王國民，石智永，張 凱，謝 彬，莊海軍

(國網(wǎng)鄭州供電公司，河南 鄭州 450052)

0 引言

隨著自動化和信息化技術的發(fā)展，變電站的運維水平也不斷提高，逐漸從有人值守發(fā)展為現(xiàn)在的無人值守。這主要得益于變電站綜合自動化系統(tǒng)的發(fā)展和完善。變電站的運維，主要關系到調度SCADA系統(tǒng)、設備資產管理系統(tǒng)和在線監(jiān)測系統(tǒng)等。利用現(xiàn)階段不斷發(fā)展的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡，可以對變電站一體化運維進行構建，從管理和技術方面使一體化運維能力得到提升。

目前，針對變電站一體化運維的研究主要集中在運維系統(tǒng)和運維平臺方面，文獻[1]設計了變電站運維一體化數(shù)據(jù)智能分析系統(tǒng)；文獻[2]分析了視頻監(jiān)控在變電運維一體化中的應用；文獻[3]設計了變電站遠程運維平臺；文獻[4]論述了特高壓變電站運維一體化移動作業(yè)平臺；文獻[5]設計了變電站一體化運維平臺，并對其應用進行了說明；文獻[6]針對智能化變電站運維檢修管理模式進行了研究?？梢姮F(xiàn)有研究主要針對運維平臺，更多關注的是平臺的功能架構和應用情況，而對平臺結合相關的數(shù)據(jù)感知技術和網(wǎng)絡狀態(tài)感知在變電站運維中的研究不是很充分。

本文提出了基于網(wǎng)絡狀態(tài)感知的變電站一體化運維系統(tǒng)。根據(jù)一體化運維平臺的數(shù)據(jù)需求，提出了一體化數(shù)據(jù)平臺運維結構。針對網(wǎng)絡狀態(tài)感知的具體內容和應用，以網(wǎng)絡狀態(tài)估計、態(tài)勢估計和態(tài)勢預測為代表分析了其具體技術，構建了基于網(wǎng)絡狀態(tài)感知分析的一體化運維平臺，分析了具體應用效果。

1 一體化運維平臺數(shù)據(jù)需求

現(xiàn)階段，變電檢修運維主要包括變電檢修與試驗、二次設備檢修與試驗、設備狀態(tài)監(jiān)測與管理、輸電系統(tǒng)運檢、帶電作業(yè)中心、綜合服務中心和運檢指揮中心等。針對這類不同的業(yè)務范圍，運維平臺能夠實現(xiàn)多種業(yè)務之間的融合和系統(tǒng)管理，提高過程中的運行和管控能力。

變電站運維作業(yè)任務主要包括電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)、故障和保護數(shù)據(jù)、運行分析數(shù)據(jù)、電能質量數(shù)據(jù)、作業(yè)管理數(shù)據(jù)、設備狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)和環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)等。而這些數(shù)據(jù)之間相互聯(lián)系，主要涉及到調度SCADA系統(tǒng)、安全生產管理系統(tǒng)、設備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、電能質量系統(tǒng)和視頻監(jiān)測系統(tǒng)等。

變電站運行和檢修是保證電力生產工作管理的重要部分，對于保證電網(wǎng)安全可靠供電承擔了重要的作用。在數(shù)字化和智能化電網(wǎng)發(fā)展的過程中，運行和檢修工作也將會以提升設備和環(huán)境狀態(tài)信息的自動感知能力為基礎，實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)與電網(wǎng)運檢的深度融合。現(xiàn)階段，電網(wǎng)信息化建設不斷深入，現(xiàn)場運維系統(tǒng)仍然有改善空間，而變電運維對于系統(tǒng)的需求主要體現(xiàn)在以下4個方面。

a.數(shù)據(jù)高可靠性。

隨著狀態(tài)感知以及全景自動剖析的應用，系統(tǒng)運行和檢修的數(shù)據(jù)需要不斷提高準確性和可靠性，從而打破狀態(tài)檢修評估和判斷電力系統(tǒng)設備狀態(tài)的瓶頸。在電力技術和信息通信技術不斷發(fā)展的背景下，數(shù)據(jù)的完備性和準確性逐漸擺脫人工操作的限制，并且在傳輸方面能夠以更高的速率進行傳輸。另一方面，隨著傳感器技術和廣域量測技術的發(fā)展，系統(tǒng)數(shù)據(jù)的質量也得到提高。因此，一體化運維對于數(shù)據(jù)的可靠性要求更加苛刻。

b.數(shù)據(jù)規(guī)范性高。

目前，各類帶電儀器檢測方式眾多，生成的數(shù)據(jù)形式也不統(tǒng)一，并且根據(jù)不同的標準，在數(shù)據(jù)交互性、接口規(guī)約方面也存在一定差異。一體化運維需要將這類差異最小化，在形式上對數(shù)據(jù)的存儲和收集形成一定約束，減少數(shù)據(jù)多樣性，從而降低數(shù)據(jù)收集成本。

c.數(shù)據(jù)錄入效率提高。

現(xiàn)階段，運行和檢修數(shù)據(jù)主要依靠人工方式進行錄入，錄入的形式為手工記錄，存在一定程度的容錯率。這種方式不能夠滿足現(xiàn)階段一體化運維的要求，利用移動平臺和手持終端等，可以實現(xiàn)設備狀態(tài)、數(shù)據(jù)和運行檢修數(shù)據(jù)的實時智能化錄入，提高工作效率、降低人力成本、提高數(shù)據(jù)正確率。

d.設備狀態(tài)數(shù)據(jù)實時分析。

現(xiàn)階段，設備狀態(tài)數(shù)據(jù)主要依賴人工分析和處理，難以實時進行統(tǒng)計。在一體化運維背景下，需要對數(shù)據(jù)進行實時分析、自動化評估分析，從而充分利用現(xiàn)場豐富的數(shù)據(jù)資源，實現(xiàn)與終端數(shù)據(jù)的交互，并且將不同系統(tǒng)中的設備狀態(tài)、數(shù)據(jù)整合進行統(tǒng)一處理。

一體化平臺結構如圖1所示。一體化運維平臺是基于移動終端和平臺操作實現(xiàn)的。隨著電力系統(tǒng)與無線傳輸技術的融合，無線終端能夠實現(xiàn)對現(xiàn)場運維數(shù)據(jù)采集和整理，實現(xiàn)基于藍牙、紅外線和Wi-Fi的無線傳輸網(wǎng)絡全覆蓋，提升變電站實時運維檢修能力，并且能夠提升變電站與上級調度指揮系統(tǒng)和操作運維中心的對接。

圖1 一體化運維平臺

在帶電檢測錄入方面，移動終端能夠根據(jù)設備的二維碼信息和條形碼信息進行掃描錄入，省去人工輸入的成本，統(tǒng)一各類帶電檢測裝置與移動終端的通信接口規(guī)范，能夠將數(shù)據(jù)記錄格式形成標準化和統(tǒng)一化，實現(xiàn)特高頻、高頻電流、超聲和溫度等檢測數(shù)據(jù)向移動端的無線傳輸。

在移動平臺和數(shù)據(jù)終端信息傳輸過程中，能夠實現(xiàn)以實時通信的方式進行并行傳輸數(shù)據(jù)，并且在運行檢修成本方面能夠根據(jù)手持終端進行實地測量和上報，通過拍照和視頻的形式直接快速便捷反饋至運維檢修中心，從而減少指令下發(fā)環(huán)節(jié)的冗余，提升工作效率。

2 網(wǎng)絡狀態(tài)感知概述

2.1 狀態(tài)感知結構

電力系統(tǒng)狀態(tài)感知的概念較為模糊，沒有統(tǒng)一的定義，一般來說，狀態(tài)感知與態(tài)勢感知等概念較為相似，均是指通過各種手段對電網(wǎng)的運行狀態(tài)以及影響運行狀態(tài)的因素進行收集整理和分析，全面理解電網(wǎng)的運行方式，從而在一定程度上預測和判斷可能發(fā)生的各種運行情況。網(wǎng)絡狀態(tài)感知結構如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡狀態(tài)感知結構

電力系統(tǒng)狀態(tài)感知的研究框架分為察覺層、理解層和預測層[7]。察覺層是根據(jù)電網(wǎng)的運行狀態(tài)進行關鍵數(shù)據(jù)和要素的提取。電網(wǎng)的態(tài)勢，包括通過SCADA系統(tǒng)和廣域量測系統(tǒng)得到的潮流數(shù)據(jù)、調度數(shù)據(jù)、負荷數(shù)據(jù)和電源數(shù)據(jù)等在線數(shù)據(jù)和離線數(shù)據(jù)。理解層負責對提取到的關鍵要素進行分析，并根據(jù)相應的規(guī)則和算法進行數(shù)據(jù)初步處理，從而實現(xiàn)對電網(wǎng)運行方式的初步評估。預測層是根據(jù)當前得到的分析結果對未來趨勢進行預測，由于預測層與電網(wǎng)運行關系的緊密性較高，可以通過預測判斷電力系統(tǒng)在運行和調度方面可能發(fā)生的問題和運行趨勢，因此，在預測層可以接入多種應用來聯(lián)合判斷電力系統(tǒng)的運行方式變化趨勢。

2.2 狀態(tài)感知關鍵技術

電力系統(tǒng)狀態(tài)感知的關鍵技術與電力系統(tǒng)狀態(tài)感知的研究框架具有密切相關性。隨著電力系統(tǒng)的日益復雜，電力系統(tǒng)狀態(tài)感知也呈現(xiàn)出數(shù)據(jù)量龐大和交互性更強等特點，需要根據(jù)數(shù)據(jù)特點進行相應的分析。

電力系統(tǒng)狀態(tài)感知的關鍵技術包括電網(wǎng)狀態(tài)估計技術、態(tài)勢綜合評估模型和算法、態(tài)勢預測技術等。電力系統(tǒng)狀態(tài)估計技術是電力系統(tǒng)的基本預測技術之一，能夠在獲得相應量測量和冗余信息的基礎上，按照一定估計準則對原始數(shù)據(jù)進行處理，從而達到對系統(tǒng)運行狀態(tài)的估計。目前，較常用的方法是基于最小二乘法的狀態(tài)估計方法，但是其抗差性比較弱，在誤差方面不能夠滿足某些精度較高的要求。

a.電網(wǎng)狀態(tài)估計技術。

隨著新能源和分布式電源在電網(wǎng)中的滲透率不斷提高，考慮到這些因素的不確定性，狀態(tài)估計的方法也隨之發(fā)生改變，對于某些不良數(shù)據(jù)具有較強辨識能力的狀態(tài)估計方法被廣泛應用，包括解決收斂性問題、冗余性問題和準確率問題等新的狀態(tài)感知方法，也不斷地應用于電力系統(tǒng)狀態(tài)感知分析過程中。

b.態(tài)勢綜合評估模型和算法。

電網(wǎng)運行狀態(tài)評估技術主要分為評估體系構建和指標權重的分配。目前，指標體系中的指標需要結合電力系統(tǒng)運行方式和所要研究的電力系統(tǒng)狀態(tài)進行選擇，在指標選擇方面具有一定的抽象性和應用性，而指標體系的構建關系著評判結果和評判方法的選擇。在指標權重構造上，主要分為主觀賦權法、客觀賦權法和組合賦權法。電力系統(tǒng)狀態(tài)綜合評估是綜合了指標體系和指標權重分配的綜合性評估系統(tǒng)，在一定程度上需要反映決策人的意圖，也需要結合客觀權重進行分配。因此在評估過程中，需要有機結合主觀和客觀的比重問題。

c.態(tài)勢預測技術。

電力系統(tǒng)態(tài)勢預測主要分為在線預測和離線預測。在線預測技術對數(shù)據(jù)的實時性能要求較高，而離線性能可以通過相應的層次分析、模糊理論等對電網(wǎng)的趨勢進行離線分析。離線分析的精度和準確率不如在線分析高。在電網(wǎng)運行方式和調度運行方式預測過程中，需要滿足相應的約束條件，并且考慮相應節(jié)點范圍內的分布式電源和負荷變動，并且需要考慮電力市場環(huán)境下電力系統(tǒng)運行態(tài)勢的變化。在趨勢預測方面，機器學習和人工智能技術等能夠利用歷史數(shù)據(jù)形成相應的數(shù)據(jù)庫，通過相應的學習手段對歷史數(shù)據(jù)進行學習和研判，從而對預測模型進行修正。在大數(shù)據(jù)和云計算等背景下，態(tài)勢預測變得更加有效和有針對性。

預測需要對大量歷史數(shù)據(jù)進行訓練和搜索。神經網(wǎng)絡是數(shù)據(jù)驅動的有力工具，因此神經網(wǎng)絡可以應用于負荷預測。通過對負荷的預測可以有效檢測負荷中的異常數(shù)據(jù)。與支持向量回歸分析預測不同的是，基于神經網(wǎng)絡的負荷預測利用神經網(wǎng)絡進行分析。通過改變神經網(wǎng)絡的配置，包括隱藏層和隱藏層內的節(jié)點數(shù)目，可以形成對負荷的不同預測函數(shù)。通過神經網(wǎng)絡進行的負荷預測準確性較高。

3 基于網(wǎng)絡狀態(tài)感知分析的一體化運維平臺

3.1 平臺構架

基于網(wǎng)絡狀態(tài)感知分析的一體化運行平臺分為標準層、數(shù)據(jù)信息層和應用層，如圖3所示。由于電力系統(tǒng)一體化運維平臺需要根據(jù)相應的行業(yè)標準和規(guī)則進行制定，因此需要抽象總結通用的電網(wǎng)，現(xiàn)有規(guī)則和通用的行業(yè)國際標準，主要針對運維平臺和移動終端之間的通信規(guī)約，包括模型、消息總線、簡單郵件、圖形、服務總線和工作流引擎。而相應的行業(yè)國際規(guī)則能夠提供相應的語言規(guī)范，主要是指公共信息模型CIM。

圖3 平臺架構

在滿足相應行業(yè)標準的前提下，構建電網(wǎng)設備和網(wǎng)絡狀態(tài)的信息模型，應當包括電網(wǎng)運行信息、通信網(wǎng)絡信息、作業(yè)管理信息、設備狀態(tài)信息、視頻環(huán)境信息和設備評價信息等。這類信息模型能夠為電力系統(tǒng)一體化運維提供相應的數(shù)據(jù)基礎，從而擴展為廠站信息、設備檢修信息、調度日志信息、設備模型、氣象信息和通信系統(tǒng)遙測遙控信息等。這類信息是一體化運維平臺主要的基礎數(shù)據(jù)來源。由于一體化運維平臺需要對網(wǎng)絡狀態(tài)感知進行相應的分析，所以需要數(shù)據(jù)進行支撐，從提供的數(shù)據(jù)過程中進行相應的目標元素提取，形成相應的應用模塊。本文設計的一體化運維平臺應用模塊包括實時數(shù)據(jù)管理、實時預警、運行評估體系和協(xié)同分析。由于應用層是平臺的頂層設計，因此需要考慮保護故障信息系統(tǒng)、調度SCADA系統(tǒng)、電能質量系統(tǒng)、設備狀態(tài)檢測系統(tǒng)、安全生產管理系統(tǒng)的應用接口，使其滿足相應的數(shù)據(jù)調用和共享條件。

3.2 系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)配置

統(tǒng)一數(shù)據(jù)平臺是一體化運維的重要組成部分，這類數(shù)據(jù)是基礎數(shù)據(jù)的重要構成，包括基礎設備類數(shù)據(jù)、運行方式類數(shù)據(jù)和在線應用類數(shù)據(jù)。

基礎設備類數(shù)據(jù)是指電力系統(tǒng)運行和檢修過程中規(guī)劃的設備參數(shù)和運行的設備參數(shù)，包括不同生命周期內的同一套設備以及不同設備。設備的新建以及設備參數(shù)的修改是需要運維人員對相應工程進行對應之后完成的，并且實現(xiàn)設備與工程關聯(lián)之后可以進行設備參數(shù)的流程化管理。

運行方式的數(shù)據(jù)是根據(jù)調度運行方式制定和采集的調度運行方式，對于電力系統(tǒng)設備的運行狀態(tài)有著重要影響，因此也關系著電力系統(tǒng)運行和檢修等運維工作。

在線應用類數(shù)據(jù)主要是指一體化運維平臺與其他系統(tǒng)進行相應的參數(shù)和接口共享?？紤]到目前電力系統(tǒng)的參數(shù)和平臺沒有完全統(tǒng)一，不同級別的運維中心可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)共享性不足等問題，因此需要在在線應用類模塊中直接體現(xiàn)外系統(tǒng)，可以利用輸出的參數(shù)進行導入和對比，可以選擇按照單個設備、所有設備和一類設備等進行操作。表1給出了變電站內運維檢修過程中的狀態(tài)感知技術在設備的配置情況。

表1 狀態(tài)感知設備配置情況

根據(jù)表1可以看到，設備狀態(tài)感知的一般功能，在與設備配套的技術基礎上進行擴展，可以實現(xiàn)更加豐富的功能。

3.3 應用效果分析

以某工程的智慧能源站為例，構建了變電站、能源站、數(shù)據(jù)中心站為一體的各層分區(qū)自治、平臺層交流融合的網(wǎng)絡狀態(tài)感知運維系統(tǒng)。采用統(tǒng)一的IEC 61850規(guī)約，實現(xiàn)能源的統(tǒng)一監(jiān)測和協(xié)調控制。設置本文運維系統(tǒng)，針對監(jiān)控主機的數(shù)據(jù)采集流量效率、數(shù)據(jù)處理效率以及上下級數(shù)據(jù)傳輸效率進行對比，得到與原有系統(tǒng)的對比結果如表2所示。

表2 應用結果對比 %

可以看出，變電站、儲能站、數(shù)據(jù)中心融合建設的新業(yè)務模式下，面臨著更為復雜的數(shù)據(jù)處理壓力，網(wǎng)絡狀態(tài)感知系統(tǒng)能夠以數(shù)據(jù)為中心，結合信息網(wǎng)絡的分析方法，實現(xiàn)對變電站的數(shù)據(jù)全方位感知，從而提升運維和處理效率，數(shù)據(jù)流量采集效率由原來的89%提升至96%，數(shù)據(jù)處理效率由82%提升至94%，數(shù)據(jù)傳輸效率提升至99%，均表現(xiàn)出了良好的數(shù)據(jù)處理能力。

4 結束語

變電站一體化運維對于電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行具有十分重要的意義。通過狀態(tài)感知技術，能夠實現(xiàn)對網(wǎng)絡狀態(tài)以及趨勢預測等功能，從而推進網(wǎng)絡一體化運維。一體化平臺需要根據(jù)變電站的具體情況進行狀態(tài)感知設備的配置，本文根據(jù)狀態(tài)感知技術，提出了系統(tǒng)功能和相應的配置方法。