基于新型电力系统的输变电数字化研究

中国电建集团河南省电力勘测设计院有限公司 段宇航

1 引言

自提出并全面推进碳达峰、碳中和战略目标，明显促进了新型电力系统建设的发展。新型电力系统逐渐发展为助力“双碳”目标实现的核心要素之一。在推动数字化技术体系创建阶段，应提升高端芯片、智能传感、边缘计算以及智能算法等重要技术。随着新型电力系统的建设发展，输变电一次设备的更替升级会受较多因素的影响，且一段时间内基本不会出现革命性转变。由此可见，基于新型电力系统的输变电数字化转型在现代社会的可持续发展过程较为关键。

2 变电站（换流站）数字化

该数字化建设包括感知终端、气体监测装置以及协同辅助体系，旨在实现对电力设备的全方位24h的巡查监视，其中变电站状态感知与换流站状态感知数字化组成结构尤为重要，且相似性较强。变电站状态感知数字化组成结构主要包括高频局放、振动、机械特性、接地电流、TEV-暂态地电压、空声、温度、超声局放、特高频局放、光声光谱油中溶解气体、变压器、GIS 及开关柜。而换流站状态感知数字化组成结构较变电站状态感知数字化组成结构多了换流变与换流阀。该数字化体系在监测主变压器、高抗、站用变等关键设备时，主要关注温度、绝缘缺陷、非正常物质、渗漏油、外部腐蚀、套管受损等多个方面，以确保设备的正常运行和提前发现潜在问题，然后再对换流阀温度、气体绝缘联合装置本体和管套温度、多种绝缘缺点、异物区分、外部锈蚀、管套破损和非正常响动予以自动化监测，要特别强化针对换流变套管的全面状态感知[1]。

多物理感知终端如图1所示，具备非接触和接触式两种监测模式，可广泛应用于变电站等场景，用于监测设备状态。其中接触式装置的功能包括测量暂态电压、温度等性能参数。非接触装置的功能包括红外热成像监测、可见光图像监测等功能，可以全方位24h 提供监测服务，以此高效集中多种接触式传感装置的数据信息，为边缘计算提供便利条件和依据[2]。

图1 多物理量智能感知终端

3 架空输电线路数字化

实时监测架空输电线路是一个涵盖广泛物理层面的任务，引发了许多与供电和通信相关的问题。对于传感器、通道监测和无人机监测数据的上传，传感器主要传输至边缘计算机设备，而后两种通过无线专网进行数据传回，从而实现对线路的全面监测，其中架空输电线路状态感知数字化组成结构包括智能感知终端、巡检无人机、分布式故障定位仪、遥感卫星、载人直升机及架空输电线路[3]。

架空输电线路数字化最初呈现出的形象能够通过在智能化技术的辅助下在规范化智慧架空线路内予以展示，同时还支持对杆塔、绝缘子、导线、等多个因素的高效检测，其监测形式可以被划分为与杆塔存在一定联系的杆塔倾斜以及和绝缘子存在一定联系的泄漏电流，导线存在一定联系的导线断股、接头测温以及雷电定位等内容，包括和环境通道存在一定联系的覆冰、施工等非正常呈现形式的监控测定。现阶段已逐渐产生围绕通道视频监控以及线路分布式故障定位为中心的逻辑和模式，同时还借助智能化巡检设备辅助线路状态感知。

为有效解决图像识别精确度较低的问题，对卷积神经算法进行改进和优化，进一步提高无人机巡检精度。该算法的优势在于高效识别图像关键特征，提高对缺陷的检测准确性，确保电力输送线路的安全稳定运行。针对输电走廊异常物质的测定，采用以密度变化为基础的三层地面任意体散射模型。该模型不仅检测输电走廊植被高度，还能识别异常物质，为通道位置监测提供有效手段，确保输电通道畅通和安全。

图像处理主要采用两种方法，一是数字图像处理，通过裁剪、颜色调整、旋转和滤波等操作提升图像质量。二是基于现有特性创建相似图像，可通过组合元素或使用生成模型实现。图像合成强调利用图像关联性，通过分析特征和结构生成外观和内容相似的新图像。这两方法构成了强大而多样化的工具集，不仅修复问题，还创造富有创意性的图像，为图像处理领域带来新可能性[4]。

4 电缆隧道、GIL 管廊数字化

针对运行电缆的状态感知其关键内容是围绕温度、局部放电等因素。现阶段，电缆的故障发生频次较高、判定效果亟须强化。当今，通过停电状态的移动式震荡波检测法能够探寻出电缆的多个不足之处，可将来的建设趋势依旧围绕线式以及非固定式的持续性供电检测技术为中心。直埋以及排管电缆仅能在生产阶段顺利配备传感装置，在正式运作期间的作业难度较高，只适用于地表部分的监测。

电缆隧道数字化组成包括感知终端、感知设备和协同辅助系统，实现电缆的24h 全面监测，具体组成结构包括特高频局放、高频局放、水位、气体、护套环流、光纤测温及电缆隧道。此外非接触式终端采用先进传感技术，在不接触电缆的情况下实时感知状态，保证全方位、全时段的监测。触式设备直接接触电缆和接头，更准确获取表面信息，实现对绝缘情况、异常响动、异常物质、锈蚀和损坏等的精准监测，并利用分布式光纤监测路面的实际施工状况，同时予以定位，以此有效防止电缆隧道收到外在因素的损害。

关于GIL 状态感知，其核心关注点主要包括温度、宽频电压和局部放电。系统的数字化构成涵盖了非接触智能感知终端、接触智能传感装置和辅助系统，具体结构包括特高频局放、高频局放、光纤局放、光纤测温、气体、超声局放、宽频电压及GIL 管廊，最终构成的系统实现24h 全面监测。该系统具备智能监测GIL 的异常热度、异常响动、异常物质、锈蚀以及损坏等方面的能力，为GIL 管廊提供了智能化的监控服务[5]。

现阶段的管廊故障定位研究集中于提高异常温度条件下的准确性，包括模拟不同电缆接地方法和进行三相电缆试验，深入了解护层故障引起的电缆温升现象，通过测量前后温度差实现高精度的故障位置定位。另一方面，高压电缆放电信号传播方面的研究关注局部放电信号的衰减特性和耦合效应，以更准确地定位局部放电源，目标是深入了解电缆系统中放电信号的传播机制以提高定位准确性。对于GIL 的非正常声响，研究采用有限长GIL 管廊模型，通过模拟声场分布和低频击穿放电定位机制，深入了解管廊内部的声学特性，这不仅有助于模拟管廊内声场分布，还为低频击穿放电提供有力支持。最后，光学局放定位方面的研究采用仿真和学习方法，通过整合仿真和试验数据，取得了满意的光学局放定位效果，该方法综合考虑光学信号的多维特征，提高了定位的准确性和稳定性。

5 基于新型电力系统的输变电数字化技术展望

5.1 高级人工智能与机器学习算法

在未来的输变电系统中，人工智能（AI）和机器学习将发挥核心作用，将远远超出传统的数据分析和预测。这些技术能够处理海量的电网数据，从设备性能到用户行为模式，提供深入的洞见和预测。例如，深度学习算法能够预测电网负荷，自动调节电力分配，优化能源使用效率。此外，AI 技术在故障检测和预测性维护方面的应用将极大提高电网的可靠性。实时监测设备状态和性能，AI 可以预测故障发生，减少意外停机。在安全性方面，AI 可以帮助识别和防范网络攻击，提升电网的安全防护。通过大数据分析，AI 还能够帮助电网运营商优化投资决策和维护策略，例如通过分析历史数据和趋势，确定投资最高效的设备升级或维护计划。

5.2 分布式能源资源的集成

随着可再生能源的快速发展，分布式能源资源（DERs）如太阳能光伏板和风力发电机的集成成为电网的重要组成部分。数字化技术在此过程中扮演了关键角色，不仅提供了实时监控和控制分布式资源的能力，还能够优化这些资源的输出，平衡供需。通过智能电网和分布式能源管理系统（DERMS），电网可以更灵活地响应能源市场的变化，提高可再生能源的利用率。此外，集成分布式资源还涉及能源存储技术的进步，特别是电池技术的创新，这对于平衡间歇性可再生能源的输出至关重要。数字化技术还使得用户能够成为能源的“互动参与者”，不仅消费电力，还能向电网供电，例如通过家庭太阳能光伏系统。这种双向能量流动要求电网具备高度的灵活性和智能化控制能力。

5.3 数字孪生技术

数字孪生技术在输变电系统的应用将为电网运营和维护提供革命性的方法。通过创建电网的精确虚拟模型，运营商可以在虚拟环境中模拟和分析电网的行为。这种模拟可被用于测试不同的运营策略、应对潜在的故障情况或优化电网设计。数字孪生还可被用于进行风险评估，例如预测极端天气对电网的影响，从而提前采取措施来保护电网。这种技术的一个重要应用是在电网升级和维护方面，允许运营商在实际改动之前，在虚拟环境中测试不同的方案。此外，数字孪生技术也是培训和教育工作的有力工具，该技术可以帮助新工程师和运营人员理解复杂的电网系统和操作流程。通过这种方式，可以大幅提升电网运营的效率和安全性，同时减少因错误操作带来的风险。

5.4 互联网+智能电网

将互联网技术与智能电网相结合预示着电力系统运营的未来方向。这种融合使得电网不仅仅是能源的输送渠道，更成为信息和服务的平台。通过互联网技术，电网能够实现远程监控、智能化管理和用户互动。例如，智能电表和家庭能源管理系统（HEMS）允许用户更有效地监控和控制其能源消费，同时提供宝贵的数据帮助电网运营商优化电网运行。物联网（IoT）技术在智能电网中的应用将使电网设备更加智能和互联，提高电网的灵活性和响应能力。此外，互联网平台还为能源交易和服务提供了新的渠道，消费者可以更容易地访问能源市场，参与能源交易或需求响应程序。这种参与不仅提高了能源利用效率，还促进了能源市场的健康发展。

5.5 超导材料和纳米技术

超导材料和纳米技术的应用有望根本改变输变电系统的运作方式。超导材料能够在极低温条件下传输电流而无电阻损失，从而显著提高电力传输的效率。尽管超导技术目前仍处于发展阶段，但其在未来电力系统中的应用潜力巨大，特别是在城市密集区域或长距离高压输电线路中。纳米技术在提升电力设备性能方面同样具有革命性的潜力。例如，利用纳米材料可以制造出更轻、更强、更高效的电力设备，如变压器、电缆和绝缘材料。纳米涂层技术还可以用于提高输电线路的效率和耐久性。超导和纳米技术的结合将为未来的电力系统带来更高的效率、更低的能源损耗以及更长的设备使用寿命。

6 结语

新能源的广泛应用为我国电网的发展建设提供了优质资源和机遇，同时也导致电网全方位面临挑战。现阶段在以基于新能源的新型电力系统为中心的输变电数字化发展建设过程中，应该完成基础设备的建设之后，实现数据信息的科学合理应用。基础设施建设能够被视为数据信息的互联互通，数据应用则是结合场景需要不断予以研发和升级，探索科学有效的应用方法，同时在此基础上制定行业规范。