牛慶松, 陳 靜, 亓富軍, 滿 麗, 肖利武, 蘇 超

(國網(wǎng)山東省電力公司臨沂供電公司, 山東 臨沂 276000)

隨著智能終端的應(yīng)用和信息技術(shù)的發(fā)展,電網(wǎng)智能化和萬物互聯(lián)新時代正在逐步實(shí)現(xiàn)。目前,世界各國都已將人工智能上升為國家戰(zhàn)略,其中,美國率先提出了信息物理系統(tǒng)(Cyber-Physical Systems,CPS)[1],融合物理和計(jì)算機(jī)進(jìn)程,將實(shí)時感知、動態(tài)控制和信息服務(wù)等功能應(yīng)用到大型工程系統(tǒng)[2-3]。同時,我國也提出了《中國制造2025》國家戰(zhàn)略,圍繞智能制造、電力裝備等工程和任務(wù),加強(qiáng)信息技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用,全面實(shí)現(xiàn)制造強(qiáng)國的戰(zhàn)略目標(biāo)[4]。十九大報(bào)告特別指出,要加快建設(shè)科技強(qiáng)國、網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國,發(fā)展先進(jìn)制造業(yè),推動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能與實(shí)體經(jīng)濟(jì)的深度融合,提升國家競爭力[5]。

物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)技術(shù)在電力的應(yīng)用已成為新的研究熱點(diǎn)。在物聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展與應(yīng)用的背景下,大數(shù)據(jù)成為基礎(chǔ)性的戰(zhàn)略資源。如何利用大數(shù)據(jù)更好地服務(wù)于智能決策和方向指導(dǎo),也就成為一個至關(guān)重要的因素[6]。文獻(xiàn)[7]通過研究輸變設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù),構(gòu)建信息模型并結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用到狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中,實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)信息的精細(xì)化和可視化。文獻(xiàn)[8-9]以大數(shù)據(jù)應(yīng)用為基礎(chǔ)進(jìn)行分析,對配電網(wǎng)智能的建設(shè)和數(shù)據(jù)深度挖掘,提供了數(shù)據(jù)應(yīng)用思路。文獻(xiàn)[10]把大數(shù)據(jù)分析及挖掘應(yīng)用于配電網(wǎng)運(yùn)行維護(hù)中,分析出各運(yùn)行因素與運(yùn)行維護(hù)指標(biāo)之間的顯性或隱性關(guān)聯(lián)。文獻(xiàn)[11]通過對數(shù)據(jù)處理、邊緣計(jì)算等泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用,為智能配電網(wǎng)建設(shè)提供了具體應(yīng)用思路和場景。文獻(xiàn)[12]探討了5G技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用,為泛在電力物聯(lián)網(wǎng)全面建設(shè)提供了指導(dǎo)。

目前,在配電網(wǎng)中尚未建立一種更加科學(xué)、通用、泛在的智能調(diào)控輔助系統(tǒng),來支撐配電網(wǎng)狀態(tài)深度感知、設(shè)備主動運(yùn)行維護(hù)(以下簡稱“運(yùn)維”)、用戶友好互動等功能以及成功的典型案例,因此本文采用物聯(lián)網(wǎng)、云平臺等多種先進(jìn)的信息化、智能化技術(shù)手段,搭建了智能調(diào)控輔助決策平臺,來更好地提高數(shù)據(jù)的精細(xì)化利用和人機(jī)融合水平。

1 調(diào)控體系架構(gòu)

1.1 設(shè)計(jì)架構(gòu)

以智能配變終端為核心,接入各類智能監(jiān)測模塊、傳感器等設(shè)備信息,基于邊緣計(jì)算物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu),實(shí)現(xiàn)臺區(qū)側(cè)設(shè)備信息全采集。通過在終端部署各種應(yīng)用程序APP對信息進(jìn)行就地處理,實(shí)現(xiàn)主動預(yù)警、本地監(jiān)控、智能決策;部署遠(yuǎn)程視頻巡視、站房環(huán)境監(jiān)測等智能巡檢裝置,應(yīng)用手持移動終端、射頻碼等設(shè)備,開展智慧運(yùn)檢,從而深入開展用戶負(fù)荷監(jiān)測管理,對內(nèi)與計(jì)量表計(jì)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,對外與社會用戶廣泛互聯(lián)、深度交互、對用戶用電設(shè)備的有序管理、智慧服務(wù)、智慧共營。基于物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計(jì)架構(gòu)

1.2 技術(shù)架構(gòu)

基于配電物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)架構(gòu)如圖2所示。配電網(wǎng)的智能管理與輔助決策技術(shù)平臺以電力物聯(lián)網(wǎng)智能芯片、智能配變終端為核心,接入部署在配電臺區(qū)的各類智能監(jiān)測模塊、傳感器、末端感知終端等設(shè)備。對外,通過安全隔離網(wǎng)關(guān)與部署在外網(wǎng)上的公網(wǎng)云進(jìn)行信息交互,獲取移動聯(lián)通運(yùn)營商、車聯(lián)網(wǎng)、手機(jī)移動應(yīng)用等各類信息數(shù)據(jù);對內(nèi),通過各市電力公司配電自動化III區(qū)接口,與配電自動化I區(qū)應(yīng)用進(jìn)行信息交互。

圖2 基于配電物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)架構(gòu)

將臺區(qū)所使用的用電信息進(jìn)行采集,如負(fù)載率功率,無功功率、有功功率、電流等,并進(jìn)行邏輯計(jì)算、分析,上傳到配電網(wǎng)平臺進(jìn)行智能化處理,最后以可視化的方式呈現(xiàn)在供電服務(wù)指揮人員面前,從而為指揮決策提供支撐,實(shí)現(xiàn)臺區(qū)側(cè)設(shè)備信息全采集、主動預(yù)警、本地監(jiān)控、智能決策,并據(jù)此開展主動搶修服務(wù)。

2 輔助決策關(guān)鍵技術(shù)

2.1 多源數(shù)據(jù)的整合、管理和運(yùn)算技術(shù)

通過云平臺的部署應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)了海量數(shù)據(jù)有序存儲、數(shù)據(jù)與應(yīng)用解耦、大數(shù)據(jù)深度處理、上層應(yīng)用微服務(wù)化,并有效支撐物聯(lián)網(wǎng)各項(xiàng)高級功能應(yīng)用。

(1)海量數(shù)據(jù)快速采集 使用物聯(lián)網(wǎng)MQTT協(xié)議+具備自描述能力的信息模型,實(shí)現(xiàn)下層終端設(shè)備的便捷快速接入和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸。

(2)數(shù)據(jù)與應(yīng)用解耦 對采集的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲,并和主站應(yīng)用之間采用Restful API接口消息交互,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與應(yīng)用解耦。

(3)大數(shù)據(jù)深度處理 云平臺的應(yīng)用使得基于大數(shù)據(jù)的配電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)分析成為可能,采用人工智能與大數(shù)據(jù)處理技術(shù),深入分析下層設(shè)備上傳的配電網(wǎng)暫態(tài)運(yùn)行數(shù)據(jù)。

(4)上層應(yīng)用微服務(wù)化 上層應(yīng)用采用微服務(wù)化架構(gòu),實(shí)現(xiàn)按組件升級,而非整體升級替換,可適應(yīng)將來各種新型應(yīng)用的快速部署。

2.2 通信技術(shù)

為滿足新一代配電自動化IV區(qū)云主站與智能配變終端、智能運(yùn)檢終端等邊緣計(jì)算終端間高可靠、低時延、差異化的通信需求,通信協(xié)議采用物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議MQTT+信息模型,通信方式主要有光纖EPON、電力無線專網(wǎng)(LTE-G 230 MHz或IoT-G 230 MHz)、無線公網(wǎng)4G等方式,根據(jù)各邊緣計(jì)算終端的功能定位、通訊需求、現(xiàn)場條件等因素靈活選擇。遠(yuǎn)端通信網(wǎng)構(gòu)架如圖3所示。

圖3 遠(yuǎn)程通信網(wǎng)構(gòu)架

本地?cái)?shù)據(jù)邊緣計(jì)算通信技術(shù),主要滿足邊緣計(jì)算平臺與感知終端單元間的通信需求,通信協(xié)議采用物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議CoAP+信息模型,最大特點(diǎn)是支持即插即用。本地通信網(wǎng)架構(gòu)如圖4所示。

根據(jù)設(shè)備感知終端距離邊緣計(jì)算終端的距離,可以分為兩種情況。

(1)本地網(wǎng)近端設(shè)備接入 這類設(shè)備在邊緣計(jì)算終端的近端,如終端采集器、集中器等設(shè)備,可通過微功率無線、寬頻載波方式通信。

(2)本地網(wǎng)遠(yuǎn)端設(shè)備接入 這類設(shè)備在邊緣計(jì)算終端的遠(yuǎn)端,如通過電纜、導(dǎo)線連接的的低壓分支箱、表箱等設(shè)備,可通過寬帶載波、4G無線等方式通信。寬帶載波通信基于華為LiteOS物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)、集成IP化寬帶載波HPLC/RF通信模塊技術(shù)。

2.3 即插即用智能采集終端技術(shù)

目前應(yīng)用較為廣泛的智能采集終端有低壓臺區(qū)采集終端、用戶側(cè)終端兩種。

(1)低壓臺區(qū)采集終端 臺區(qū)終端具有高速處理器,實(shí)時操作系統(tǒng),集成IP化寬帶載波HPLC/RF通信模塊,集成華為LiteOS物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng),支持向智能配變終端自動注冊,即插即用。適用于低壓開關(guān)柜、低壓分接箱、用戶表箱等關(guān)鍵供電節(jié)點(diǎn),分為傳統(tǒng)電氣量、電氣相關(guān)量和環(huán)境量3類終端,能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時監(jiān)測電氣設(shè)備信息,出現(xiàn)異常時進(jìn)行自動報(bào)警,輔助運(yùn)維人員消缺。

(2)用戶側(cè)終端 分為用戶用電設(shè)備、計(jì)量表計(jì)、電動汽車充電樁、光伏新能源等4類終端。通過終端數(shù)據(jù)采集,實(shí)現(xiàn)用戶內(nèi)部具體用電情況的詳細(xì)感知分析;根據(jù)負(fù)荷情況、電動汽車在充電方面的需要等因素,制定臺區(qū)內(nèi)電動汽車充電管理策略[13];對新能源采集終端查詢下接逆變器的遙信、遙測、故障信息,根據(jù)這些信息判斷逆變器當(dāng)前并網(wǎng)狀態(tài),進(jìn)行有序并網(wǎng)管理。

3 輔助決策系統(tǒng)的應(yīng)用功能

3.1 臺區(qū)負(fù)荷管理與預(yù)測

(1)功率分層分級管理 研究分布式源荷發(fā)電功率、用電功率的分層分級功率預(yù)測技術(shù)以及短期功率預(yù)測誤差的動態(tài)估計(jì)技術(shù)[14]。

(2)新能源有序并網(wǎng)管理 研究新能源采集終端查詢下接逆變器信息并判斷逆變器當(dāng)前并網(wǎng)狀態(tài),進(jìn)行有序并網(wǎng)管理。

(3)電動汽車充電樁有序控制管理 通過采集充電樁相關(guān)信息,結(jié)合負(fù)荷情況、功率限制等因素,制定充電管理方案。

(4)分布式電源負(fù)荷控制和調(diào)節(jié) 實(shí)現(xiàn)接入分布式光伏實(shí)時運(yùn)行數(shù)據(jù)和并網(wǎng)狀態(tài)的采集與監(jiān)控功能。

3.2 區(qū)域電壓優(yōu)化控制

(1)電壓調(diào)整預(yù)先控制 主站通過云計(jì)算對歷史信息進(jìn)行分析,建立過電壓、低電壓預(yù)警機(jī)制,提前采取調(diào)控措施進(jìn)行調(diào)整和治理[15]。

(2)主動調(diào)壓聯(lián)動自律性控制 根據(jù)臺區(qū)實(shí)時電壓數(shù)據(jù)、無功補(bǔ)償裝置的投切情況等,判斷進(jìn)行區(qū)域電壓調(diào)整還是系統(tǒng)電壓調(diào)整,從而得出調(diào)壓策略。

(3)低壓配電網(wǎng)特殊工況的電壓優(yōu)化控制 研究基于多維數(shù)據(jù)以及適用于在線調(diào)度的電壓分析、調(diào)整、補(bǔ)償方法,實(shí)現(xiàn)低壓配電網(wǎng)特殊工況的電壓優(yōu)化控制策略。

3.3 低壓臺區(qū)停電管理

(1)主動感知停電信息 在臺區(qū)范圍內(nèi),對設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測和錄波,包括監(jiān)測各開關(guān)的分合狀態(tài);監(jiān)測各分路的電壓、電流和漏電流情況,分析停電的原因及影響范圍,開展主動搶修[16]。

(2)停電類別及故障就地研判 研究停電用戶的故障和欠費(fèi)判斷策略;準(zhǔn)確判斷停電范圍、故障點(diǎn)和故障類型等,指導(dǎo)低壓故障搶修工作開展。

(3)大服務(wù)數(shù)據(jù)支撐 對停電信息進(jìn)行分級處理,從供電可靠性、臺區(qū)用戶平均停電時長等方面評估臺區(qū)供電服務(wù)水平、設(shè)備運(yùn)行質(zhì)量等,為服務(wù)運(yùn)營、調(diào)控指揮等提供數(shù)據(jù)支持。

(4)與用戶智慧互動響應(yīng)功能 為一線人員自動推送的故障區(qū)間、故障類型等信息并自動生成主動搶修工單推送至配電網(wǎng)移動作業(yè)終端;同時通知相關(guān)用戶并可接受客戶信息反饋。

3.4 臺區(qū)運(yùn)行預(yù)控管理分析

(1)電能質(zhì)量自動調(diào)整 實(shí)現(xiàn)低壓配電網(wǎng)設(shè)備狀態(tài)的自動調(diào)整。治理能力不足時,通過信息傳遞安排搶修力量及時到位。

(2)低壓臺區(qū)電氣設(shè)備運(yùn)行態(tài)勢評估 監(jiān)測電氣設(shè)備的各種狀態(tài)量,積累狀態(tài)量數(shù)據(jù),預(yù)測狀態(tài)量發(fā)展趨勢,提供自適應(yīng)、差異化監(jiān)測方案,并對異常情況進(jìn)行預(yù)警,評價電氣設(shè)備情況。

4 平臺實(shí)際應(yīng)用案例

臨沂供電公司通過前期數(shù)據(jù)的積累,將停電信息、計(jì)劃執(zhí)行與用戶電壓狀態(tài)等接入平臺,對信息優(yōu)化分類、處理,深層次發(fā)掘數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)關(guān)系,并采用多種展示形式,提升配電網(wǎng)精準(zhǔn)化調(diào)度控制和管理水平,滿足配電網(wǎng)從低壓到高壓、用戶到電源、從分布式能源到充電樁的全景化,從而實(shí)現(xiàn)個性化展現(xiàn)與監(jiān)控。

4.1 運(yùn)行承載力分析

臨沂供電公司線路指數(shù)管理綜合分析界面如圖5所示。通過對線路跳閘、接地、非計(jì)劃停電和計(jì)劃停電等信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)合5年歷史數(shù)據(jù)從跳閘頻次、原因、時間分布、累積效應(yīng)等維度進(jìn)行綜合分析,對線路運(yùn)維情況、檢修質(zhì)量等進(jìn)行評估,并以此對線路管理單位提出要求和建議。現(xiàn)已提供線路頻次數(shù)據(jù)125次,優(yōu)化線路停電78條次,縮短計(jì)劃安排時間30%,用戶停電時戶數(shù)同比減少11.3%。

圖5 線路指數(shù)管理綜合分析界面

4.2 周計(jì)劃執(zhí)行情況管理

臨沂供電公司計(jì)劃執(zhí)行管理統(tǒng)計(jì)情況如圖6所示。把業(yè)擴(kuò)全流程管控從時間節(jié)點(diǎn)的一維管控,開創(chuàng)性融合了可開放容量進(jìn)行同步管控,構(gòu)建配電網(wǎng)設(shè)備供電裕度預(yù)測及告警分析模型,通過同步獲取配電網(wǎng)設(shè)備實(shí)時運(yùn)行最大負(fù)荷、額定容量等數(shù)據(jù),及時預(yù)警低供電裕度設(shè)備。上線后周計(jì)劃執(zhí)行率提升12%,準(zhǔn)確提供可開放容量278次,為配電網(wǎng)精準(zhǔn)規(guī)劃、精準(zhǔn)投資提供了數(shù)據(jù)支撐。

圖6 計(jì)劃執(zhí)行管理統(tǒng)計(jì)界面

4.3 低壓用戶運(yùn)行態(tài)勢管控

臨沂供電公司臺區(qū)電壓運(yùn)行分析管控情況如圖7所示。通過建立臺區(qū)電壓精準(zhǔn)調(diào)控和區(qū)域綜合自律控制相結(jié)合的電壓調(diào)整策略,分析所屬變電站與線路、線路與臺區(qū)、所屬線路臺區(qū)與臺區(qū)等縱向和橫向電壓關(guān)鍵因子特征,結(jié)合臺區(qū)負(fù)荷變化情況,計(jì)算臺區(qū)間電壓相關(guān)系數(shù),精準(zhǔn)定向?qū)ε_區(qū)電壓調(diào)整進(jìn)行策略性分析,研判在“站—線—變—戶”不同層級關(guān)系上,進(jìn)行宏觀和微觀對應(yīng)策略調(diào)整?，F(xiàn)已實(shí)現(xiàn)客戶電壓合格率同比提升1.27%,因“低電壓”引發(fā)的投訴數(shù)量比同比下降了12.5%。

圖7 臺區(qū)電壓運(yùn)行分析管控界面

通過設(shè)備狀態(tài)、運(yùn)行環(huán)境、配電終端運(yùn)行、配電網(wǎng)運(yùn)行等信息,采用大數(shù)據(jù)分析,自動發(fā)現(xiàn)配電自動化異常、缺陷及原因,分析統(tǒng)計(jì)設(shè)備廠家、批次情況,對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行預(yù)判預(yù)警,針對性地開展設(shè)備運(yùn)維,實(shí)現(xiàn)運(yùn)維最小化,減輕基層負(fù)擔(dān)。

5 結(jié) 語

本文提出的配電網(wǎng)智能調(diào)控輔助決策平臺,通過主站系統(tǒng)和供電服務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合,實(shí)現(xiàn)了配電網(wǎng)信息交互與數(shù)據(jù)共享,在供電服務(wù)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)向下貫通到配電自動化系統(tǒng)、配電設(shè)備,可即時調(diào)取配電設(shè)備實(shí)時和分析結(jié)果數(shù)據(jù),為供電服務(wù)人員提供全信息數(shù)據(jù)服務(wù),為供電服務(wù)系統(tǒng)搶修指揮提供數(shù)據(jù)與服務(wù)支持?；诖髷?shù)據(jù)和云計(jì)算的分析計(jì)算,引入人工智能輔助決策系統(tǒng),為配電網(wǎng)運(yùn)行與供電服務(wù)提供快速響應(yīng)、處理的手段,進(jìn)一步提升了供電可靠性。通過縮短配電網(wǎng)異常情況的響應(yīng)處理時間,加快搶修人員對客戶的訴求響應(yīng),減少用戶停電時間,縮短客戶訴求轉(zhuǎn)達(dá)時間,提升客戶對搶修服務(wù)效率的滿意程度,從而有效避免了客戶投訴現(xiàn)象的發(fā)生。

目前,該平臺尚處于不斷完善和成熟的過程中,其體系和內(nèi)容還待進(jìn)一步優(yōu)化,伴隨大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的成熟,如何更有效地應(yīng)用相關(guān)技術(shù),實(shí)現(xiàn)高效率、高質(zhì)量的輔助決策,也需要作進(jìn)一步的探究。