與非電量信息要素，其評價指標(biāo)見表1。

1.3.2" 關(guān)聯(lián)交互維度評價指標(biāo)

關(guān)聯(lián)交互是銜接信息基礎(chǔ)與業(yè)務(wù)需求的重要維度，其評價指標(biāo)見表2。

1.3.3" 融會貫通維度評價指標(biāo)

數(shù)字化、透明化建設(shè)需基于業(yè)務(wù)需求和目標(biāo)功能進(jìn)行技術(shù)與資源的融合，其評價指標(biāo)見表3。

1.3.4" 功能服務(wù)維度評價指標(biāo)

功能服務(wù)是決定發(fā)揮變電站設(shè)備信息要素效用和價值的關(guān)鍵，其評價指標(biāo)見表4。

2" 成熟度評價模型應(yīng)用流程

成熟度評價模型應(yīng)用流程分為3個階段：首先，專家設(shè)定指標(biāo)權(quán)重與成熟度評分；其次，進(jìn)行權(quán)重與評分的一致性校驗(yàn)；最后，計算整體成熟度得分，匹配相應(yīng)等級，如圖2所示。

記A表示各單項(xiàng)評價指標(biāo)權(quán)重設(shè)定與成熟度評分的判斷矩陣，將不同評價指標(biāo)與成熟度分別進(jìn)行兩兩對比，基于層次分析法構(gòu)建判斷矩陣[9]為

式中：aij表示指標(biāo)i相對于指標(biāo)j的重要性對比。判斷矩陣A是為計算初步權(quán)重評分向量的最大特征根，并基于A計算初步權(quán)重與評分的一致性

式中：λmax為矩陣A的最大特征值。在此基礎(chǔ)上，計算一致性期望

式中：RI為一致性指數(shù)。其計算方法為

式中：λavg為矩陣A中所有特征值的平均值。本文設(shè)置一致性期望閾值為50%，即當(dāng)CR＜0.5時，判定評價指標(biāo)的權(quán)重與評分具有滿意的一致性，否則需重新設(shè)定評價指標(biāo)權(quán)重與評分。在第三階段，依據(jù)滿足一致性期望的初步單項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重與成熟度評分，計算單項(xiàng)維度的成熟度評分Dn為

式中：m表示單項(xiàng)評估維度下單項(xiàng)評價指標(biāo)的數(shù)量；αi表示第i個評價指標(biāo)的權(quán)重；βj表示第j個評價指標(biāo)的成熟度評分。S表示變電站設(shè)備數(shù)字化、透明化成熟度的整體最終評分，其最終結(jié)果應(yīng)由單項(xiàng)維度的成熟度評分及其總權(quán)重構(gòu)成為

式中：4表示本文成熟度評估的4個維度；？著為評分比例系數(shù)。依據(jù)最終成熟度評分，將變電站設(shè)備數(shù)字化、透明化成熟度劃分為5個等級分段，見表5。

3" 結(jié)論

開關(guān)類設(shè)備的數(shù)字化、透明化需要同時進(jìn)行多種技術(shù)性的轉(zhuǎn)變和創(chuàng)新。本文將其成熟度水平劃分為信息描述、多點(diǎn)映射、動態(tài)可視、時效分析和業(yè)務(wù)協(xié)同5個等級，提出了4個維度、18個指標(biāo)的成熟度評價模型，設(shè)計了電力設(shè)備數(shù)字化、透明化評價模型的應(yīng)用流程。研究成果可為變電站開關(guān)類設(shè)備數(shù)字化、透明化的建設(shè)提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1] 江秀臣，許永鵬，李曜丞，等.新型電力系統(tǒng)背景下的輸變電數(shù)字化轉(zhuǎn)型[J].高電壓技術(shù)，2022，48（1）：1-10.

[2] 李立浧，蔡澤祥，唐文虎，等.透明電網(wǎng)理論框架與關(guān)鍵技術(shù)[J].中國工程科學(xué)，2022，24（4）：32-43.

[3] 康重慶，杜爾順，郭鴻業(yè)，等.新型電力系統(tǒng)的六要素分析[J].電網(wǎng)技術(shù)，2023，47（5）：1741-1750.

[4] 陶飛，張辰源，戚慶林，等.數(shù)字孿生成熟度模型[J].計算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2022，28（5）：1267-1281.

[5] WEI F H， JIAN H F， TONG Z Z， et al. A new quantitative digital twin maturity model for high-end equipment[J]. Journal of Manufacturing Systems， 2023，66：248-259.

[6] PEDRO P S， ANA C B， JAIME B R， et al. Development of a digital maturity model for Industry 4.0 based on the technology-organization-environmentframework[J]. Computers amp; Industrial Engineering， 2023，185：109645.

[7] LOZANO J C， KONERU K， ORTIZ N， et al. Digital Substations and IEC 61850： A Primer[J]. IEEE Communications Magazine， 2023，61（6）：28-34.

[8] 何偉，張偉東，王超賢.面向數(shù)字化轉(zhuǎn)型的“互聯(lián)網(wǎng)+”戰(zhàn)略升級研究[J].中國工程科學(xué)，2020，22（4）：10-17.

[9] LIU G S， ZHENG T T， YI H G， et al. Cloud knowledge capability maturity model integration and evaluation method using a cloud knowledge management system[J]. IEEE Engineering Management Review， 2023，51（3）：93-108.