電網運維管控的優化改進研究

洪慧君

(廣東電網有限責任公司 廣州供電局，廣東 廣州 510000)

電網設備的運行和維護(O&M)對于保證電網的穩定和可靠性至關重要。隨著電網規模的擴大和對客戶服務的更高要求，O&M電網的任務逐漸變得更加艱巨。受O&M容量的限制，傳統O&M電網模式已經無法滿足日益復雜的需求。在傳統模式下，不同部門數據之間相互兼容較差，技術人員因為沒有辦法有效地分析和診斷電網狀態，無法實時管理電網[1]。基于“大數據、云計算、物聯網和移動互聯網”的綜合O&M解決方案，可通過采用物聯網和移動互聯網技術實現互操作性和交互性，也可利用大數據和云計算技術進行開發應用。當前，智能電網的管理需要現代信息通信技術和智能技術與電網O&M的融合，實現實時信息采集、離散數據采集傳輸、海量維修數據挖掘等，最終實現巡檢資源的優化配置和高效運行。因此，提出了一種基于大數據、云計算、物聯網和移動互聯網的綜合電網設備O&M解決方案，該解決方案通過使用設備和模塊之間的關系，將智能技術和O&M相結合，彌補了傳統O&M模式的弊端，為O&M提供了技術支撐手段。

1 O&M解決方案設計

1.1 解決方案目標

大數據、云計算、物聯網和移動互聯網技術正在推動智能電網發展與建設，國家電網公司正在倡導創新和“互聯網+應用”聯合應援，開發新的O&M技術變得極其關鍵，也是智能電網發展的方向之一[2]。綜合O&M解決方案旨在解決傳統模式的問題，為O&M提供信息支持。它以標準的流程和方式獲取信息，改變了人工記錄數據的方式，避免非標準數據和錯誤，以提高O&M工作的效率和質量，保證系統運行的安全性和可靠性。

1.2 技術解決方案

基于大數據、云計算、物聯網和移動互聯網的一體化O&M解決方案由現場工作平臺、移動工作平臺和中心支撐系統組成。其中，現場工作平臺是基于智能傳感和移動互聯網技術的野外工作平臺；通過射頻識別、無線傳輸等物聯網技術，實現對電力設備和設備管理的全面感知。該平臺實現了互聯互通，中心支撐系統提供數據分析功能，并以標準的方式管理現場工作。O&M解決方案的體系結構如圖1所示[3]。

圖1 智能O&M控制系統總體架構Fig.1 Overall architecture of intelligent O&M control system

(1)現場工作平臺。該平臺通過RFID等智能傳感技術對現場設備的信息進行動態管理。每個設備上都有一個二維碼或電子標簽，用于連接移動工作平臺。現場工作平臺可以查詢設備信息、歷史記錄、數據訪問服務地址等，并進行實時檢測、離線測試數據輸入等工作。

(2)移動工作平臺。各種數據通過智能移動終端單元和標準數據轉換接口進行格式標準化，而工作流可以用標準化統一的格式表達，實現一鍵式上傳。因此，手動數據輸入將大大減少。智能移動終端單元也是現場工作側和中心支撐系統側之間的連接平臺，作為現場評估的平臺和中轉代理站，可以訪問中心支撐系統基于云的資源，并能指導現場工作。智能移動終端設備內置的多維數據和狀態分析模型，能提供與現場工作相關的數據分析能力，支持非網絡工作模式。十多種帶電檢測設備和大部分停電檢測設備的通信協議都內置在終端設備中，可以訪問80%的儀器。該終端符合國家電網信息安全體系，可靠性和便攜性高[4]。

(3)中心支撐系統。中心支撐系統采用分布式架構，可與PMS、智能O&M控制系統等控制系統無縫集成。該分析算法可以通過大數據技術的微觀應用來進行定制。通過歷史數據可以進行實時數據驗證和糾錯，通過多維數據分析可以對設備狀態進行實時評估[5]。

現場工作流程如下，O&M人員攜帶智能移動終端設備到達現場。終端開機后，自動生成無線自組網絡，并初始化終端。終端從中心支撐系統下載相關數據和工作流程。在O&M工作過程中，用戶需要嚴格遵循移動終端上呈現的步驟。現場工作數據可以通過智能終端與中心端數據交換，使現場工作人員可以使用控制中心的數據資源，中心端可以控制現場工作。智能分析模塊邏輯架構如圖2所示。

2 功能特征

2.1 智能終端設備

智能終端單元連接在現場側和控制系統側之間，它可以自動生成無線組網。現場儀表和移動控制終端(如PAD、手機)可與其連接，再通過專網或GPRS連接到中心側[6]。

智能終端從功能上可以分為應用層和核心層。核心層與應用程序連接層通過無線傳輸模塊如WiFi、3G/4G和藍牙來進行，如圖3所示。

圖2 智能分析模塊邏輯架構Fig.2 Logic architecture of intelligent analysis module

圖3 智能運維功能層架構Fig.3 Logic architecture of intelligent analysis module

應用層通過嵌入式數據庫和智能分析算法庫建立數據分析應用，通過規范化的數據接口實現工作流的標準化，進行設備檢測管理和數據管理。應用層的標準化工作流程是通過配置音視頻和USB、SD卡等外部設備接口來實現的。

現場數據和工作流程的標準化可以解釋為：①支持主流測試設備的通信協議，提供數據轉換接口，確保來自相同測試項目的數據的統一和標準化;②在知識庫中提供現場O&M指南和現場工作手冊。現場工作可以分為幾個步驟同時進行，O&M的工作人員按照這些步驟在終端上交互式地填寫數據空白，這是為了保證O&M工作的規范化;③提供視頻和音頻接口，以視頻或音頻方式記錄現場工作的關鍵步驟。

控制系統定期更新智能終端單元的數據和算法模型，以支持數據分析功能，可以為特殊變電站和O&M要求提供定制服務，可以從中心端遠程調用歷史數據和類似故障情況，也可以調用高級分析的中央處理器。移動終端支持視頻組件訪問，在特殊情況下，來自中心端的專家可以遠程提供指導。

2.2 信息安全保護

信息安全有4層保護[7]。

(1)安全終端層。內置終端加密芯片，由PKI服務系統簽發，用于數字證書的簽發。

(2)安全通道層。提供終端與接入平臺之間的安全網絡接入，包括有線專線、無線APN線等。

(3)接入系統層。接入系統層是系統的核心組成部分，由安全接入網關系統、身份認證系統、安全數據過濾系統和中央監控管理系統組成。

(4)業務服務層。主要包括應用系統的后臺服務系統、前端服務器等。操作系統保護、密碼保護、訪問認證保護等都被集成在一起。

2.3 中央支持系統

中心支撐系統包括任務提示模塊、數據分析模塊和案例查詢模塊。任務提示模塊負責記錄和提示設備歷史信息。數據分析模塊存儲電力公司的大量設備數據，并具有專用的設備數據庫。對于數據庫中已有的設備，數據分析模塊可以利用運行狀態數據對設備進行診斷，對于數據庫中新加入的設備，可以參考電壓等級相同、類型相似的設備進行診斷。該模塊還可以對各種故障的發生次數進行統計分析，為推斷故障原因提供依據。中心支撐系統包含全面的故障案例庫，包括設備主要技術參數、故障名稱、故障位置、故障表現、故障等級、可能衍生故障、異常狀態值、診斷測試、處理措施等。該庫涵蓋了所有類型的故障，并收集了300多個典型的變壓器故障案例。故障案例庫可以手動或自動擴展，中心側的故障診斷可靠性會隨著庫中故障案例的積累而逐漸提高。

3 應用場景

3.1 標準化現場工作

使用智能O&M移動終端可以使現場工作標準化，現場工作人員將嚴格遵循終端上的提示和步驟。此外，通過對現場工作關鍵步驟的視頻記錄，可以保證和客觀評價現場作業的質量。隨著國家電網指導方針和現場操作要求的引入，標準化操作流程已經建立[8]，并向現場操作人員提供交互式提示。這些措施有效減少了現場人員經驗不足帶來的問題，提高了O&M質量。

3.2 標準化數據

O&M解決方案標準化了主流現場設備的數據。提供統一的模型數據轉換接口，確保同一測試項目的輸出數據統一規范，提高了現場作業數據的準確性，為數據的高效利用和高級應用的實現奠定了基礎，同時它有助于提高公用事業的資產管理能力[9]，如圖4所示。

圖4 數據分析及處理模塊架構Fig.4 Data analysis and processing module architecture

3.3 中央配套系統

現場工作數據傳輸到智能O&M終端，用于記錄、分析和實時評估設備狀態。當O&M人員遇到困難時，將啟動中央支持服務。這些服務包括數據呼叫、高級分析、遠程專家支持等。中央側支持服務有效、便捷，有助于檢測潛在缺陷和狀態惡化信息，提升高級應用的實用性[10]。

3.4 定制的應用服務

可以根據客戶的實際需求和客戶電網的特點，提供具有相同架構和定制服務的客戶定制解決方案。定制服務包括閾值設置、焦點、算法定制、報告輸出等。定制服務符合公司差異化的模式和應用，可以被用戶使用和擴展。電力公司的O&M可以得到定制服務的有效支持。

3.5 一鍵數據上傳功能

一鍵數據上傳功能有效簡化了數據錄入和作業申請流程(工作票申請、數據記錄和PMS的數據錄入等)。它還避免了工作流程缺失和記錄錯誤的可能錯誤，提高了工作效率和體驗。通過一鍵數據上傳功能，O&M人員將有更多的時間和精力專用于現場數據的智能存儲，有助于知識的傳播和共享。

4 應用案例

綜合O&M解決方案已在公司多個省市的電力企業中成功應用。通過整合電力公司的O&M數據，構建了一個數據分析中心，提供各種定制服務。氣象環境數據在復雜天氣下的設備診斷過程中被整合，優化了狀態監測算法。移動O&M平臺適用于實時檢測，對紅外、局部放電等帶電檢測進行檢修分析。基于“可靠性”理論，完成了先進的應用模型在設備O&M管理中的應用。提供周、月變電站設備考核功能，滿足多個省市需求。

為驗證基于物聯網的電力通信網絡智能運維系統的有效性，在國內某局部電網進行了電力通信網智能運維的應用，并與傳統運維技術在數據采集和數據存儲方面的性能進行了對比分析。其中，傳統的電力通信網運維系統存在運維方式繁瑣、信息量遺漏、設備核實難度大等弊端，通信數據的采集、存儲和處理效率較低。電力通信網絡智能運維系統的通信數據檢測結果如圖5所示。

圖5 數據檢測結果對比分析Fig.5 Comparison and analysis of data detection results

該系統在多個省市推出，對主變壓器(電抗器)進行了5 000多次檢修和分析，生成了數千份診斷報告，完成了300多例診斷[11]。大數據分析中心多次檢測主變壓器和電抗器多臺設備的缺陷，并給出合理的故障排除方案，這有助于避免重大損失，保障電力行業安全生產。

從仿真結果可以看出，智能系統通過物聯網技術采集通信數據，維護通信網絡運行的效率和準確性，傳輸和分析處理遠高于傳統的運維技術，使能源通信網的運維準確率提高25%。因此，在采用基于能源物聯網的能源通信網絡運營和智能維護系統后，能源通信網絡系統可以使用物聯網、云平臺等技術進行統一管理，通過專門控制的移動終端技術，可以對能源通信網絡系統進行可視化管理，以建立一個可視化的管理系統。可見，能源通信網在線運維智能系統有效提高了電網專業管理人員和能源通信網專業維護人員的工作效率[12]。智能運維系統通過實時信息共享、交互和在線網絡化技術，有效提高了能源通信網絡運維的智能化水平，實現了高效、可靠、安全的能源網絡運維。

5 結語

基于大數據、云計算、物聯網和移動互聯網的一體化電網設備O&M解決方案，提升了現場工作人員的O&M能力，有效保障電網穩定可靠運行。首先介紹了電力物聯網的基本特征和功能架構，在此基礎上詳細分析了電力通信網總體架構和智能運維總體架構，重點闡述了數據配置處理模塊、故障智能分析模塊和預警集中監視模塊等智能運維核心功能模塊。所設計的智能運維系統采用物聯網技術對電力通信數據進行采集、處理和管控，能夠實現電力通信網絡運維和物聯網數據管控平臺的互聯，從而實現電力通信網絡的智能化運維目標，為機房智能巡檢、巡視機器人等形態的人工智能技術手段應用于機房的智能化運維提供方向性的指引。最后，將設計的電力通信網絡智能運維系統在實際電網中進行了應用，結果表明，所設計的電力通信網絡智能運維系統，有效提升了電力通信網絡的信息應用管控水平、運維工作效率和安全可靠性。該解決方案在電網系統中的應用具有積極意義。