10kV配電設(shè)備冗余設(shè)計(jì)方案探討及運(yùn)行維護(hù)

柳州市機(jī)關(guān)事務(wù)管理局 楊 旗

在我國(guó)城市化進(jìn)程不斷加快的時(shí)代背景下，電力需求日益提升，配電設(shè)備的可靠性需求也在不斷提升，配電設(shè)備的精簡(jiǎn)化要求也在不斷改進(jìn)。面對(duì)當(dāng)前的配電設(shè)備常常出現(xiàn)故障的問(wèn)題，需要從冗余設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，以備份的方式提供多回路供電，并升級(jí)供電線路的配備質(zhì)量，保證負(fù)載裝置的供電不間斷。

配電室是指10kV 及以下電壓等級(jí)設(shè)備的設(shè)施，分為高壓配電室和低壓配電室。高壓配電室一般指6kV～10kV 高壓開(kāi)關(guān)室；低壓配電室一般指10kV或35kV 站用變出線的400V 配電室。配電室中的設(shè)備紛繁復(fù)雜，配電設(shè)備的故障率居高不下，也是因?yàn)檫\(yùn)維技術(shù)的落后，導(dǎo)致供電部門(mén)存在諸多難題。主要表現(xiàn)為設(shè)備線路的單一、缺乏對(duì)線路的冗余設(shè)計(jì)規(guī)劃。因此，設(shè)計(jì)公司需要重新設(shè)計(jì)配電設(shè)備的冗余方案，解決以搶代修的單一維護(hù)方式。針對(duì)以上問(wèn)題，本文將主要圍繞著10kV 配電設(shè)備冗余設(shè)計(jì)方案探討及運(yùn)行維護(hù)進(jìn)行進(jìn)一步的討論與分析。

1 配電設(shè)備的設(shè)計(jì)及典型故障

1.1 線路故障

由于10kV 配電設(shè)備要重新規(guī)劃到冗余設(shè)計(jì)的線路路線，在穿管線中容易出現(xiàn)分線的盒子、分線管接觸不良等問(wèn)題，從而導(dǎo)致10kV 配電設(shè)備出現(xiàn)連接故障。由于10kV 配電設(shè)備系統(tǒng)的線路走向紛繁復(fù)雜，采用埋地及天橋橋架布置，且多同時(shí)采用卷筒、托令、拖鏈系統(tǒng)。與此同時(shí)，10kV 配電設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，也容易導(dǎo)致10kV 配電設(shè)備頻繁發(fā)生故障。因此，在人工對(duì)10kV 配電設(shè)備線路故障的調(diào)試過(guò)程中，需要根據(jù)數(shù)據(jù)情況進(jìn)行調(diào)整，減少盒子中的接頭，保證穿線時(shí)一次到位，避免出現(xiàn)因?yàn)閷?duì)數(shù)據(jù)的不了解而導(dǎo)致的替換線路串聯(lián)的問(wèn)題，并且還需要對(duì)接頭較多而導(dǎo)致線路弄混的情況多加注意。在這樣的技術(shù)問(wèn)題影響下，就需要設(shè)計(jì)上重新調(diào)整規(guī)劃設(shè)計(jì)線路，將輸出的模版驅(qū)動(dòng)線路進(jìn)行重新的調(diào)試。

1.2 系統(tǒng)故障

目前，設(shè)備故障檢測(cè)更多關(guān)注設(shè)備從穩(wěn)定期到永久故障期之間過(guò)渡期的狀態(tài)參量的變化，而設(shè)備故障過(guò)渡期又可分為設(shè)備老化期和早期故障期。設(shè)備早期故障期，即潛在早期故障的顯露到轉(zhuǎn)變?yōu)橛谰眯怨收系臅r(shí)間段。早期故障定義為設(shè)備在運(yùn)行狀態(tài)，由于絕緣或接觸原因?qū)е碌碾娀∵^(guò)程，電弧在不改變運(yùn)行條件的情況下又可自行熄滅，通常不會(huì)觸發(fā)保護(hù)動(dòng)作，隨后電網(wǎng)恢復(fù)正常狀態(tài)。在此期間的電弧過(guò)程可對(duì)設(shè)備的性能造成不可逆的損傷，并能快速演變成永久性故障。

與此同時(shí)，人力成本是當(dāng)前配電室相關(guān)支出的重要組成部分。線路改造中的運(yùn)維管理將向自動(dòng)化輔助的方式轉(zhuǎn)變。因此，隨著這些配電室預(yù)算越來(lái)越多地轉(zhuǎn)向自動(dòng)化方向，傳統(tǒng)預(yù)置型的運(yùn)維方式可能逐漸減少，而可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化軟件服務(wù)化模式的運(yùn)維管理方式和解決方案將被越來(lái)越多地使用。線路應(yīng)用軟件平臺(tái)和產(chǎn)品是否可以支持配電室的高效能運(yùn)轉(zhuǎn)，也是廠商需要考慮的重點(diǎn)[1]。線路改造預(yù)計(jì)在未來(lái)兩年內(nèi)，預(yù)算將從內(nèi)部資源轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)向自動(dòng)化。在這種趨勢(shì)下，配電室的內(nèi)部組織將變得更加小型化，并更加重視在應(yīng)用軟件到軟件基礎(chǔ)上監(jiān)控和優(yōu)化業(yè)務(wù)應(yīng)用程序和服務(wù)的能力。

2 解決10kV 配電設(shè)備冗余的設(shè)計(jì)方案

2.1 冗余設(shè)計(jì)技術(shù)原理

10kV 配電設(shè)備在運(yùn)行的過(guò)程中，需要預(yù)先完成電線作業(yè)，需要冗余設(shè)計(jì)按照10kV 配電設(shè)備的冗余設(shè)計(jì)需要分散原來(lái)的線路。冗余設(shè)計(jì)可以通過(guò)多線路重新分散線路的流通設(shè)備方向，以自動(dòng)化操作模擬原有的人工操作方式，通過(guò)多線路的方式完成電源輸送，并利用高精密的雷達(dá)準(zhǔn)確找到需要電線的方位，再利用自動(dòng)化的定位和多軸線調(diào)整的方式，以雷達(dá)系統(tǒng)完成三維建模，通過(guò)多傳感器將應(yīng)用場(chǎng)景的識(shí)別畫(huà)面?zhèn)鬏數(shù)浇K端。10kV 配電設(shè)備自動(dòng)化系統(tǒng)就是利用這一工作原理完成工作的。隨著數(shù)字化、自動(dòng)化和網(wǎng)絡(luò)化的持續(xù)推進(jìn)，冗余設(shè)計(jì)應(yīng)用場(chǎng)景的多樣化也得到了發(fā)展。

2.2 線路系統(tǒng)運(yùn)行

數(shù)字化轉(zhuǎn)型時(shí)代已經(jīng)來(lái)臨，各個(gè)工廠在加快推動(dòng)配電室這一應(yīng)用場(chǎng)景方面包括組織創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新、融合創(chuàng)新、跨界創(chuàng)新，深入推進(jìn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型工作，促進(jìn)質(zhì)量變革、效率變革、動(dòng)力變革。智能化的加入也讓10kV 配電設(shè)備在各個(gè)不同場(chǎng)景中的應(yīng)用進(jìn)一步加深，解決了場(chǎng)景化中人工電線的安全問(wèn)題和便利問(wèn)題。在大數(shù)據(jù)的應(yīng)用下，自動(dòng)化工具可以進(jìn)一步提升圖片識(shí)別的效率和精準(zhǔn)度，從而提升對(duì)10kV 配電設(shè)備的改造效果。

可編程序控制器通常也簡(jiǎn)稱可編程控制器和線路，可編程序控制器由于其強(qiáng)大而完善的功能、高可靠性、優(yōu)越的性價(jià)比使其在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用，主要包括數(shù)據(jù)處理、通信、過(guò)程控制、操作手臂的控制等[2]。線路的突出特點(diǎn)是編程簡(jiǎn)單，改變程序容易。在生產(chǎn)應(yīng)用中需要改變系統(tǒng)的控制功能時(shí)，往往不必改變硬件設(shè)備，只需改變一下應(yīng)用程序就可達(dá)到目的。比如發(fā)電室內(nèi)設(shè)備中卸煤用的10kV 配電設(shè)備系統(tǒng)見(jiàn)圖1所示，整個(gè)設(shè)備的工業(yè)流程都是通過(guò)對(duì)線路的編程來(lái)實(shí)現(xiàn)的，線路是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心。

3 對(duì)10kV 配電設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)路徑

3.1 加快推進(jìn)冗余設(shè)計(jì)改造環(huán)節(jié)進(jìn)程

由于10kV 配電設(shè)備運(yùn)行場(chǎng)景的多樣性和使用率較高，設(shè)備在常年累月的運(yùn)行后總會(huì)出現(xiàn)一些問(wèn)題。有些問(wèn)題是主觀原因引起的，有些則是由客觀環(huán)境決定的。自動(dòng)化就可以通過(guò)自動(dòng)化的調(diào)配手段對(duì)線路程序的重新編寫(xiě)、解決這些問(wèn)題。由于配電設(shè)備早期供電的線路單一，進(jìn)而導(dǎo)致較大電流的供路較少，承載的負(fù)荷較大。美國(guó)Tollgrade 公司從2014年開(kāi)始，陸續(xù)在美國(guó)底特律等地安裝了大量的線路監(jiān)測(cè)裝置，采集線路的電場(chǎng)和電流信號(hào)，根據(jù)其監(jiān)測(cè)的近3000個(gè)事件記錄分析，84%的觸發(fā)事件為線路擾動(dòng)、12%的事件為瞬時(shí)故障、僅4%的事件為永久性故障。上述84%的擾動(dòng)事件信號(hào)中就包含了大量的配電設(shè)備早期故障信號(hào)。

國(guó)家電網(wǎng)公司推出的暫態(tài)型故障錄波指示器現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后，也發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)存在大量的瞬時(shí)性、間歇性的故障，其發(fā)生頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)永久性接地故障。為此增加了對(duì)射解除開(kāi)關(guān)、雷達(dá)、攝像頭，并將對(duì)應(yīng)的程序進(jìn)行了修改，從而實(shí)現(xiàn)了在天氣惡劣的情況下將對(duì)射開(kāi)關(guān)解除運(yùn)行、同時(shí)輔助以雷達(dá)掃描和視覺(jué)識(shí)別更加自動(dòng)化的技術(shù)，使得10kV 配電設(shè)備系統(tǒng)各模塊的運(yùn)行狀態(tài)得到更準(zhǔn)確的反饋，以多重識(shí)別方式保障生產(chǎn)的正常運(yùn)行[3]。

隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)在行業(yè)內(nèi)的廣泛應(yīng)用，能力是支撐場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)的底座，猶如一棵參天大樹(shù)，枝繁葉茂的場(chǎng)景一定需要同樣發(fā)達(dá)扎實(shí)的根基。“以自動(dòng)化能力構(gòu)建為支撐”說(shuō)明底座能力的重要性，底座能力的構(gòu)建既是場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)沉淀，也可通過(guò)合理規(guī)劃為未來(lái)更多場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)做好支撐儲(chǔ)備。

冗余設(shè)計(jì)對(duì)線路的改造主要集中于增加聯(lián)鎖運(yùn)行的多重保障，并通過(guò)電腦視覺(jué)識(shí)別技術(shù)與雷達(dá)建模控制電線自動(dòng)化的動(dòng)作。部分故障可能是由基礎(chǔ)設(shè)施組件故障引起的應(yīng)用問(wèn)題，特別是在服務(wù)器數(shù)量較多、設(shè)備運(yùn)行較為復(fù)雜產(chǎn)生時(shí)，如何快速定位問(wèn)題是個(gè)挑戰(zhàn)。機(jī)器定位分析算法可以在異常發(fā)現(xiàn)后，通過(guò)運(yùn)維圖譜數(shù)據(jù)獲取應(yīng)用依賴的基礎(chǔ)設(shè)施、應(yīng)用間依賴等關(guān)系，利用指標(biāo)聚類、時(shí)序檢測(cè)等算法排查存在異常波動(dòng)的機(jī)器指標(biāo)，提升故障排查的效率。

總體來(lái)說(shuō)，平臺(tái)會(huì)實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)指標(biāo)數(shù)據(jù)、日志數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的建模，結(jié)合多維明細(xì)定位和機(jī)器指標(biāo)定位實(shí)現(xiàn)模塊間作用影響分析，構(gòu)建對(duì)實(shí)際生產(chǎn)系統(tǒng)的數(shù)字化表達(dá)，實(shí)現(xiàn)相關(guān)故障檢測(cè)以及定位分析。采用重新設(shè)計(jì)的方法論將復(fù)雜冗余設(shè)計(jì)系統(tǒng)抽象為線路模型，并實(shí)現(xiàn)線路的合理分配，通過(guò)實(shí)時(shí)在線數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建模，監(jiān)控和低延時(shí)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，基于模糊測(cè)度和馬爾科夫鏈理論評(píng)估系統(tǒng)健康度、發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)隱性故障[4]。

3.2 應(yīng)用程序自動(dòng)化改造

在對(duì)配電設(shè)備進(jìn)行運(yùn)行維護(hù)的過(guò)程中，需要加入人工智能技術(shù)的應(yīng)用對(duì)設(shè)備盒子進(jìn)行合理的調(diào)試，具體而言，在保證技術(shù)便利的同時(shí)也需要了解技術(shù)帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)與挑戰(zhàn)。隨著數(shù)字化轉(zhuǎn)型的推進(jìn)，自動(dòng)化應(yīng)用愈發(fā)廣泛，隨時(shí)隨地按需接入使得邊界更加模糊，防護(hù)難度更大，特別是自動(dòng)化系統(tǒng)一旦失控將會(huì)造成巨大的危害，因此需在處理技術(shù)安全的過(guò)程中不斷地加強(qiáng)安全防御，爭(zhēng)取早識(shí)別、早預(yù)警、早處置，同時(shí)充分考慮在自動(dòng)化電線動(dòng)作手段失效或電路失控情況下的補(bǔ)償策略和應(yīng)對(duì)方法。

一個(gè)完整的運(yùn)維場(chǎng)景建設(shè)分析過(guò)程，應(yīng)該基于數(shù)據(jù)管理、分析決策、自動(dòng)控制能力域充分評(píng)估，以確定待建設(shè)的能力項(xiàng)和待提升的能力要素。就是說(shuō)，在構(gòu)建配電設(shè)備的智能運(yùn)維場(chǎng)景前，先要全面梳理從場(chǎng)景到能力域、能力項(xiàng)、能力要素之間的關(guān)系，統(tǒng)籌考慮、全局謀劃，制訂合理且可行的智能運(yùn)維場(chǎng)景建設(shè)方案。在這個(gè)過(guò)程中場(chǎng)景是抓手，沒(méi)有場(chǎng)景的建設(shè)方案是不可行的；能力是底座，構(gòu)建能力項(xiàng)要特別關(guān)注其組合性和可復(fù)用性。只有同時(shí)兼顧“自上而下的場(chǎng)景驅(qū)動(dòng)”和“自下而上的能力支撐”，才能真正把自動(dòng)化電路場(chǎng)景建設(shè)好[5]。

3.3 自動(dòng)化的應(yīng)用提升配電裝置線路質(zhì)量

在人工智能和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融入產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀下，自動(dòng)化是較早就用來(lái)減輕電網(wǎng)運(yùn)維工作負(fù)擔(dān)的一種重要手段。因此，應(yīng)站在信息系統(tǒng)建設(shè)的全生命周期視角來(lái)看，很多系統(tǒng)在操作和維護(hù)過(guò)程中暴露出來(lái)的問(wèn)題，其根治方案不在維護(hù)自動(dòng)化運(yùn)行的本身，而在自動(dòng)化冗余系統(tǒng)的需求規(guī)劃、架構(gòu)設(shè)計(jì)、研發(fā)測(cè)試等前道環(huán)節(jié)。如果沒(méi)有一種可持續(xù)、工程化的解決方案，維護(hù)工作就會(huì)很被動(dòng)，維護(hù)壓力也會(huì)不斷增加。

在研制標(biāo)準(zhǔn)過(guò)程中，技術(shù)人員需要在實(shí)際的配電設(shè)備裝置中總結(jié)出一套適用于場(chǎng)景建設(shè)的方法論。尤其需要關(guān)注在前期的場(chǎng)景分析階段，特別是冗余設(shè)計(jì)的場(chǎng)景建設(shè)、改變線路的調(diào)試功能和過(guò)程。因?yàn)閷?duì)于配電場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)并非一朝一夕之事，技術(shù)人員需要提前設(shè)立場(chǎng)景建設(shè)可評(píng)估、可量化的指標(biāo)，在場(chǎng)景建設(shè)過(guò)程中不斷進(jìn)行比照、不斷迭代是尤為重要的。

4 結(jié)語(yǔ)

重大的變革需要一些早期的成功來(lái)證明其價(jià)值和方法的可行性，數(shù)字化轉(zhuǎn)型也是如此。首先是機(jī)器設(shè)備的更新與升級(jí)，其次是數(shù)字技術(shù)的使用和破局，最后是基于這些技術(shù)和平臺(tái)的業(yè)務(wù)創(chuàng)新。

對(duì)配電設(shè)備的早期故障進(jìn)行監(jiān)測(cè)和辨識(shí)有助于將處理故障的方式由“事后搶修巡檢”轉(zhuǎn)變?yōu)椤笆虑邦A(yù)警主動(dòng)處理”，從而在永久性故障發(fā)生前消滅隱患，大幅降低因設(shè)備故障導(dǎo)致停電的發(fā)生概率。其研究重點(diǎn)在于早期故障的機(jī)理、故障檢測(cè)與定位方法，以及故障類型辨識(shí)3個(gè)方面，實(shí)現(xiàn)在少量故障樣本數(shù)據(jù)的情況下對(duì)配網(wǎng)設(shè)備的早期故障辨識(shí)與精確定位，并對(duì)故障嚴(yán)重程度進(jìn)行評(píng)估，有望為提高供電可靠性、減少運(yùn)維工作量、提高故障檢測(cè)效率提供一種新思路，通過(guò)自動(dòng)化應(yīng)用到配電室的各個(gè)場(chǎng)景中。