面向新型電力系統的變電運維數字化應用展望

涂佳銘 周于超

國網蘇州供電公司 江蘇 蘇州 215000

引言

電網連接電力生產和消費，是能源轉型的中心環節。新型電力系統承載著能源轉型的歷史使命，構建新型電力系統，堅強智能電網是基礎，源網荷儲協同是關鍵，推動科技創新是引領，發揮制度優勢是保證。這既是我國電力系統轉型升級的重要方向，也是實現碳達峰、碳中和目標的關鍵途徑。面向新型電力系統發展大背景，變電運維數字化轉型升級迫在眉睫[1]。

1 變電運維工作現狀

1.1 變電站分布廣

變電站分布廣，位置分散，站與站之間的距離大。同時變電站內設備呈現出種類多、結構參數差異大等特點。導致故障的原因包括生產過程中的設備缺陷，安裝檢修維護中過程的問題，長期運行后的絕緣老化以及結構劣化等因素。這些問題及隱患都需要大量變電運維人員定期對變電站進行巡視，需要消耗大部分人力資源。

1.2 變電站輔助設施不完善

變電站內視頻監控、聲音檢測等輔助設施不完善，均會導致運維人員無法判斷周遭的自然環境發展，以致自然災害發生時，可能會造成停電。變電運維人員在日常巡視過程中，需要對變電站周圍環境和隱患加強判斷，無形中加大了運維巡視環節的工作量。

1.3 變電站設備數據離散分離

變電運維存在記錄多、繁、雜的情況，且大多仍舊以紙質化形式記錄，存在查找難、分析慢以及易丟失等不足，同時，記錄通過人工，主觀性強且效率較低。數字化發展過程中，變電運維大數據的挖掘和分析是重中之重，變電站數據高效共享、融合，有助于提高運維人員的工作效率和設備間聯動的速度[2]。

2 變電運維數字化應用

新一輪科技革命和產業變革正席卷全球，以大數據、云計算、物聯網、移動互聯、人工智能、區塊鏈（以下簡稱“大云物移智鏈”）為代表的多種新技術不斷涌現，為變電運維數字化轉型升級提供了技術支撐。

變電運維數字化轉型是一個系統性、持續性的過程，既要有“大云物移智鏈”中某項技術的深度應用，又要有多項技術的拓展集成，最終形成具體產品，服務變電運維數字化發展。舉例來說，硬件方面，可以將機械、電子、計算機、智能控制等技術進行融合，形成機器人、無人機等應用，代替人工實現部分巡視與檢修工作；軟件方面，可以利用數字孿生技術完善數據分析并形成數據平臺，分析設備現狀，預測健康趨勢。

2.1 機器人

變電運維機器人不僅可以代替人工進行變電站巡視，還能夠實現變電站設備運行狀態的精細檢測以及倒閘操作的輔助檢查，從而輔助運維人員預判設備故障和異常情況進，降低事故發生的概率。不僅如此，變電運維機器人的應用，還可以實現對變電站的24h高效監測，對高質量電能供應具有十分重要的意義[3]。2020年，國網嘉興供電公司為了解決巡檢機器人巡檢線路優化問題，對機器人導航問題進行升級。針對周圍環境導致機器人巡檢路線偏航，無法自主充電等問題。將變電站內的機器人巡視路線抽象為由節點和連線組成的拓撲結構，根據遇障位置的不同，以路徑最短為原則選擇備選巡視路線。根據備選巡視路線方案與導航點點位表，制定機器人避障繞行程序的算法流程圖，并根據算法流程圖編寫程序。該成果在瓦山變全站綜合檢修工程與新華變110kV副母綜合檢修工程啟動前投入使用，對機器人算法及軟件進行升級改造。在工程期間，機器人對于行駛道路上的安全圍欄與工程物資能夠有效避開，并且在不遺漏巡視點位的基礎上實現繞行路線最優化。目前，國網蘇州供電公司應用的巡檢機器人已經了實現圖像識別、局放檢測、紅外測溫、環境監控、設備聯動以及安防報警燈等功能。

2.2 無人機

無人機巡檢，作為一門搭載高清傳感器和紅外線熱像儀等電子巡檢裝置，對地面電力設施進行監視檢測的新型巡查技術手段，具備了迅速方便、效率高、不受地域影響和可靠性較高等技術優勢。在變電運維專業，傳統的地面人工巡檢和機器人巡檢方式存在視野盲區，對于高空設備及高處表計存在巡檢不到位的問題。對于克服以上缺點，并且提高巡查質效，在變電所內引入無人機巡查，減少巡檢盲點，進而保證變電所設施的運轉安全，有很大的實用性[4]。

2.3 在線監測

在線監測系統主要由傳感裝置、數據轉換單元和站端顯示報警模塊組成，在不停電的情況下，可以實時監測設備的運行狀況。目前變電站主設備在線監測系統集成了站內變壓器、GIS組合電器、斷路器、開關柜等的多項監測，包括變壓器繞組變形在線監測、變壓器油色譜在線監測、SF6氣體泄漏在線監測報警、開關柜局放在線監測等。高清視頻在線監控系統可實現變電站的全景展示、對變電站設備運行情況和周圍隱患進行綜合監控；智能紅外熱像監控系統可實時監測設備發熱情況；智能壓板在線監測可監測壓板位置狀態。

2.4 集控站一鍵順控

集控站一鍵順控可在集控站對所管轄的變電站進行遠程一鍵順控倒閘操作，無須運維人員到變電站現場進行倒閘操作。它是通過加裝輔助傳感器和高清攝像頭對設備狀態變位進行雙確認。斷路器狀態變位的雙確認采用遙信和遙測值，同時在加上高清攝像頭拍攝位置進行判斷的。隔離開關狀態變位的雙確認采用非同源的兩個遙信，即加裝輔助傳感器來進行判斷。這種模式，有效提高運維人員倒閘操作的效率，節約操作時間和等待操作的時間，實現了變電站倒閘操作的遠程化、自動化、可視化。

2.5 數字孿生

數字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應的實體裝備的全生命周期過程[5]。

國外數字孿生的工程應用對象多樣，包括電力系統、數字電廠、海上風機、高壓直流換流站、STATCOM等。國內數字孿生的工程應用對象主要集中在數字孿生變電站。廣州首座數字孿生變電站220kV磨碟洲變電站投產。該站應用數字孿生展示平臺，實現變電站全站信息匯聚展示、全站設備狀態分析、全站設備集中控制。

3 數字化展望

3.1 機器人

機器人巡檢存在著避障能力較差，識別成功率不高以及數據利用率欠佳等問題，需要對機器人進行迭代優化，從而不斷完善機器人巡檢效果。機器人巡檢的研究熱點主要集中在精準自適應導航、設備狀態識別以及巡檢數據庫的建立等三方面。

導航領域，目前主要采用視覺導航、慣性導航、RFID（無線射頻識別），以及磁軌跡規劃等技術進行導航定位狀態識別。識別儀表讀數通過視覺技術實現，一般采用最小二乘算法、Hough變換算法、差影法等方法來實現。巡檢數據庫通過合理利用運維時間序列數據進行監視、分析，可以盡可能早地發現缺陷，排除故障，避免進一步惡化，危害站內甚至電網設備的安全穩定運行。

3.2 無人機

目前，無人機變電站巡檢仍存在一些技術難點，一是無人機續航問題，通常無人機續航都少于30min，影響巡視效果和效率。二是需要完善無人機應急處理機制，防止無人機墜落，影響電網設備安全運行。目前的研究熱點主要集中在續航和自主巡檢兩方面。

針對續航問題，主要采用巢起巢落無人機自主充電模式或無線充電技術等方法解決續航問題。對于設備狀態和隱患的巡檢，主要利用激光雷達采集的云數據和卷積神經網絡算法，實現高精度的圖像識別。視覺跟蹤技術、RTK技術以及AI技術可以實現無人機對路徑的自主分析和精度控制，初步具備應急能力。

3.3 在線監測

主設備在線監測會存在采集數據的準確性等問題。輔助設備存在各數據系統離散，數據平臺不兼容，無法進行統一性綜合分析判斷等問題。

針對主設備數據準確性問題可從設備前端和監測方式兩個方面進行改進，設備前端改進可通過更換質量良好可靠的傳感器來收集數據，監測方式采用多角度或多維度進行監測，比如增加對設備聲音的監測數據進一步分析判斷設備狀況。針對輔助設備數據平臺獨立不兼容問題可結合主設備在線監測系統，建立統一的數據平臺。在該統一數據平臺上建立主設備和輔助設備兩級菜單，所有一二次設備及輔助設備配置統一的數據傳輸通道，各自所需要的數據直接從數據平臺獲取，各設備間的信息交換也在數據平臺上完成。

3.4 一鍵順控

集控站一鍵順控改造工作量巨大，涉及變電站所有一次設備狀態改變后的目標狀態確認，改造過程中風險大，工作強度高，需配合生產計劃進行。加快現代設備管理體系建設，推進設備管理數字化轉型和智能化升級刻不容緩。以提質增效為目標，利用“大云物移智鏈”數字化技術，積極打造變電專業數字化班組，實現變電運維數字化、智能化生產管理新模式。

3.5 數字孿生

數字孿生技術的核心主要體現在數據全景顯示、數據智能分析以及上層功能應用等3個方面。數據全景顯示方面，須進一步打通數據壁壘，實現智能巡檢設備、多源傳感器等設備數據的有效接入與動態更新。數據智能分析方面，須一方面加強人工智能的應用研究，挖掘大數據中低密度高價值信息，另一方面利用先進的數據處理技術促進理論研究的進步，為數據挖掘提供深入的理論支撐和多樣的數據分析思路。上層功能應用方面，須加大數字孿生技術在變電運維業務的應用開發，搭建應用平臺實現多應用的有效集成與高效管理。

4 結束語

本文首先介紹了新型電力系統建設背景下變電運維工作面臨的挑戰，其次概述了以“大云物移智鏈”為代表的數字化技術，然后從機器人、無人機、在線監測、鑰匙管理、一鍵順控以及數字孿生等6個方面總結了變電運維數字化應用的發展現狀，最后對變電運維數字化應用進行了展望。

隨著變電運維數字化的深度發展，變電運維工作將呈現設備智能化、操作精準化、數據可視化的趨勢。

設備智能化以集控站數字孿生管控平臺為技術支撐，強化人機協同巡檢，對機器人、無人機、在線監測數據進行智能識別，并將發現的缺陷隱患自動納入管控平臺進行統一管理。

操作精準化以集控站為站端平臺進行變電站遠程一鍵順控操作，智能聯動高清視頻和機器人識別設備狀態位置，避免運維人員因誤入其他帶電間隔而導致誤操作的風險。

數據可視化通過變電站高清視頻以及各類狀態感知裝置，提升電力設備狀態感知水平和預警研判能力，強化跨區信息交互共享、融合水平。

變電運維數字化是大勢所趨，在數字化轉型的過程中，不可避免出現各種各樣的問題，唯有不斷的遇見問題、解決問題，逐步進行完善，才能持續提升變電運維工作質量與效率，保障電網安全可靠運行，更好地服務經濟社會穩定健康發展。