配電網數字化智能運維技術應用研究

孫起鹿

（陜西電力建設集團有限公司，陜西 西安 710075）

0 引 言

電力系統由發電、輸電、變電、配電及用電系統組成。按照電壓等級分為高壓配電網、中壓配電網和低壓配電網；也可以按照供電服務對象來分，即給用戶供電的節點或斷面均稱為配電網，與電壓等級無關，增量配電網就是按照這個邏輯定義的，突破了電壓等級的限制。隨著分布式電源的接入，配電系統往往還包括分布式發電的電源，如光伏、儲能等，稱之為主動配電網。配電網具有點多、面廣、線長、變化大及通信環境差等特點。因電力系統發展的歷史原因，過去一度存在“重發、輕供、不管用”的現象，配網屬于供電環節，并不被重視。

近幾年來，電力系統主網架建設日趨完善，電網智能化、數字化、信息化成為共識[1-3]，配電系統得到了長足的發展及重視。電力系統三大指標體系為：電能質量、供電可靠性及線損。其中，電網中有一半的損耗發生在配電網，且配電系統的線損占比較高；用戶停電事件中，約80%是由配電系統引起的，影響可靠性的主要因素也在配電網；電壓合格率是判斷電能質量的關鍵指標，配網作為“最后一公里”也是決定性因素。在役配電網設備主要關注的參數包括運行參數（如電壓、電流等）及設備本身的狀態參數（如溫度、局部放電等）[4]。

本文基于配電網設備運行參數及狀態參數的融合，提出構建在役配電網設備數字化智能運維系統的解決方案。在大數據關聯分析的理念下，對多源多類數據的相關性進行系統分析，從而提升配電網建設與運維的精益化水平。

1 配電網設備檢修的模式分析

1.1 配電網設備檢修現狀

配電網設備的檢修模式經歷了故障檢修、周期檢修，最終發展到狀態檢修。三種模式的更迭是一個由不科學到較科學的過程，都與當時設備技術水平、人員狀況及運行模式緊密相關[5]。初期，運行中的配電網設備一般是出現故障和損壞時，不得已才停機檢修，其原則是“壞了必修、修必修好”，稱之為故障檢修。該種模式勢必造成突發性停電，對需要連續運行的用電客戶是一種大型生產事故，其損失無法估計；對供電企業來講，供電可靠性指標無法保障，電量損失較大。后來逐漸發展到了預防檢修階段，該階段含有兩種模式，即周期檢修和狀態檢修。周期檢修的原則是“到期必修、修必修好”，這種檢修方式由被動停機到主動停機，減少了停電用戶的突發性損失。對于檢修周期的確定，從借鑒國外的經驗到自己總結，逐漸趨于完善合理。設備狀態檢修是根據先進的狀態檢測、監測和診斷技術提供的設備狀態信息，判斷設備的異常狀況，預判設備的故障趨勢，并在故障發生前進行檢修。其原則是“該修則修、修必修好”。隨著設備全壽命周期狀態檢測與故障診斷技術的發展，實施設備狀態檢修已經成為設備檢修的最高策略。狀態監測是狀態檢修的基礎與支撐，而對監測結果的有效科學應用則是狀態檢修得以實現的保證。目前，由于狀態監測的判據還沒有絕對標準，限制了狀態檢修的推進。隨著數字化技術、計算機通信技術的進步，基于邊緣計算、云計算技術的設備狀態參數與配電系統運行參數融合，構建了智能運維體系，給設備狀態檢修應用推廣帶來了廣闊的未來[6-10]。在配電系統中推行狀態檢修是電力設備檢修制度發展的必然選擇。其直接效益有：節省大量維修費用，延長設備使用壽命，提高供電可靠性，降低檢修風險，提高設備利用率。設備檢修發展歷程如圖1所示。

圖1 配電網設備檢修模式的發展歷程

1.2 配電網設備狀態檢修可行性分析

開展配電網設備狀態檢修的基礎條件已經具備：第一，配電網設備的運行經驗已經有了一定的積累，其維護和檢修技術也得到了長足發展，為實施狀態檢修奠定了技術基礎 ；第二，配電網設備的制造在絕緣材料性能、技術性能、生產工藝方面都有很大提高，制造質量、設備使用壽命都得到了提升，為狀態檢修奠定了物理基礎；第三，配電設備在線監測傳感器技術、通信技術發展較快，如紅外線成像技術、無源無線傳感器技術、光纖繞組溫度傳感器技術等，為各類設備狀態參數采集、傳輸、數據處理提供了可能；第四，計算機及通信技術為設備狀態監測和故障診斷提供了支撐，成為配電領域的一個重要應用研究方向；第五，配電自動化大規模地應用，為設備在線監測及狀態檢修提供通信、圖資信息、地理信息等共享資源，為狀態檢修的全面推進提供了便利條件。支持狀態檢修的在線監測系統按照分層分布的系統原則，包括信號采集（具備邊緣計算功能）、信號傳輸（包括各種通信方式）、信號處理（具備模式識別功能）、故障診斷到最終給出檢修策略。具體框圖如圖2所示。

圖2 配電設備在線監測系統框圖

2 大數據分析在配電網運維中的應用

2.1 大數據技術原理

對于“大數據”，麥肯錫全球研究所給出的定義是：一種規模大到在獲取、存儲、管理、分析方面大大超出了傳統數據庫軟件工具能力范圍的數據集合，具有海量的數據規模、快速的數據流轉、多樣的數據類型和價值密度低四大特征。大數據思維的核心是全樣本數據思維、數據核心思維、數據價值思維、關注效率思維、關注相關性思維及預測思維等。全樣本數據思維就是樣本即全體；數據核心思維即以數據為核心，強調數據比流程更重要，挖掘更深層次的數據信息；數據價值思維即數據的應用是有價值的；關注效率思維即從尋求精確度到尋求高效率，從尋找確定性到尋找概率性；關注相關性思維即由探求因果關系變成挖掘相關關系；預測思維即基于數據統計相關性分析，挖掘深層次的應用。大數據思維是新的思維觀，用大數據思維方式思考問題、解決問題成為未來發展趨勢。

2.2 基于大數據的配電網運維分析

配電網作為電力系統與用戶連接的最后環節，其運行參數、狀態參數等相關數據的應用分析一直是一個難題，運行參數有額定數據驗證，而狀態參數缺乏絕對標準，且與運行參數密切相關。基于此，對比適合于大數據分析的方法來找出規律，并指導配電網的建設與運維。基于多維度變量數據分析，對配電網進行的綜合評估診斷，可以快速得到配網可靠率、線損率、電壓合格率等主要技術指標，實現對配電網現狀的總體評估、診斷、分析，為查找系統薄弱環節提供量化數據支撐。具體策略的突破點在于將配電網的運行參數與狀態參數建立邏輯關系，發現二者的相關程度，為網架結構現狀分析、設備質量狀態監測提供數據支撐；通過分析薄弱環節而生成的“問題庫”，對目標電網進行計算分析，得到目標網架的分析指標；并通過對比驗證建設改造的合理性，輔助建設目標網架方案的決策，構建相應的建設改造方案庫。

3 配電網智能運維平臺

配電網智能運維平臺整合了調度系統、變電站自動化系統、無人值守變電站輔助系統、配電自動化系統及配電設備在線監測系統等全方位信息，既包括了配電系統的運行參數，也包括了配電設備及環境等的狀態參數。基于大數據分析的理論，為配電網建設及運行維護提供支持。

3.1 配電網智能運維系統架構

配電網智能運維平臺系統架構按照分層分布式體系共分三層：現場感知層、數據傳輸層、平臺應用層。現場感知層：采用各類設備安全狀態傳感器、探測器、采集器、智能檢測終端或第三方儀器儀表類智能設備等，完成現場電流、電壓等參數的采集及預處理；數據傳輸層：融合多種通信方式的通信網絡；平臺應用層：基于調度自動化、變電站綜合自動化及配電自動化等構成的運行監控平臺應用已經實現；設備在線監測平臺功能正在逐步實現；配電網運行監控平臺與設備在線監測平臺融合構建了智能配電網運維平臺，即配電網狀態參數與運行參數均實現可觀、可測、可控。基于配電設備狀態監測與故障診斷技術的平臺，可以融合設備壽命管理與預測技術、設備可靠性分析技術及信息管理與決策技術為一體，是一個廣義的配電網智能運維系統平臺，實現了配電網的智能化運維。智能運維平臺架構如圖3所示。

圖3 智能運維平臺架構框圖

3.2 配電網智能運維平臺應用功能

配電網智能運維系統基于云計算、物聯網、大數據技術，與配電室運維、用電服務相結合，為用戶提供線上線下配電運維服務。該系統可實現遠程集中化值班、系統自動化監控、運行數據化分析、現場移動化巡檢、設備全壽命管理、能效分析與診斷、月度運行分析、配電站綜合評價、實時運行監控。基于實時數據和大數據模型的安全分析、配電室健康狀態評價和能效評價功能，對用戶配電運行狀態、管理水平、用電效率進行客觀、綜合評價；自動化分析報告、統計報表，可敏捷響應用戶的數據統計分析及運維報告需求；覆蓋配電運維、計量與價費管理、樓層用電監控、能源管理等全景業務。此系統可以減少維護人員、杜絕行為浪費、延長設備壽命、減低維護費用，進而降低運營成本，還有利于節能增效。

4 結 語

本文在通信技術及邊緣計算技術進步的基礎上，提出了基于狀態檢修策略的配電網智能運維平臺系統的構架，即融合了傳統的調度自動化等系統運行參數及配電設備在線監測狀態參數，用大數據的理論分析了運行參數及狀態參數的相關性，為判定配電設備運行情況提供依據，為配電網薄弱點分析提供支撐，給配電網建設、運維檢修提供方案建議。