面向能源互联网的智能化运维管控平台研究*

吴建国，徐铭，廖清阳，饶贇，李海清，蔡泽祥

(1.贵州电网有限责任公司贵安供电局,贵州 贵安 550025；2.广州穗华能源科技有限公司,广东 广州 510630；3.华南理工大学电力学院,广东 广州 510599)

配网系统作为直接服务广大电力用户的重要载体,其管控业务水平的高低,直接反映出供电人员的服务水平和服务质量,关系着供电企业的运维水平和社会形象。深化配网系统管控治理,既要保证客户合理诉求,促进电力企业健康持续发展；又能维护社会稳定、助力经济发展需要[1-3]。近年来,电力企业陆续地研发了生产管理系统、调控自动化平台、配网信息化平台、95598 客服系统、营销管控平台、GIS监测平台、用电信息采集平台等,为实现配网全过程管控提供数据支撑。多地省市公司结合已有网络基础初步建设了配网运营监管平台,来监控配网设备的运行状况,通过分析目前很多平台的运行效果,发现大多平台缺乏对配电网业务流程的管控及分析决策功能[4]。而目前配网在制定规划、运检、客户管理等解决方案时,依托各专业系统导出大量数据,着重依靠专家经验进行决策,部门间协调较差的弊端一定程度上又降低了决策效率[5-6]。随着配网规模增加和运行方式的复杂化,工作难度将逐年递增,且在配网运行中涉及了许多业务,需要多部门间的密切协作,才能达到预期设定的效果,然而目前尚没有一种高效的管控手段来协调相关工作。

随着能源互联网技术与配网系统不断融合,其信息处理技术为解决配网运维分析决策和辅助服务等工作提供了契机。电力部门联合部分机构和设备厂家开展了管控平台的应用研究,文献[7]详细分析了能源互联网发展前景,对能源互联网的基本架构进行设计,充分分析了能源互联网内电力系统、交通系统及燃气系统间的融合问题。文献[8]详细探讨了能源互联网的设计、实现及运营中所面临的问题,列举出能源互联网的六大核心应用技术,并论述了各项核心技术的应用问题。文献[9]从基础架构的角度分析能源和信息间基础设施的发展规律,定性阐述了能源互联网的概念和特征,结合国内外相关的研究成果,详细分析了能源互联网的发展过程中面临的问题和挑战。文献[10]详细论述了电网信息融合-物理分析-电网控制-模型形式化等综合应用技术。文献[11]在现有的能源互联网通信技术发展的基础上,结合软件技术能源路由的办法,实现能源互联网平台集中式管理。而以往在配电网运维数据研究方面,偏向于系统停电分析[12]、故障分析[13-14]、优化调度[15]、应急检修[16-17]等方面的挖掘分析,侧重于单专业的深入挖掘。能源互联网的深化应用,将会促进配网运维专业在数据运用方面探索应用方法,促进数字技术、协同调度、应急预警、负荷优化预测等方面的综合开发[18-19]。

综上所述,本文立足配网运维管控的业务定位和应用需求,以配网精益化服务为目标,并结合配网信息化技术现有基础,提出面向能源互联网的智能化配网运维管控平台的研究方案,对能源互联网智能配网运维平台的功能架构、关键技术、业务拓展等方面进行了深入探讨,并在此基础上对配网管控平台进行相应设计改进,有助于提高配网运检管控水平。

1 能源互联网的架构模式

1.1 总体架构

能源互联网的总体架构包含物联网体系下的端-网-云-用四分层结构,其核心内容有状态感知、数据传输、服务集群、功能开发、系统展示和安全保障等。其中,雾计算、边缘分析等物理算法为系统网络提供更加高效的服务响应[10,20]。在网络终端层面,平台可对终端设备采集的数据进行实时监控。在网络传输层面,平台作为接收各类终端设备数据的主要载体,综合了有线、无线和卫星通信等多种通讯方式。

系统平台层主要分为数据处理、基础服务和应用服务等层次。其主要负责采集数据的接入管理、数据建模和分域存储等环节。平台提供用户权限、业务流程、数据安全、信息业务及任务分配调度等基础管理功能；提供二维/三维地图搜索、BIM 模型引擎、数据强化、深度学习、区块链等高级服务功能[21-22]；提供数据分析、监控、运营、消费、客服、管理六位一体的服务功能。

系统应用层主要结合PC 端、移动端和大屏显示系统等设备,为政府部门、消费者、运营商、产品服务者提供业务应用展示系统。平台系统可为政府相关部门开展区域能源生产平衡调度提供支撑,支持辖区内开展能源优化和节能减排项目；支持能源运营部门进行数据采集、监测、分析决策等功能；支持能源消费者参与能源互动和享受能源增值等服务。各能源参与方借助平台及时了解能源走势和市场信息,精准跟踪市场需求。通过能源互联网云平台,实现能源生产、消费平衡调度和能源多方互补,提高能源企业效率,促进客户多样化消费选择,提高能源的利用水平。总体架构见图1。

图1 能源互联网总体架构

1.2 功能分区

能源互联网平台在设计功能上包含了数据采集和分析、能源维护、能源消费、客户服务、管理中心功能。数据采集和分析模块主要执行数据在线采集、接入和存储、分析决策等功能；能源维护模块主要执行能源的全景监测、能源状态可视化服务、环境动态监控,对异常情况的感知预警及智能化维护等功能；消费模块主要执行能源需求响应和能源结算等功能；客户服务模块主要为客户提供在线咨询、投诉管理、人工服务等功能；管理中心模块主要执行项目管理、客户维护、合同管理等功能。此外,平台增设了系统管理、组态工具栏和物联支撑等基础模块。其具体功能模式见图2。

图2 能源互联网功能模式

1.3 技术架构

能源互联网平台的技术层主要为:设施层、数据层、服务层、应用层和展现层等。为保障平台运行的稳定性,平台执行数据统一监控、日志组件统一管理、安全策略统一规划。另外,为了保证平台的开放性,平台支持开放标准和数据接入等服务,确保第三方数据自由接入,其技术架构见图3。

图3 能源互联网技术架构

2 配电网运维管控平台的功能定位

2.1 总体布局

配网运维管控平台是以配网设备的数据模型、操作模型为基础,综合调控专业、营销专业等相关数业务管控水平,可为贯通营配业务提供有力支撑。据采集信息,实现配网设备在线运行状态的全景观测、供电隐患多维度预判、业务处理回溯分析和技改成效在线评估等功能,极大提高配网规划建设的管控水平和运维人员的检修效率。

2.2 功能定位

从设计的功能上分析,配网运维管控平台应具备业务流程一键下发、评价指标多维度分析和信息综合展示等功能,其发挥的作用如下:

(1)支撑营配信息业务贯通功能

平台开发的核心要素是以配网运检的业务需求为导向,疏通总部-省-市直至县公司的配网业务流程,打通营配业务横向协同壁垒,达到纵向＋横向的

(2)支持配网综合信息展示和运行监控功能

运维管控平台应能全面地展示配网规模的相关概况、网络架构、设备运行状态,准确反映出线路/变压器所供负荷情况,对系统低电压、设备故障跳闸和停电检修等事件进行研判处理,并能逐层聚焦、方便各级管理人员准确地掌握配网资源,及时了解当前配网的运行水平。

(3)提升配网运检业务管控能力

运维管控平台可实现配网标准化抢修、配电自动化、设备状态评价、不停电作业等配网运检核心业务的过程管控、指标评价、成效分析,通过构建相应督办流程实现专业管理,实现总部-省-地市-县的闭环业务管控。

2.3 功能架构

配网运维管控平台的功能架构可分为运行监控和信息综合、运检管控专项业务2 大类,见图4。

图4 运维管控平台业务分类

3 面向能源互联网的智能化运维管控平台设计

3.1 智能化运维管控平台的层级构成

运维管控平台对促进配网智能化运维管理工作发挥着重要作用。总体来说,智能化运维管控平台主要涵盖了三个层级:设备层级、子系统层级及总系统层级[23]。

3.1.1 设备层级

设备层级作为智能化运维管控平台的基础层,囊括了配网中的各类设备,主要包括配电线路、变压器、计量终端等。设备层级可凭借数据优势,根据配网实际需求,合理协调配网各项业务,保证配网正常运行。

3.1.2 子系统层级

子系统层级作为智能化配网运维管控平台的重要组成部分。其定位角色为系统中各级变电站。下级配电系统向子系统传送实时数据,接收到数据后,子系统层级会对接收的各类数据进行筛选,并基于自身运行状态进行科学管控,完善自身性能。同时,子系统层级还会对关联设备发出决策信息,以此保障决策的正确性。

3.1.3 总系统级

在智能化配网运维管控平台中,总系统级所属层级和拥有的控制权最高。智能化系统所有信息会在总系统级中进行综合评估处理,数据解析完毕后总系统级提出最终决策,运维人员将以最终决策为指导进行业务处理。

3.2 智能化管控平台中能源互联网的技术应用

3.2.1 能源互联网的异构终端数据接入技术

基于互联网系统支持异构终端数据导入技术[24],以物联网信息模型、通信规约、数据传输和存储标准化的“四统一”原则,实现能源数据在线监测、设备开关量动作、温湿度控制、电能质量评估等不同数据类型的传感器统一接入[25]。同时利用IEC61850 通信架构,实现控制室和站内设备间的远程控制；支撑103、104 通信规约,实现现场通信、专网、代理网络及公司内网的综合组网。该技术可解决配网系统设备多样性引起的装置采集和接入标准的分散化问题,有效避免系统底层通信协议的差异性。

3.2.2 画像技术

画像技术作为整合客户诸多诉求和平台导向的有效工具[26],利用配网大数据组建客户精准画像算法架构。以大数据技术为基础,综合各类用户信息,利用聚类算法和机器智能学习模型,开展用户能源数据特性研究,促进用户特征数字化。另外,运用多维度标签整合技术,对配网系统的34 大类和218 小类的客户标签进行整合,构建出系统“标签云”,并建立立体客户画像,保证平台全方位地展示客户的行为特征,为不同类型客户提供量身化、差异化的用能服务方案,从而实现服务智能化。

通常,客户画像应用可分三步:(1)获取客户信息,包括:档案数据、用电情况等信息。(2)提炼客户信息获取特征标签,并建立客户标签库。(3)利用聚类算法和机器学习模型开展标签聚类分析,对不同类型客户的消费行为进行画像,辅助配网系统定位客户需求和制定差异化服务方案。

3.2.3 基于容器化的云平台技术

容器化的云平台技术应用主要以最小容器作为调度单元,通过对各单个容器的统筹编排,可将第三方应用包编译处理,实现各容器间的隔离运行。而在对外数据访问方面,利用负载均衡器进行指令控制,实现业务访问请求的权限验证[27]。其系统结构见图5。开展容器化云平台技术的应用,主要用来解决系统服务器运行过程缓慢、资源利用低下、镜像存储所需内存较大、运行实例迁移及调整耗时较长等问题。

图5 容器化结构

3.2.4 支持多传输协议的组件发布方法

在调用远程服务的技术领域中,平台支持多种技术协议。利用组件发布和容器化技术,采用不同传输协议的服务方式对平台简单组件进行发布,并将组件部分和相关传输协议隔离,保证二者的独立性。平台支持的多传输协议组件发布的步骤见图6,具体过程如下:(1)合格组件存储。将检验合格的组件包和配置文件分别存储于容器端的组件目录和协议配置目录之下。(2)解压容器子线程。将容器子线程的解压包所需的第三方包存储于同级目录下的标签信息库文件之下。(3)添加文件路径。在配置文件中依次添加组件名称、相关用户名以及文件调用路径等信息。(4)实例更新。更新实例线程,并按照协议生成新的服务实例添加到容器中[28]。通过上述操作,能实现组件和传输协议的有效分离,降低二者耦合性,提高扩展组件利用程度,简化运维人员的操作流程。

图6 组件发布步骤

3.3 配电网运行分析平台的开发模式

运维平台系统的开发模式是集软硬件开发于一体的模式。硬件平台系统将结合变电站的内部服务器、网络交换机、调度通讯设备、后台监控系统等综合集成,实现配电网运行分析功能,硬件平台系统见图7。

图7 硬件平台开发

运维平台软件系统包含4 个层面:分别为业务层、应用层、数据层及数据底层。数据底层为各类业务系统提供相匹配的数据接口,以取得系统需要数据,促进数据提取-清洗-融合-缓存-挖掘分析综合化,从而建立新的数据库用于应用层开发利用。运维管控平台软件开发模式见图8。

图8 软件平台开发

4 能源互联网运维管控平台的应用

面向能源互联网的智能运维管控平台可利用移动终端装置充分延伸管控系统的应用范围,一是促进数据来源途径扩大化；二是为变电站设备巡视提供便利。运维人员通过利用手机、平板电脑等移动终端设备完成变电站设备巡检和设备缺陷等信息录入管控平台,并可在线下查阅相关信息,并通过工作站及大屏等显示终端反映设备的运行工况。而用户可通过移动终端设备方便地查询变电站设备的运行状态。

4.1 测试服务器

面向能源互联网的智能化运维管控平台可结合变电站内的工作站,完成变电站的远程巡视系统和机器人巡检装置等系统的对接,将处理后的结构化数据上传至智能化管控平台。同时本级工作站作为智能化运维管控平台在变电站业务集成控制的延伸,通过本级工作站可调用集中管控平台的人机界面,可进行相关运维报表编制与查询、设备缺陷分析及交接班管控等操作。管控平台的测试架构见图9。

图9 测试系统

平台测试所需的服务器主要包括:两台数据采集服务器、两台设备监控服务器、两台应用管理服务器及两台数据库服务器。工作站主要包括:维护工作站和监控工作站。维护工作站可根据需要配置,数据服务器和新建变电站的工作站进行通信获取站内的设备信息,结合保信系统(即继电保护故障信息处理系统)读取模型、图形及实时数据。设备监控服务器主要用于配网设备数据监控、数据处理处及数据存储等业务。管理服务器主要用于设备管理和维护等业务,其所需安装的功能模块主要是巡检设备、缺陷管理、交接班管理和大屏幕显示等。数据库服务器主要安装Oracle 数据库,用于为站内的设备模型、数据采样、设备告警、报表管理等数据提供存储。

4.2 测试业务

4.2.1 运行工况在线评估及趋势预测

考虑站内的运行设备既与当前运行工况有关,还与其历史运行数据有关。因此,应综合评估在线设备的运行工况、历史信息、缺陷记录、巡检信息等数据信息,建立综合数据的设备运行评价模型,包括在线分析和离线分析模型。其中,在线分析模型主要用于分析设备运行偏差和预警；离线分析模型主要用于存储设备缺陷数据、家族性问题和历史运行工况数据。运行工况的技术评估路线见图10。

图10 运行工况在线评估

由图10 可知,对设备工况的运行趋势进行预判,结合概率分布理论,对运行设备的历史监测数据进行预处理后,计算出一定时间内设备运行工况下聚类中心和带有置信度的边界条件,并结合时间维度法评估运行设备近期监测的连续数据,以获得运行设备匹配的时序曲线,用于指导运行设备未来时间段的预测工况。

4.2.2 电力线路故障辨识

利用能源互联网管控平台,可对线路进行故障识别及定位分析。通过对线路所处的相关外部环境数据及录波信息特征的辨识,平台系统可诊断出复杂环境下的数据规律信息,构建出线路故障辨识模型。当电力线路再次发生故障时,平台故障识别模块可在线识别线路发生山火、凝冰、鸟害、外力破坏、雷击等引起的各类故障,其平台在线识别模块见图11。

图11 故障在线辨识

如图11 可知,能源互联网管控平台对于线路故障辨识所用的算法如下:

(1)利用支持向量机的辨识算法,将收集的线路历史故障数据和相应的故障原因进行辨识,结合小波分析模型提取时域-频域的故障数据特征,构建出小波分析模型和故障原因间的隐含联系。以此为基础,通过支持向量机算法学习训练出故障辨识数据并给出故障分析结果。然而,支持向量机模型归类于浅层学习模型[29],对小样本数据处理具有优势。对于系统较复杂、数据样本繁多的故障类型而言,支持向量机模型应用显露出不足。

(2)对于系统较复杂、故障数据繁多的故障类型,利用神经网络辨识算法,可针对线路历史数据(含气象、环境和电气量等特征)进行挖掘分析,找出线路故障原因和特征量。以此为基础,结合神经网络算法进行训练学习,并针对线路不同故障原因构建出对应的辨识模型。神经网络算法适用于数据样本庞大、复杂网络的深层训练模型,应用于中后期中心数据库的训练分析。

线路故障辨识模块辅助功能可为调控人员处理相关线路事故提供有效支撑。并对加快恢复线路供电、指导人员巡线具有积极意义。

4.2.3 继电保护在线分析

利用能源互联网管控平台,结合专家数据库和随机森林算法对保护的动作行为进行在线分析。当保护装置动作后,结合平台的保护模块对保护行为进行在线推理,其推理结果和保护装置传回的动作报文、录波数据进行比较,以此对保护动作行为正确性进行评价,其技术路线见图12。

图12 保护动作在线诊断

如图12 可知,基于故障原理、保护配置及动作时序等逻辑关系,并结合专家数据库的保护行为诊断出保护解决方案。当设备故障时,通过对故障录波装置上传的数据进行比对,验证平台的保护模块推演出的保护和断路器动作行为,并给出相应的解决方案。

继电保护在线诊断技术可提高运维人员的检修效率,提升设备智能化程度。

4.2.4 配电业务流程可视化

互联网的智能化管控平台直接与95598 系统相连接,平台结合系统下达的计划停电、故障停电或临时停电信息、报修客户信息、地理位置,结合掌上型电脑(personal digital assistant,PDA)、车辆、抢修人员所在位置信息,综合抢修人员任务情况进行综合研判,并给出优化调度结果,从而节省运行人员处理时间,提升运维人员的抢修效率。在事故抢修中,平台可借助PDA 拍照等功能收集客户表计信息,实现与营销客户表计资产的联动。在抢修完成后,管控平台将对用户申请的95598 工单开展智能分析,综合投诉次数、超时程度及到场准时率等数据,对服务的薄弱环节进行精准分析,提高抢修服务质量和水平。

基于互联网的智能化管控平台,发布优化抢修单,为运维人员提供参考。另外,综合系统电压、变压器负载率、系统三相不平衡功率等运行数据,在初步筛选用电信息后,管控平台会进一步开展多维度分段分析,精确梳理低压台区,为相关部门提供辅助决策,平台可视化流程见图13。

图13 业务流程可视化

5 结论

为提高运维单位的服务质量,结合市场需求,本文以“互联网＋智慧能源”为契机,提出面向能源互联网的智能配网管控平台系统建设理念,通过运用物联网异构终端接入、客户画像、容器化平台、多传输协议的组件发布等核心技术,对配网管控平台进行相应设计:(1)在软件架构方面,将管控平台进行功能分区,从而提高软件开发、信息发布、运行效率方面的灵活性和稳定性。(2)在平台管理功能开发方面,对设备终端管理、用户管理、权限管理及资产管理等方面采用集中化处理,满足大量终端设备接入的需求。(3)在平台移动应用方面,采取设备监控和运维业务相结合,促进运维单位提质增效。(4)在大数据分析和高级应用方面,采取多算法互补、协调优化的应用模式,提高设备运行效率,改善系统电能质量。

综合互联网智能化配网管控平台的开发应用效果,得出几点收益:

(1)能源互联网智能管控平台的研究,促进了配网多系统信息之间的融合,对配网存在的薄弱环节直接进行可视化操作和分析,提升配网维护管控水平。

(2)能源互联网智能管控平台的研究,促进配网业务开展过程在全监控下进行,提高资源优化配置,有助于管控配网核心业务。

(3)能源互联网智能管控平台的研究,促进营-配-调数据参与集成,提高业务贯通水平。利用大数据技术,配网运维管控范围可延伸闭环管控、系统设备全寿命管控等业务,提高配网精益化管理、精益化服务水平。