面向新型電力系統的配電網設備安全運行管理頂層設計

天津大學電氣自動化與信息工程學院 范延赫

中國能源建設集團天津電力設計院有限公司 王 慧 劉建偉

國網北京市電力公司 陳澤西 賈東強

■引言

在“雙碳”目標和新型電力系統不斷發展的大背景下，電網電力設備愈發智能化、信息化、數字化。與傳統電力系統相比，新型電力系統隨機性、波動性更加明顯[1]。同時智能設備不斷更新，在帶來龐大數據源的同時，也使原有的管理、運維、檢修等技術無法滿足新型電力系統建設的需要。

隨著配電線路在電力系統中所占份額越來越大，其安全運行與否直接影響電力系統的供電和配電效率[2]。配電網系統龐大復雜，包含變壓器、開關柜等設備，其安全性幾乎關乎著國計民生[3-4]。因此，保障配網設備的安全穩定運行將成為首要任務。當前我國配網設備運行管理存在一系列問題，為了減少設備故障，提高供電可靠性，最大程度保證電力企業的利益，必須科學的制定相關措施，及時發現并解決配網運行時出現的各種故障，從而保障配電線路安全穩定運行，更好的滿足用戶需求。

本文將研究和分析目前配電網設備安全管理出現的問題，并從安全管理制度、運行維護技術以及操作人員水平方面，結合“云大物移”、人工智能、區塊鏈等數字技術，提升配網設備安全管理水平，保障新型電網安全穩定運行。再總結和探討新型電力系統配電網設備運行維護關鍵技術，為后續配網設備安全管理提供參照。

■配電網電氣設備運行管理現存問題

（一）設備本身存在隱患

1.電力設備的采購工作不夠完善

在選擇配網設備時應嚴格按遵守國家相關安全規定，在保證質量的同時盡可能減少采購成本。但一些企業并不重視采購工作，僅從降低成本的角度隨意選擇也并不會對選購的設備加以認真檢驗。甚至有些采購部門以權謀私、以次充好使得設備的質量得不到保障，從根本上埋下安全隱患[5-6]。

2.配電網設備老化嚴重

由于投資成本的限制，部分地區的配網設備更新速度緩慢，陳舊落后的設備已經無法滿足新型電力系統建設和正常運轉的需求，甚至會引發安全事故[7-8]。比如沒有及時更換老化線路或者沒有及時更換其他老化材料，使配電線路絕緣性出現問題，進而使導線之間存在漏電，從而會導致大量的熱量和火花出現，引起火災事故，也會對周邊群眾的生命財產安全產生威脅。

3.外部環境影響

配網設備在地震、大風、雷雨等天氣情況下可能會受到不同程度的損害。最嚴重的問題當屬雷擊事故。它會造成絕緣子爆裂、避雷器爆裂、設備燒毀等問題[9]。

（二）缺乏健全的安全運行管理體系

1.安全意識薄弱

首先對于一些企業來說，缺少法律意識、對配網設備發生故障造成的影響認識不足，相關的安保和應急措施不夠完善，無法給管理人員和操作人員給予足夠的安全保障；其次，對于操作人員來說，在運行維護時一些人存在僥幸心理。圖省事，怕麻煩的思想仍然存在，對較小的故障可能選擇視而不見，認為其無關緊要。此外，運行人并沒有對所有設備進行實時監控，這可能導致漏掉一些異常情況。

2.安全管理制度缺陷

制度是保障配網安全運行的基礎，但電力系統配網設備安全管理制度仍不完善。配網設備安全管理制度不符合實際情況，并沒有根據行業標準和運行條件嚴格制定安全管理制度。現有的制度無法覆蓋購置、安裝、使用、運維、更新、淘汰等全部環節，在細節處也存在紕漏，配網設備管理不規范、不嚴謹、不具體。

除了安全管理制度不完善，配網設備安全管理制度的執行也存在不到位的情況。部分管理工作人員并沒有認識到安全管理制度的重要性，沒有將相應的規章制度落實到工作中。

配網管理人員不足和專業素質無法滿足崗位需求的現象也制約著安全管理制度有效落實。許多操作人員過分依賴經驗作業，對新型設備不夠了解。專業知識和職業技能很難達到配網自動化運行和管理的水平[10-11]。

綜上，建立、健全、落實配網設備安全管理制度是十分有必要的。

3.缺少完善的監督體系

首先，缺少專門的監督機構。政府和企業在監督過程中都起到一定作用，但這樣也會導致責任不清的現象，大大降低監督質量。同時，監督混亂，沒有真正做到“專業人做專業事”。其次，監督制度不全。一方面相應的監管制度并未建立起來，如上下級溝通，事故報告制度等，另一方面，缺乏與監管制度對應的獎懲制度，因此在監管過程中難免不出現缺乏系統性、針對性、規范性等問題。最后，監督對象不全面。除了對配電網電氣設備的運行狀態進行監督管理之外，還需要對操作人員進行監督考核。

（三）配電網設備運行維護技術落后

一方面，缺乏配網設備集成系統。無法及時獲取電氣設備編號，位置信息，運行狀態等參數。另一方面，運維技術落后。傳統的運維方式通常是故障后檢修，這樣一來無法保證對設備的實時監控，二來比較耗費人工[12]。而且，隨著新型電力設備的不斷出現，現有的運維技術無法滿足精確性，可靠性，時效性等要求。

■健全配網設備安全運行管理體系

配電網設備安全管理是對設備壽命周期全過程的管理，包括配網線路規劃設計，設備選型、采購、安裝驗收、運行維護、及檢修、淘汰等多個環節。為了使配網設備安全運行，完善的安全管理體系是重中之重。必須根據行業標準建立安全管理制度并嚴格執行、加強各部門監管聯動、依托物聯網、大數據、物品編碼等信息技術加強運行維護等。圖1 為配電網設備安全管理體系。

圖1 配電網設備安全管理體系

（一）建立配電網設備安全管理制度

配電網設備安全管理必須在制度的規范和引導下進行。各生產單位、電力企業必須結合工作安全要求和自身實際情況制定和完善安全管理制度，并確保能落實到實處[6,13-15]。建立各級崗位責任制，明確參與配網建設全部人員和機構的目標和責任，完善交接班制度。完善操作規程，確保操作人員嚴格按照安全規程操作，同時確保人身安全。建立安全檢查制度，定期對設備檢查維護，及時發現老化破損的設備，并建立檔案制度，對檢查進行全記錄。除此以外，建立事故報告制度，在事故發生后第一時間提交事故類型、原因、解決辦法等詳細信息。建立運行維護制度和應急預案制度，配備專業隊伍模擬實際情況，開展應急演習等提高運維水平和應對突發情況能力。

（二）建立設備入網安全管理體系

首先建立專門的采購小組，在采購之前對不同產品的質量和價格進行對比，選擇性價比高的產品。采購后對設備的進行檢查，包括資質，質量證明，產品性能，凡不合規定一律不使用，然后依托電力物聯網技術構建配網設備信息管理系統。如圖2 結合數字化技術，使類型多樣，差異化大的設備組成智能化、信息化的集成系統，強化配網設備管理水平，也為后續運行維護體系打下良好基礎。如利用實物ID 編碼技術，將變電設備、換流設備、輸電設備、配電設備等進行賦碼貼簽再入網[16]；或者利用高壓感應取電技術取得各個部分的數據并進行實時傳輸[17]。通過建設設備入網安全體系，保證設備的質量，使其在運行過程中更加安全可靠。

圖2 基于電力物聯網的信息管理層級結構

（三）運行維護工作

新型電力系統的復雜運行條件對配電網設備的運行維護提出了更高要求。“云大物移”，人工智能等數字化技術的發展，為運行維護提供了更好的支撐。以設備信息互通互聯的配電物聯網為基礎，將數字化技術與數字孿生融合，實現配電網設備狀態的精準檢測、預測和智能診斷。關鍵技術架構如圖3 所示。

圖3 配網設備運行維護關鍵技術架構

首先，結合物聯網傳感器技術和智能感知終端，為監測配電網絡設備的運行提供全面、完備的基礎數據和信息。同時，在工作人員移動終端的顯示主界面顯示這些數據，根據人工決策和機器決策綜合判斷設備運行狀態。其次，針對配網設備運行狀態進行預測，通過對預測模型的應用、仿真模擬數據的實際運行狀態，較為精確的模擬配網設備實際運行在狀態，并在預測的結果基礎上制定有效措施[1,18-19]。最后，以實際數據和預測狀態為基礎，分析設備運行中的故障問題。

（四）建立配電網監督體系

首先，組建專門的監督機構。并分出不同部門負責監督購入設備人員、質檢人員、運行維護人員等，加強各部門協調合作和確保上下級高效溝通，建立全覆蓋無死角的監督體系，通過信息共享，群策群力提高監督效率和效果。然后，明確各部門的工作職責、工作程序進而建立監督工作制度以及辦法。此外構建監督資源共享制度、監督傳遞制度、監督人員調配制度等。最后，優化監督方式方法，強化對與重點設備有關的人員監督綜合運用日常巡查檢查、專項審計、專項檢查等監管方式，及時找出問題并采取有效措施積極改進。

（五）建立人員培訓體系

首先，要依照《配網設備安全規范》，從實際出發制定完善的培訓制度，主要針對教學培訓人員、運維管理人員、檢修人員等。建立專門培訓管理人員隊伍以保證培訓質量。再針對現有各種人員的水平，制定不同的課程，確保大家“術業有專攻”[20]。然后，創新培訓方法。不再完全采用傳統的理論式學習或者“師傅帶徒弟”等方式，要緊跟時代潮流，創新培訓方法。定期或者不定期舉行測評考試和比武競賽來鞏固人員專業技術理論基礎 、提高業務素質，并建立績效考評機制，對表現優異者給予獎賞，對多次考核不及格的人予以罰款，強制學習甚至開除的懲罰[13]。最后豐富培訓內容。從國家法律法規、企業規章制度、設備操作技能設備風險辨識與隱患治理、應急預案等等諸多方面深入著手，使得操作人員能夠學到系統性的知識。

■配網設備安全管理關鍵技術

（一）電力物聯網傳感器技術

先進、可靠的傳感器技術是實現電力設備數字化和智能化的基礎。目前，物聯網傳感器技術應用越來越廣泛，考慮到配電設備運行維護過程中數據繁多，時效性要求高等特點，將電力物聯網傳感器技術應用到在線監測工作中已經非常有必要。傳感器與物聯網結合形成龐大的系統。傳感器技術能將模擬信號轉為數字信號，并完成收集、傳輸、儲存、顯示等工作，對采集到的信息進行全面分析和評估，判斷運行狀態并給出應對策略[21-23]。

為了進一步提升電力物聯網傳感器物聯網技術的應用水平，以下問題需要引起關注：

1.傳感器長期可靠難以保證。目前傳感器設備壽命很難匹配一次設備，使傳感器技術可靠性大大下降。必須從材料、器件、工藝、設計、實驗評估等方面提高傳感器的可靠性和有效性。此外，目前我國大部分高端傳感器依賴進口，超聲、磁場、震動等重要傳感器的傳感材料、核心器件和芯片被外國企業壟斷。我國亟須突破傳感器核心技術，擁有自主制造高端傳感器的能力。

2.電力物聯網傳感器技術缺乏統一標準。我國在相關設備，系統層技術標準等方面缺乏統一的標準，這嚴重制約在線檢測技術的應用和推廣。

（二）云計算、大數據技術

云計算具有規模大、效率高、成本低、可靠性強和拓展性高等特點，還具備海量存儲空間，[24]能夠支持用戶隨時隨地，按需便捷的訪問共享資源，其強大的計算能力能夠迅速處理各種數據，實現資源高效管理[25]。利用云計算技術處理新型電力系統中配網設備的海量數據，并存儲在容量很大的存儲空間，在提升計算能力的同時構建云平臺[26]。將云平臺與電力物聯網傳感器技術融合，實時監控所有配網設備的運行情況并存儲起來，當出現故障時，云計算平臺就會比對此時的數據和預測出的正常值，然后傳遞給運維人員，再立即開展檢測與運維工作[27]。

隨著智能電網的快速發展，配電網需要的設備數量增加，型號、也更加復雜，檢測對象的數量級很高。溫度、濕度、電流、電壓、震動等參數指數型上升也對數據處理能力提出了更高要求，大數據技術和其思想方法有助于用戶快速高效的處理海量數據[25,28-29]，解決設備狀態評價與故障預測的難題。基于大數據的配網設備狀態檢測技術主要包括數據采集技術，數據去噪技術，特征提取技術，模式識別技術，可視化技術。可以預見，大數據在電力設備狀態監測上的深入應用能提高狀態評價和故障診斷的精確性方面將發揮重要作用。

（三）數字孿生技術

數字孿生作為一項迅速發展的數字信息化技術，利用物理模型，傳感器、運行歷史等數據，實現電網設備在虛擬數字空間中的映射，構建和真實設備“同步運行”的數字孿生體，反應相應實體設備的全生命周期過程[30]。電力設備數字孿生主要運用高保真數字化建模、多物理場仿真技術，精確描述電力設備運行特性。構建高精度的配網設備空間信息三維數字化模型，在電力設備高度逼真虛擬重現的前提下展現多為狀態感知和仿真分析結果，實現實體設備轉化為虛擬數字設備，再綜合考慮設備的幾何形狀、物理參數、狀態信息和規則標準等，建立多物理場、多尺度、多區域的設備數字孿生仿真模型。但目前數字孿生技術還處在研究初級階段，其關鍵技術和核心基礎理論方法還有待深入研究[31-32]。

■結語

在“雙碳”目標和建設新型電力系統的背景下，以保證電力設備安全運行為目標。本文首先分析了配網線路設備運行管理中存在的安全問題，并融合云計算，大數據、電力物聯網傳感器技術等數字化技術，從安全管理制度、設備安全入網，監督管理，運行維護，人員培訓等多個角度進行頂層設想，構建配電網設備安全運行體系，提高設備安全管理水平，并為未來相關設備管理提供參考。