人工智能環(huán)境下智慧變電站發(fā)展研究

武生鋒

（國網(wǎng)山西省電力公司孝義市供電公司，山西 呂梁 032300）

0 引 言

作為現(xiàn)代科技發(fā)展的重要方向之一，人工智能技術(shù)對于各項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展有著良好的推動作用，如其應(yīng)用于電力行業(yè)所誕生的一個重要產(chǎn)物是智慧變電站。

1 案例分析

以山西某智慧變電站為例，在其智慧化改造過程中實(shí)現(xiàn)了對保護(hù)單元、測量單元、控制單元、計量單元、檢測單元和通信單元等多個單元的智能化改建。該智慧變電站的配置如下：（1）主變壓器，由有載調(diào)壓、自冷式三相兩卷有載調(diào)壓變壓器構(gòu)成；（2）110 kV設(shè)備，該設(shè)備的參數(shù)由短路電流決定，其中設(shè)備額度開關(guān)電流40 kA，動穩(wěn)定電流峰值100 kA，設(shè)備類型為H-GIS內(nèi)置組合式。

該智慧變電站的在線監(jiān)測功能通過饋線開關(guān)、圖像監(jiān)視、安全報警、火災(zāi)報警等系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。上述系統(tǒng)投入應(yīng)用后，可于調(diào)度側(cè)全方位掌握變電站運(yùn)行情況。智慧變電站引入了安全穩(wěn)定的UNIX操作系統(tǒng)，這種操作系統(tǒng)可操作性強(qiáng)、界面交互優(yōu)異，具備擴(kuò)展與開發(fā)功能。該監(jiān)控系統(tǒng)具有遙測、遙信、遙調(diào)以及遙控等方面的功能，可以完成同調(diào)度通信中心之間的信息交換，支持電力系統(tǒng)的調(diào)度和穩(wěn)定運(yùn)行。

2 人工智能環(huán)境下智慧變電站發(fā)展現(xiàn)狀

在人工智能環(huán)境下智慧變電站的建設(shè)上，國外一些國家存在很大優(yōu)勢，如西門子、ABB等企業(yè)已經(jīng)取得突出成績。例如，ABB公司研發(fā)的GIS設(shè)備，拓展了二次設(shè)備實(shí)用性，實(shí)現(xiàn)了智能互感器以及智能斷路器集成化，實(shí)現(xiàn)了對電力系統(tǒng)的全面監(jiān)控和保護(hù)[1]。我國人工智能和智慧變電站發(fā)展起步較晚，目前我國經(jīng)過翻譯AEC61850系列標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步研發(fā)IEC61850系列標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了智慧變電站的功能組合及硬件集約，進(jìn)一步拓展變電站性能。在現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)下，我國智慧變電站包括變電站層、過程層及間隔層，并通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了連接。但我國在人工智能和信息技術(shù)發(fā)展上突飛猛進(jìn)，在智慧發(fā)電站的開發(fā)和建設(shè)上取得了突出的成績，建設(shè)了全球范圍內(nèi)首座最高電壓等級的智慧變電站，為我國智慧變電站發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。

在電力體系中，人工智能與電力系統(tǒng)之間的結(jié)合，可以進(jìn)一步提升電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)作的智能化水平，不僅可以全方位提升電力輸送、電力配送和調(diào)配等環(huán)節(jié)的工作效率，而且對于一些具有較高危險性的電網(wǎng)管理工作，可以有效保障工作人員的安全。現(xiàn)階段，電網(wǎng)系統(tǒng)與人工智能技術(shù)的結(jié)合主要表現(xiàn)在人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、專家系統(tǒng)及模糊控制等方面，這些技術(shù)更加適用于我國的電網(wǎng)分布與電力調(diào)配[2]，顯著改善電網(wǎng)管理的復(fù)雜化操作，維護(hù)電網(wǎng)運(yùn)行安全，降低電力層面的投入風(fēng)險與資源成本。在變電站建設(shè)過程中應(yīng)用人工智能技術(shù)，可以通過圖像識別、語義分析處理技術(shù)來完成對原始資料的分析與解讀，包括變電站工程規(guī)模、設(shè)備選型、布置方案、站址坐標(biāo)及負(fù)荷條件等內(nèi)容，并可支持技術(shù)人員完成變電站設(shè)計和規(guī)劃，進(jìn)一步提高智慧變電站建設(shè)質(zhì)量和進(jìn)度。

3 人工智能環(huán)境下我國智慧變電站發(fā)展趨勢

我國社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，對于電力系統(tǒng)的需求進(jìn)一步提高，對智慧變電站的建設(shè)提出了更高的要求。目前，智慧變電站建設(shè)占地面積過大，功能分區(qū)模糊，建筑結(jié)構(gòu)多采用磚混結(jié)構(gòu)，施工周期長等，均影響了智慧變電站的發(fā)展。例如，武漢未來城建設(shè)智慧變電站，雖然考慮了施工周期、施工成本、占地面積及設(shè)備優(yōu)化等問題，但是仍然存在一定弊端，如在后期擴(kuò)大規(guī)模、功能分區(qū)上存在一定困難。因此，未來建設(shè)智慧變電站需進(jìn)一步創(chuàng)新技術(shù)路線和設(shè)計思路，形成實(shí)用性更強(qiáng)的設(shè)計方案。近期智慧變電站建設(shè)將朝向以下目標(biāo)發(fā)展：（1）優(yōu)化變電站結(jié)構(gòu)，積極建設(shè)集成化電力體系，不斷融入先進(jìn)設(shè)備，形成兼具經(jīng)濟(jì)環(huán)保和集成調(diào)控優(yōu)點(diǎn)的智慧變電站；（2）融合高度智能化變電設(shè)備，引進(jìn)交互性強(qiáng)的測控技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)便捷高效的運(yùn)行目的；（3）優(yōu)化模塊化設(shè)計，為后續(xù)施工、擴(kuò)大規(guī)模、安全維護(hù)奠定基礎(chǔ)。

另外，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，今后在人工智能環(huán)境下，我國智慧變電站應(yīng)用電網(wǎng)智能化、數(shù)字化技術(shù)，將改變電網(wǎng)傳統(tǒng)生產(chǎn)、管理和運(yùn)營模式，讓電力的運(yùn)行輸送變得更加精準(zhǔn)；遠(yuǎn)程智能巡檢系統(tǒng)可替代傳統(tǒng)的人工現(xiàn)場巡視，將原有30天周期的人工全面巡視升級為每天的遠(yuǎn)程在線與機(jī)器人聯(lián)合巡檢，有效提升巡檢質(zhì)效，使電網(wǎng)管理工作得到簡化，實(shí)現(xiàn)整體管理質(zhì)量的提升。

4 人工智能環(huán)境下智慧變電站的主要特點(diǎn)

4.1 技術(shù)特征

作為應(yīng)用了多種先進(jìn)技術(shù)的輸變電工程，智慧變電站投入應(yīng)用后，其最為明顯的技術(shù)特征為通信信息數(shù)字化、通信平臺網(wǎng)絡(luò)化、信息共享標(biāo)準(zhǔn)化。其中，通信信息數(shù)字化主要表現(xiàn)在智慧變電站投入使用后，其所采用的隔離開關(guān)及斷路器等設(shè)備都可以通過智能終端的裝設(shè)來實(shí)現(xiàn)高靈敏度操作。而結(jié)合對電子式電壓、電流互感、繼電保護(hù)裝置的應(yīng)用，能實(shí)現(xiàn)對相關(guān)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)測量與雙向通行，并基于5G網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用來實(shí)現(xiàn)對信息的傳輸與管理，使變電站運(yùn)行過程中數(shù)據(jù)的采集、傳輸、分析與處理均能實(shí)現(xiàn)數(shù)字化處理。以110 kV變電站為例，使用SDH光傳輸設(shè)備實(shí)現(xiàn)了信息系統(tǒng)的數(shù)字化處理，可以在隔離開關(guān)、斷路器等設(shè)備中安裝智能終端，來完成對變電站設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)信息的采集及相關(guān)操作命令的準(zhǔn)確執(zhí)行。

而在通信平臺網(wǎng)絡(luò)化的影響下，變壓器設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的傳輸是基于先進(jìn)的通信網(wǎng)絡(luò)平臺實(shí)現(xiàn)的，并結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)化的通信設(shè)備和冗余技術(shù)的應(yīng)用，使設(shè)備的運(yùn)行更加可靠與穩(wěn)定。在通信平臺網(wǎng)絡(luò)化環(huán)境下，電子電壓互感器、電流互感器、斷路器、隔離開關(guān)等一次側(cè)設(shè)備在運(yùn)行過程中所采取的數(shù)據(jù)可以經(jīng)過通信網(wǎng)絡(luò)直接實(shí)時發(fā)送到測量、保護(hù)、故障、錄播等二次裝置中，使智慧電網(wǎng)運(yùn)行時的數(shù)據(jù)共享得以實(shí)現(xiàn)[3]。同時，隨著5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用，智慧變電站可以利用大數(shù)據(jù)分析，更加高效、保質(zhì)地完成對自身的檢查與診斷，從而幫助相關(guān)人員及時采取措施進(jìn)行故障修復(fù)。在智能與網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，不僅可以實(shí)現(xiàn)信息共享，而且可以推動智能網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)。智慧變電站投入運(yùn)行后，線路保護(hù)測控裝置、主變保護(hù)測控屏、時鐘同步屏、10 kV線路保護(hù)測控裝置、故障錄波器屏等采集終端均能按照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)采集儲存數(shù)據(jù)，從而使測量數(shù)據(jù)更加完整、格式統(tǒng)一，為信息共享奠定基礎(chǔ)。在信息數(shù)據(jù)訪問接口上，智慧變電站配置了標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)處理平臺，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時數(shù)據(jù)共享。

4.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

在建設(shè)變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)的過程中，結(jié)構(gòu)設(shè)計需實(shí)現(xiàn)設(shè)備統(tǒng)一接入、存儲、管理、狀態(tài)監(jiān)測和計量等，使智慧變電站的在監(jiān)視、操作、控制、綜合信息分析等方面所具備的功能優(yōu)勢得到充分的發(fā)揮，并為主站系統(tǒng)提供一體化操作與訪問服務(wù)。對于案例變電站而言，其在利用人工智能實(shí)現(xiàn)自身的智慧化建設(shè)過程中，在監(jiān)控系統(tǒng)上所采取的結(jié)構(gòu)為單以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)由站控層、間隔層及網(wǎng)絡(luò)層等構(gòu)成。并且其網(wǎng)絡(luò)層所使用的設(shè)備一般為具有多模光控的工業(yè)級以太網(wǎng)交換機(jī)，數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)則需要根據(jù)不同的情況來進(jìn)行選擇。比如，在同一預(yù)制倉中，應(yīng)選用超5類屏蔽雙絞線，而出預(yù)制倉要經(jīng)過戶外電纜溝或電纜豎井時可以選用多模非金屬光纜。

在該案例項(xiàng)目中，其監(jiān)控體系建設(shè)載體標(biāo)準(zhǔn)為DL/T860，將變電站設(shè)備按照站控層、間隔層及網(wǎng)絡(luò)層劃分，利用網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)的精準(zhǔn)調(diào)控。其中，站控層主要包含工程師工作站、數(shù)據(jù)服務(wù)器以及數(shù)據(jù)采集等系統(tǒng)，由監(jiān)控主機(jī)、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)機(jī)、圖形通信網(wǎng)關(guān)機(jī)、綜合應(yīng)用服務(wù)器、PMU數(shù)據(jù)集中器及計劃管理終端等設(shè)備組成[4]。間隔層主要包括電氣單元配置的I/O測控裝置、主變高低壓側(cè)以及公用單元所單獨(dú)配置的測控裝置，同時設(shè)置有繼電保護(hù)裝置、測控裝置與故障錄波裝置、網(wǎng)絡(luò)記錄分析等二次子系統(tǒng)。基于上述設(shè)備劃分，在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，需合理設(shè)計站控層網(wǎng)絡(luò)、過程層網(wǎng)絡(luò)以及間隔層網(wǎng)絡(luò)間的邏輯關(guān)系，站控層網(wǎng)絡(luò)主要為間隔層設(shè)備與站控層設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)連接后所形成的網(wǎng)絡(luò)，其主要承擔(dān)的為站控層與間隔層之間的數(shù)據(jù)信息傳輸[5]。而間隔層網(wǎng)絡(luò)的作用在于實(shí)現(xiàn)對間隔層設(shè)備之間的通信，并使自身層面能與站控層網(wǎng)絡(luò)之間形成一種有機(jī)的連接。過程層網(wǎng)絡(luò)與站控層網(wǎng)絡(luò)接近，其應(yīng)用是為了實(shí)現(xiàn)自身設(shè)備與間隔層設(shè)備之間的連接，并完成數(shù)據(jù)信息的相互傳輸。此外，在構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的過程中，應(yīng)注意在人工智能技術(shù)的應(yīng)用環(huán)境下，智慧變電站全站通信網(wǎng)絡(luò)往往是基于高速以太工業(yè)網(wǎng)所構(gòu)建的，使得其在以DL/T860為主要標(biāo)準(zhǔn)的前提下，需要確保傳輸?shù)膶拵г?00 Mb/s以上，而且在實(shí)現(xiàn)中心交換機(jī)聯(lián)結(jié)的過程中其數(shù)據(jù)端口應(yīng)為1 000 Mb/s，使相互之間的聯(lián)結(jié)效果得到保障。

4.3 關(guān)鍵技術(shù)

傳統(tǒng)變電站由于系統(tǒng)配置相對獨(dú)立，存在信息孤島，無法適應(yīng)電網(wǎng)的復(fù)雜化運(yùn)行。融入人工智能技術(shù)后，變電站得到升級優(yōu)化，解決傳統(tǒng)變電站的弊端。電力物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)架“智慧腦”，借助人工智能技術(shù)，智慧變電站將會越來越“聰明”。智慧變電站建設(shè)是國家電網(wǎng)公司發(fā)展新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重點(diǎn)項(xiàng)目之一，是以智能電網(wǎng)和能源物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，以物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)為支撐，對現(xiàn)有的變電站試點(diǎn)開展智能化、數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級。在智慧變電站轉(zhuǎn)型升級過程中，可實(shí)現(xiàn)運(yùn)行保護(hù)系統(tǒng)與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的統(tǒng)一組網(wǎng)，直接采集智慧變電站的數(shù)據(jù)，并利用無線智能互聯(lián)傳感器、高清攝像頭等，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳輸，全面獲取全站設(shè)備狀態(tài)和站房環(huán)境信息，感知變電站運(yùn)行狀態(tài)。同時，借助人工智能技術(shù)，智慧變電站可利用大數(shù)據(jù)開展機(jī)器學(xué)習(xí)，經(jīng)過反復(fù)訓(xùn)練不斷修正“錯誤”、提升“腦力”，結(jié)合人工智能的圖像分析識別技術(shù)，智能識別異物搭掛、銹蝕、滲漏油等，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常。

案例變電站通過新增加1套SDH光傳輸設(shè)備、PCM及綜合配線架，實(shí)現(xiàn)了光纜完成替代電纜，從而結(jié)合電子式電流、電壓互感器的應(yīng)用，從源頭消除通信干擾問題，并使數(shù)據(jù)的傳輸更加可靠。在整體設(shè)計上，案例變電站采取了具有開放式特點(diǎn)的分層分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與簡化，并通過統(tǒng)一建立模型與網(wǎng)絡(luò)，共享數(shù)據(jù)信息，配合DL/T860通信標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用，使變電站的站控層、間隔層等方面執(zhí)行結(jié)構(gòu)得到了簡化，使裝置集成的總體效果得以保障。完成升級后，案例智慧變電站具備如下功能：設(shè)備狀態(tài)“全面感知”、倒閘操作“一鍵順控”、設(shè)備異常“主動預(yù)警”、全部巡視“機(jī)器替代”、人員行為“智能管控”以及主輔設(shè)備“智能聯(lián)動”等。

5 結(jié) 論

人工智能與智慧變電站對于當(dāng)今電力行業(yè)的發(fā)展有著十分重要的推動作用。在人工智能環(huán)境下智慧變電站的建設(shè)過程中，可從技術(shù)特征、結(jié)構(gòu)設(shè)計、關(guān)鍵技術(shù)等方面入手，采取針對性的優(yōu)化措施，確保智慧變電站投入使用后的運(yùn)行質(zhì)量與效率。