面向新型电力系统的变电运维数字化应用展望

涂佳铭 周于超

国网苏州供电公司 江苏 苏州 215000

引言

电网连接电力生产和消费，是能源转型的中心环节。新型电力系统承载着能源转型的历史使命，构建新型电力系统，坚强智能电网是基础，源网荷储协同是关键，推动科技创新是引领，发挥制度优势是保证。这既是我国电力系统转型升级的重要方向，也是实现碳达峰、碳中和目标的关键途径。面向新型电力系统发展大背景，变电运维数字化转型升级迫在眉睫[1]。

1 变电运维工作现状

1.1 变电站分布广

变电站分布广，位置分散，站与站之间的距离大。同时变电站内设备呈现出种类多、结构参数差异大等特点。导致故障的原因包括生产过程中的设备缺陷，安装检修维护中过程的问题，长期运行后的绝缘老化以及结构劣化等因素。这些问题及隐患都需要大量变电运维人员定期对变电站进行巡视，需要消耗大部分人力资源。

1.2 变电站辅助设施不完善

变电站内视频监控、声音检测等辅助设施不完善，均会导致运维人员无法判断周遭的自然环境发展，以致自然灾害发生时，可能会造成停电。变电运维人员在日常巡视过程中，需要对变电站周围环境和隐患加强判断，无形中加大了运维巡视环节的工作量。

1.3 变电站设备数据离散分离

变电运维存在记录多、繁、杂的情况，且大多仍旧以纸质化形式记录，存在查找难、分析慢以及易丢失等不足，同时，记录通过人工，主观性强且效率较低。数字化发展过程中，变电运维大数据的挖掘和分析是重中之重，变电站数据高效共享、融合，有助于提高运维人员的工作效率和设备间联动的速度[2]。

2 变电运维数字化应用

新一轮科技革命和产业变革正席卷全球，以大数据、云计算、物联网、移动互联、人工智能、区块链（以下简称“大云物移智链”）为代表的多种新技术不断涌现，为变电运维数字化转型升级提供了技术支撑。

变电运维数字化转型是一个系统性、持续性的过程，既要有“大云物移智链”中某项技术的深度应用，又要有多项技术的拓展集成，最终形成具体产品，服务变电运维数字化发展。举例来说，硬件方面，可以将机械、电子、计算机、智能控制等技术进行融合，形成机器人、无人机等应用，代替人工实现部分巡视与检修工作；软件方面，可以利用数字孪生技术完善数据分析并形成数据平台，分析设备现状，预测健康趋势。

2.1 机器人

变电运维机器人不仅可以代替人工进行变电站巡视，还能够实现变电站设备运行状态的精细检测以及倒闸操作的辅助检查，从而辅助运维人员预判设备故障和异常情况进，降低事故发生的概率。不仅如此，变电运维机器人的应用，还可以实现对变电站的24h高效监测，对高质量电能供应具有十分重要的意义[3]。2020年，国网嘉兴供电公司为了解决巡检机器人巡检线路优化问题，对机器人导航问题进行升级。针对周围环境导致机器人巡检路线偏航，无法自主充电等问题。将变电站内的机器人巡视路线抽象为由节点和连线组成的拓扑结构，根据遇障位置的不同，以路径最短为原则选择备选巡视路线。根据备选巡视路线方案与导航点点位表，制定机器人避障绕行程序的算法流程图，并根据算法流程图编写程序。该成果在瓦山变全站综合检修工程与新华变110kV副母综合检修工程启动前投入使用，对机器人算法及软件进行升级改造。在工程期间，机器人对于行驶道路上的安全围栏与工程物资能够有效避开，并且在不遗漏巡视点位的基础上实现绕行路线最优化。目前，国网苏州供电公司应用的巡检机器人已经了实现图像识别、局放检测、红外测温、环境监控、设备联动以及安防报警灯等功能。

2.2 无人机

无人机巡检，作为一门搭载高清传感器和红外线热像仪等电子巡检装置，对地面电力设施进行监视检测的新型巡查技术手段，具备了迅速方便、效率高、不受地域影响和可靠性较高等技术优势。在变电运维专业，传统的地面人工巡检和机器人巡检方式存在视野盲区，对于高空设备及高处表计存在巡检不到位的问题。对于克服以上缺点，并且提高巡查质效，在变电所内引入无人机巡查，减少巡检盲点，进而保证变电所设施的运转安全，有很大的实用性[4]。

2.3 在线监测

在线监测系统主要由传感装置、数据转换单元和站端显示报警模块组成，在不停电的情况下，可以实时监测设备的运行状况。目前变电站主设备在线监测系统集成了站内变压器、GIS组合电器、断路器、开关柜等的多项监测，包括变压器绕组变形在线监测、变压器油色谱在线监测、SF6气体泄漏在线监测报警、开关柜局放在线监测等。高清视频在线监控系统可实现变电站的全景展示、对变电站设备运行情况和周围隐患进行综合监控；智能红外热像监控系统可实时监测设备发热情况；智能压板在线监测可监测压板位置状态。

2.4 集控站一键顺控

集控站一键顺控可在集控站对所管辖的变电站进行远程一键顺控倒闸操作，无须运维人员到变电站现场进行倒闸操作。它是通过加装辅助传感器和高清摄像头对设备状态变位进行双确认。断路器状态变位的双确认采用遥信和遥测值，同时在加上高清摄像头拍摄位置进行判断的。隔离开关状态变位的双确认采用非同源的两个遥信，即加装辅助传感器来进行判断。这种模式，有效提高运维人员倒闸操作的效率，节约操作时间和等待操作的时间，实现了变电站倒闸操作的远程化、自动化、可视化。

2.5 数字孪生

数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程[5]。

国外数字孪生的工程应用对象多样，包括电力系统、数字电厂、海上风机、高压直流换流站、STATCOM等。国内数字孪生的工程应用对象主要集中在数字孪生变电站。广州首座数字孪生变电站220kV磨碟洲变电站投产。该站应用数字孪生展示平台，实现变电站全站信息汇聚展示、全站设备状态分析、全站设备集中控制。

3 数字化展望

3.1 机器人

机器人巡检存在着避障能力较差，识别成功率不高以及数据利用率欠佳等问题，需要对机器人进行迭代优化，从而不断完善机器人巡检效果。机器人巡检的研究热点主要集中在精准自适应导航、设备状态识别以及巡检数据库的建立等三方面。

导航领域，目前主要采用视觉导航、惯性导航、RFID（无线射频识别），以及磁轨迹规划等技术进行导航定位状态识别。识别仪表读数通过视觉技术实现，一般采用最小二乘算法、Hough变换算法、差影法等方法来实现。巡检数据库通过合理利用运维时间序列数据进行监视、分析，可以尽可能早地发现缺陷，排除故障，避免进一步恶化，危害站内甚至电网设备的安全稳定运行。

3.2 无人机

目前，无人机变电站巡检仍存在一些技术难点，一是无人机续航问题，通常无人机续航都少于30min，影响巡视效果和效率。二是需要完善无人机应急处理机制，防止无人机坠落，影响电网设备安全运行。目前的研究热点主要集中在续航和自主巡检两方面。

针对续航问题，主要采用巢起巢落无人机自主充电模式或无线充电技术等方法解决续航问题。对于设备状态和隐患的巡检，主要利用激光雷达采集的云数据和卷积神经网络算法，实现高精度的图像识别。视觉跟踪技术、RTK技术以及AI技术可以实现无人机对路径的自主分析和精度控制，初步具备应急能力。

3.3 在线监测

主设备在线监测会存在采集数据的准确性等问题。辅助设备存在各数据系统离散，数据平台不兼容，无法进行统一性综合分析判断等问题。

针对主设备数据准确性问题可从设备前端和监测方式两个方面进行改进，设备前端改进可通过更换质量良好可靠的传感器来收集数据，监测方式采用多角度或多维度进行监测，比如增加对设备声音的监测数据进一步分析判断设备状况。针对辅助设备数据平台独立不兼容问题可结合主设备在线监测系统，建立统一的数据平台。在该统一数据平台上建立主设备和辅助设备两级菜单，所有一二次设备及辅助设备配置统一的数据传输通道，各自所需要的数据直接从数据平台获取，各设备间的信息交换也在数据平台上完成。

3.4 一键顺控

集控站一键顺控改造工作量巨大，涉及变电站所有一次设备状态改变后的目标状态确认，改造过程中风险大，工作强度高，需配合生产计划进行。加快现代设备管理体系建设，推进设备管理数字化转型和智能化升级刻不容缓。以提质增效为目标，利用“大云物移智链”数字化技术，积极打造变电专业数字化班组，实现变电运维数字化、智能化生产管理新模式。

3.5 数字孪生

数字孪生技术的核心主要体现在数据全景显示、数据智能分析以及上层功能应用等3个方面。数据全景显示方面，须进一步打通数据壁垒，实现智能巡检设备、多源传感器等设备数据的有效接入与动态更新。数据智能分析方面，须一方面加强人工智能的应用研究，挖掘大数据中低密度高价值信息，另一方面利用先进的数据处理技术促进理论研究的进步，为数据挖掘提供深入的理论支撑和多样的数据分析思路。上层功能应用方面，须加大数字孪生技术在变电运维业务的应用开发，搭建应用平台实现多应用的有效集成与高效管理。

4 结束语

本文首先介绍了新型电力系统建设背景下变电运维工作面临的挑战，其次概述了以“大云物移智链”为代表的数字化技术，然后从机器人、无人机、在线监测、钥匙管理、一键顺控以及数字孪生等6个方面总结了变电运维数字化应用的发展现状，最后对变电运维数字化应用进行了展望。

随着变电运维数字化的深度发展，变电运维工作将呈现设备智能化、操作精准化、数据可视化的趋势。

设备智能化以集控站数字孪生管控平台为技术支撑，强化人机协同巡检，对机器人、无人机、在线监测数据进行智能识别，并将发现的缺陷隐患自动纳入管控平台进行统一管理。

操作精准化以集控站为站端平台进行变电站远程一键顺控操作，智能联动高清视频和机器人识别设备状态位置，避免运维人员因误入其他带电间隔而导致误操作的风险。

数据可视化通过变电站高清视频以及各类状态感知装置，提升电力设备状态感知水平和预警研判能力，强化跨区信息交互共享、融合水平。

变电运维数字化是大势所趋，在数字化转型的过程中，不可避免出现各种各样的问题，唯有不断的遇见问题、解决问题，逐步进行完善，才能持续提升变电运维工作质量与效率，保障电网安全可靠运行，更好地服务经济社会稳定健康发展。