余 濤，馮 斌，于 波，韋冬妮，何勇萍

(1.國網寧夏電力有限公司建設部，寧夏銀川750001；2.國網寧夏電力有限公司經濟技術研究院，寧夏銀川750001)

在現代社會的高速發(fā)展之下，社會對于電能的需求愈發(fā)多樣化，同時總量也在不斷提升，特高壓輸變電工程具有設備型號種類繁多、監(jiān)測數據復雜、大數據分析數量大、設備狀態(tài)運行環(huán)境多樣等特點，這給特高壓輸變電設備進行在線實時監(jiān)測和可視化控制設備全景狀態(tài)信息帶來很大不利影響。

為了實現國家電網發(fā)展方式的轉變，“三集五大”戰(zhàn)略實施已擺上國家電網的工作日程，造成特高壓輸變電設備維修部門的工作方式發(fā)生了很大改變。隨著生產、生活各個方面對電力需求的不斷提升，傳統(tǒng)的監(jiān)測設備無法滿足要求。所以，要對國家電網實施全面的運行、調度、檢修和控制，就需要一種更為科學的理論和方法，要達到智能國家電網管控的要求還有相當長的一段路程。目前，特高壓輸變電直流輸電設備智能管控還存在幾個方面的問題[1]。

1) 特高壓輸變電設備狀態(tài)的監(jiān)測信息和相關數據比較零散，各個部門設備狀態(tài)系統(tǒng)相對獨立，部門之間的數據很難共享，甚至不同部門之間的數據相互矛盾。

2) 傳統(tǒng)的設備狀態(tài)評估和預測模型無法全面掌握設備真實的實時狀態(tài)和運行情況。特高壓輸變電大數據信息分析的綜合應用能力不高。

3) 通常根據因果分析和數值模型的建立以及設備狀態(tài)信息標準參數來評價和預測設備狀態(tài)情況，然而設備故障機理復雜多樣，運行環(huán)境變化莫測，不夠精確的數據以及設備之間的差異都可能造成輸電設備數學模型和實施運行機理等方面存在缺陷。

近年來，隨著智能電網的建設，智能電網信息采集和管理控制系統(tǒng)逐步完善，而把各系統(tǒng)、各部門產生的多源異構數據進行集中處理，對保證整個電力系統(tǒng)安全運營有著重大意義。同時，構建實時監(jiān)測和可視化管控平臺在線對大數據設備狀態(tài)進行實時監(jiān)測，可以將零散的系統(tǒng)數據作為一個統(tǒng)一的整體來進行大數據狀態(tài)監(jiān)測，從而找到各個狀態(tài)監(jiān)測的聯系。

依托現有技術，完善特高壓直流輸電設備的可視化管控平臺的構建以及跟進設備狀態(tài)的實時監(jiān)測工作，都對保障寧夏境內特高壓直流輸電線路工程運維檢修部門的管理有著切實作用。

1 寧夏境內特高壓直流輸電線路工程輸電設備概況

1.1 靈州—紹興±800 kV工程概況

靈州—紹興±800 kV特高壓直流輸電線路工程作為“西電東送”的重要項目，能夠進一步落實國家西部大開發(fā)戰(zhàn)略，將寧夏寧東(靈州)地區(qū)煤電資源優(yōu)勢轉化為經濟優(yōu)勢，促進更大范圍內的資源優(yōu)化配置，是滿足華東地區(qū)經濟社會發(fā)展電力需求的一項戰(zhàn)略性工程。靈州—紹興寧夏段線路長度為83 km，直線距離74.3 km，地形以丘陵、沙漠及低山為主，線路曲折系數1.14，沿線海拔高程在1 300～1 650 m之間。

1.2 靈州—紹興±800 kV工程輸電基礎數據和檢修管理情況

靈州—紹興±800 kV特高壓直流輸電線路工程冰區(qū)分級為輕冰區(qū)10 mm，風速27 m/s。采用空間地理信息系統(tǒng)(GIS)作為特高壓輸變電道路識別系統(tǒng)。特高壓輸變電設備狀態(tài)在在線監(jiān)測系統(tǒng)的集中監(jiān)控下，設備實時監(jiān)測與可視化管控水平得到明顯提高。寧夏境內特高壓生產管理系統(tǒng)(PMS)可以通過管轄區(qū)域內電網線路的進一步完善、特高壓輸電站站內不同電壓等級電器設備的建立、儀器設備的運行維修管理[2]，檢查電網運行過程中存在的各種不足。

2 技術方案及實施

靈州—紹興±800 kV特高壓直流輸電線路工程路徑受外部制約，線路曲折系數較高，交叉跨越較多，沙漠段需塔基維護，且耐張轉角塔比例高達27%，這些限制條件使得本體工程費用較通用造價方案更高。因此，需要在該路段構建輸變電設備的實時監(jiān)測以及可視化智能管控平臺，確保施工現場工程量的可控、在控[3]，從而有效提高結算質量和效率。

2.1 技術方案

通過構建靈州—紹興±800 kV特高壓直流輸電線路工程輸變電設備的實時監(jiān)測以及可視化智能管控平臺，利用輸電線路和特高壓輸變電設備的大數據分析管理技術、信息成型技術和可視化技術[4]，結合寧夏地區(qū)的地理信息和工程施工信息，使電網生產、管理工作人員在辦公室猶如在設備現場那樣及時掌握電網實時狀態(tài)信息，并做出有效應對。該系統(tǒng)的總體技術方案架構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)業(yè)務架構Fig.1 System business architecture

通過對生產管理信息、地理信息、氣象信息等設備狀態(tài)信息的融通，進而完成構建智能化、系統(tǒng)化和信息化的設備狀態(tài)，基于現有輸變電設備的實際要求，總結得出各個設備狀態(tài)的基礎信息。

1) 施工進度管理

施工進度管理主要是對特高壓輸變電工程進度指標進行實時監(jiān)控，并且用餅狀圖、柱狀圖和折線圖等多維度圖表示監(jiān)控結果。線路工程則細化到各標段每周工程量，結合現場施工圖紙，能較詳細地展現出所處工程的施工進度，并且要保證展現出的施工進度按照原規(guī)劃的施工進度計劃進行，以此實現對施工的主動控制，從而使電網生產、管理工作人員能做出科學決策，實現對工程的全過程施工精度管理。

2) 物資供應管理

物資供應管理主要是指對項目建設過程中所需物資的供應和管理，包括物資的到貨情況、到貨的種類和物資的數量等。因物資供應管理包含的信息量龐大，所以相關部門急需利用先進信息化技術開發(fā)一個物資供應管理系統(tǒng)平臺，借助該平臺使得物資供應全過程都處于嚴密監(jiān)控之下，以便工作人員對各類物資進行供應管理，從而使物資供應的信息化管理水平進一步提高。

3) 索道方案設計

該部分主要將三維可視化技術和虛擬電網數據相結合，利用三維電網數據清晰地呈現出工程施工段的地形地貌，實時提取有效的三維數據。通過對提取出的三維電網數據進行綜合分析，可全面了解該線路通道，進而能夠對已定索道方案提出科學合理的管理方案。

2.2 架構實施

1) 平臺部署情況

實時可視化管控平臺集中部署在國網寧夏電力公司本部機房，智能管控平臺的搭建主要涉及省檢修公司定期檢修、各地市公司子站實時上傳電力數據、電力專線數據網進行數據的實時交互三大部分。而主機房的可視化管控平臺主站是由數據庫服務器、接口服務器、WebLogic服務器、測試服務器和B/S客戶端組成。各地市公司子站由B/S客戶端組成，主要是用來進行電力工程信息的獲取和記錄、電力狀態(tài)的基本評估等。而其均是通過路由器和交換機完成實時交互電子專線數據。模型-視圖-控制器(MVC)是近期普遍使用的一種軟件設計模式，其架構模式如圖2所示。

圖2 Web端架構設計Fig.2 Web side architecture design

2) 平臺安全防護

可視化管控平臺的安全防護主要是由橫向物理隔離裝置、縱向加密認證裝置和通用安全防護設備組成[5]。橫向物理隔離裝置能夠保證大數據的可靠傳輸和有效隔離；而縱向加密認證裝置則保證實時大數據在縱向傳輸的安全；通用安全防護設備用于實時監(jiān)測網絡流量和行為，并及時對黑客的惡意攻擊、網絡病毒的擴散等異常進行行之有效的防護。

3) 數據跨平臺抓取

實時可視化平臺進行特高壓輸變電設備狀態(tài)監(jiān)測時需將多個系統(tǒng)橫向集成，對有效數據進行整合分析以便取用。就目前技術發(fā)展階段而言，有效數據包括生產管理系統(tǒng)(PMS)數據、氣象系統(tǒng)數據、空間地理信息系統(tǒng)(GIS)數據、調度自動化系統(tǒng)(EMS)數據、在線監(jiān)測系統(tǒng)數據和視頻監(jiān)控平臺數據等。

4) 清洗與多源異構數據融合方法

由于大數據時代的來臨，數據信息凸顯出來源廣、形式各異、類型多樣的特點。故而在進行數據的質量管理之前，需要對數據進行深度處理和清洗。數據清洗主要是將相同類型的大數據集中處理進行監(jiān)測和分離噪聲，并且需要進行關鍵特征值的監(jiān)測和填補。

5) 平臺數據的存儲和分項檢索技術

根據寧夏輸變電工程信息存儲的特點，分析平臺的多源異構數據主要存儲在分布式文件中[6]，分布式文件存儲技術能夠滿足大數據管理平臺的存儲要求，其存儲信息的類別主要包括：設備狀態(tài)運行信息、在線監(jiān)控信息、各種氣象數據以及各部門之間的業(yè)務信息。

大數據集成分析平臺一共分成三層，首先是設備狀態(tài)感知層，其次是網絡層，最后是設備分析應用層。設備狀態(tài)感知層作為第一道門戶，它的主要功能是歸納分析來自不同方面的基礎數據，并對其進行處理；網絡層主要用于基礎數據的在線傳輸；設備分析應用層主要是對采集和傳輸的數據進行評價分析，最后根據這些數據信息做出有效決策。

6) 基于大數據的特高壓輸變電設備評估模型及處理方法

當前，寧夏國家電網公司特高壓輸變電設備現有的狀態(tài)評估方法主要是針對各種監(jiān)測設備[7]，忽略了設備運行狀態(tài)、設備工藝等差異，準確性和目的性較低。因此需要構建基于大數據的特高壓輸變電設備評估模型及處理方法[8]，重點開展差異化設備狀態(tài)模型的建立和快速評估方法的提出等方面的研究。大數據平臺成效評估指標體系如表1所示。

7) 基于多維展示平臺的電網信息全景可視化

本文介紹的特高壓輸變電設備狀態(tài)的可視化功能和實時監(jiān)控的智能管控平臺，使用在線監(jiān)測系統(tǒng)獲取實時信息，并將種類繁多、數量龐大的各類信息進行有序分類，消除了各專業(yè)之間存在的信息壁壘。電網信息全網可視化打造了一個實時、全景、可控的信息平臺，可提高設備狀態(tài)監(jiān)測管理水平，進一步實現智能化管控。

表1 大數據平臺成效評估指標Tab.1 Big data platform effectiveness evaluation system

3 構建現代化信息管控平臺

配電網信息管控平臺作為信息傳輸節(jié)點，它將設備狀態(tài)信息、能源信息等收集起來并加以整合分析，最后將分析結果通過節(jié)點傳送到智能調度中心。配電網信息管控平臺是連接智能調度、智能變電站和智能用戶端的樞紐，同時它也是信息傳遞的平臺，能夠保證信息的實時性與準確性，為網絡通信提供了便利。其功能如圖3所示。

圖3 配電網信息管控平臺網絡信息節(jié)點功能圖Fig.3 Function diagram for network information node of distribution network information control platform

3.1 設備狀態(tài)實時監(jiān)測

國家電網設備狀態(tài)實時監(jiān)測包括：視頻監(jiān)控圖像、在線監(jiān)測數據、設備實時缺陷數據、預警告警數據。該分析模塊的功能是顯示系統(tǒng)中設備狀態(tài)的詳細規(guī)模、設備運行的信息數據[9]。系統(tǒng)總體架構如圖4所示。

3.2 設備缺陷數據分析

對設備缺陷的數據分析可以有效減輕生產管理人員對設備缺陷狀態(tài)分析的工作量，這項功能可實現設備缺陷數據的可視化分析統(tǒng)計，并且可通過實時可視化管控平臺找出設備缺陷的一定規(guī)律，對接下來設備的運行維修起到指導作用。設備的缺陷數據分析主要包括：缺陷狀態(tài)的統(tǒng)計查詢、快速定位設備的缺陷部位、設備缺陷狀態(tài)的綜合分析、缺陷狀態(tài)發(fā)展規(guī)律的統(tǒng)計分析、設備缺陷率的統(tǒng)計分析。

根據生產管理規(guī)章制度的要求，為了優(yōu)化電網的管控結構，提高管控環(huán)節(jié)的運行效率，可視化智能管控平臺以其強大的設備狀態(tài)信息數據庫為支撐，可以提供生產管理日常工作報表和工作總結，從而提高國網公司生產管理的工作效率。

圖4 監(jiān)測系統(tǒng)結構示意圖Fig.4 Schematic diagram for monitoring system structure

3.3 特高壓輸變電設備故障綜合診斷

故障綜合診斷抓住了設備運行狀態(tài)這一重點，圍繞這一重點進行故障診斷、狀態(tài)評價、風險評估、壽命預測等相關工作。特高壓輸變電設備故障綜合診斷是對發(fā)生故障預警的設備進行健康狀態(tài)綜合診斷，并根據診斷結果提出檢修方法或者更換建議。采用設備狀態(tài)診斷方法找出設備發(fā)生故障的部位，采用設備故障綜合診斷方法分析設備出現故障的原因，作為故障部位處理和恢復的依據，并提出合理對策[10]。故障診斷工作的主要內容包括閥值分析、專業(yè)數據分析和趨勢分析。

3.4 設備電網技術分析

電網技術監(jiān)督報告模塊主要是為現場管理工作人員提供專業(yè)指導，讓使用者對設備實時狀態(tài)進行了解和落實。該模塊主要由技術監(jiān)督報告、反措條款維護、投產監(jiān)督報告組成。

3.5 設備屬性綜合分析

設備屬性綜合分析模塊是對同類型設備狀態(tài)進行分析，包括設備規(guī)模統(tǒng)計、運行指標統(tǒng)計、運行年限統(tǒng)計、設備制造廠家統(tǒng)計和設備型號統(tǒng)計。該模塊是對各種特高壓輸變電設備指標、狀態(tài)、運行情況的數據進行綜合分析，為生產管理提供理論依據。設備屬性綜合分析主要的功能模塊包括單位設備統(tǒng)計、設備廠家統(tǒng)計、設備投運年限統(tǒng)計、設備類型統(tǒng)計、設備資產歸屬統(tǒng)計、設備類型特性統(tǒng)計。

3.6 試驗數據深度挖掘

當前，工程設備實時狀態(tài)的測試數據是最有效的參考依據，對智能管控平臺系統(tǒng)存儲的大量基礎數據進行深入分析和研究，利用數理統(tǒng)計方法對設備實時狀態(tài)進行數據化并得到相應的物理方程，從而實現實時狀態(tài)可視化，并進行有效的預測?；A數據的深層次研究包括試驗數據實時狀態(tài)查詢分析、試驗數據實時狀態(tài)前景分布、試驗數據實時狀態(tài)發(fā)展變化規(guī)律、試驗數據實時狀態(tài)有效性統(tǒng)計。

4 應用實例

大數據在配電網中主要應用于停電管理和修復損傷評估、負荷預測、設備運行效率評估、低壓配電網絡分析、故障定位、可靠性評估、故障原因識別、配電網自動化重構、分布式能源分析、網絡拓撲和相位連接分析等方面。下面以銀東線輸電為例，說明大數據在輸電線路中的應用。

4.1 總體技術方案

通過生產管理信息、在線狀態(tài)監(jiān)測、即時氣象信息等，及時掌握配電網的實時狀態(tài)，根據線路維護的實際需要，深入挖掘分析基礎數據，實現狀態(tài)評價的智能化、信息化、專業(yè)化和互動化[11]，做出系統(tǒng)的分析報告，從而做出最優(yōu)決策?？傮w技術路線如圖5所示。

銀東輸電線路對大數據管控的應用，為相關部門建立了一個實時、多元、可視化、智能化的信息管控平臺，對具有不同功能的數據進行嚴密監(jiān)控，通過對這些數據的深入分析與評估，能夠有效防范運行風險，提高突發(fā)事件的應對能力，從而使管理人員能夠針對相應問題提出最優(yōu)決策。

圖5 總體技術路線Fig.5 Overall technical route

4.2 硬件架構

在現有技術的可操控范圍內，借助集中式部署,在常規(guī)管理協(xié)調模式下，保證可視化管控平臺能夠實時管控監(jiān)測平臺主站數據，使省檢修公司與各地市公司子站電力數據得到有效利用。

主站的構成劃分明確，依據性能特點，其細部劃分為數據庫服務器、WebLogic服務器；依據具體操作環(huán)節(jié)所需劃分為接口端服務器、測試服務器和B/S客戶端。在操作過程中，根據客戶端所獲數據以及歷史存儲的數據開展對數據的實時收集，其依賴于數據庫服務器的性能。而對于接口服務器，也進行了技術革新，選用GIS、PMS、調度SCADA打破了平臺局限，實現了跨平臺對數據的收集與快速處理。

在主站基礎之上，子站也配備優(yōu)良，它的主體系統(tǒng)是由B/S客戶端連接而成，該客戶端主要用于有關電力工程方面的信息收集以及信息的實時發(fā)布，同時還發(fā)揮著設備臺賬信息情況的數據記錄、電力工作情況及狀態(tài)的大致監(jiān)測反饋等作用。

電力數據網則是為主站和子站間的信息交互提供通信平臺。

傳統(tǒng)的數據管控很難將分散的基礎數據和獨立系統(tǒng)不同格式的數據統(tǒng)一起來，而銀東輸電線路采用大數據管控架構的可視化管控平臺，為信息交互提供了一個平臺，能夠實時有效地提取各類信息；同時，可視化管控平臺可以避免數據相互矛盾，保證數據的準確性，從而能夠對數據進行多維度分析與挖掘。

4.3 軟件架構

進一步研究可視化管控平臺，它通過數據交互總線或中心跨安全區(qū)與相關系統(tǒng)進行松耦合集成，系統(tǒng)集成框架示意圖如圖6所示。

圖6 輸變電狀態(tài)可視化智能管控平臺軟件架構圖Fig.6 Software architecture diagram for intelligent control platform for power transmission and transformation status visualization

該平臺能通過可視化技術顯示輸變電設備狀態(tài)，充分利用現有數據來提高生產信息系統(tǒng)的廣度和深度。以往信息不全、不一致、出現實時差異的問題，將通過可視化平臺的建立得到有效解決。

相較于銀東線的±660 kV輸電而言，靈州—紹興線的±800 kV特高壓輸電覆蓋范圍更廣、輸電量更大，它首次使用了1 250 mm2的大截面導線。這種導線應用于電力輸送可大幅度提高電力線路的輸送功率、降低線路損耗，但同時也對施工機具的選擇、技術方案的編制以及生產管理等方面提出了更高的要求。因此，大數據在靈州—紹興輸電線路的應用能夠使現有的管控平臺更加完善，從根本上實現平臺的精細化管控。

5 結 語

本文通過研究具有精確狀態(tài)可視化、大數據信息集成化、管理一體化等眾多優(yōu)點的特高壓輸變電設備狀態(tài)智能管控平臺，構建特高壓直流輸電線路工程大數據跨專業(yè)、跨地域的應用體系，消除了個別設備實時狀態(tài)“信息孤島”現場，彌補了單個監(jiān)測系統(tǒng)存在的信息不全、信息實時狀態(tài)差異，有效提升了設備實時監(jiān)測和可視化管理水平。同時，靈州—紹興±800 kV特高壓直流輸電線路工程的建成也為昌吉—古泉±1 100 kV特高壓直流輸電線路工程的工程造價管理以及大容量、遠距離、跨區(qū)輸電的實施提供了靈活有效的方法。