網(wǎng)江蘇省電力有限公司淮安市洪澤區(qū)供電分公司 佘曉陽

隨著智能變電站的普及，變電站二次設(shè)備的智能化水平有了很大提升，二次設(shè)備對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要性越來越大。這需要對(duì)二次設(shè)備的運(yùn)行、維護(hù)和檢修提出更高的要求。利用智能化技術(shù)對(duì)二次設(shè)備進(jìn)行全面監(jiān)測和精確消缺，對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的持續(xù)、健康發(fā)展具有重要意義。

與傳統(tǒng)變電站相比，智能變電站在運(yùn)行結(jié)構(gòu)、信息數(shù)據(jù)收集和設(shè)備監(jiān)測調(diào)控方面有很大的不同。智能變電站的二次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，信息量大大增加。由于傳統(tǒng)監(jiān)測檢修方法存在很多問題，因此利用通信測控技術(shù)對(duì)二次設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)檢修尤為重要。二次設(shè)備有大量實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)和歷史記錄數(shù)據(jù)，充分利用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)檢測和故障預(yù)警，可以起到狀態(tài)監(jiān)測和維護(hù)電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的作用。

隨著我國智能化電網(wǎng)的建設(shè)，變電站的建設(shè)也在追隨著信息化、網(wǎng)絡(luò)化的進(jìn)程。智能變電站中二次設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)和檢修在很大程度上影響著電網(wǎng)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。傳統(tǒng)的二次系統(tǒng)的故障檢修策略和計(jì)劃檢修形式面臨著諸多問題，已不能滿足電網(wǎng)的智能化發(fā)展。本文從智能變電站的二次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)出發(fā)，分析了智能變電站二次系統(tǒng)運(yùn)行和維護(hù)的主要問題，提出了一種新的運(yùn)維策略，即狀態(tài)檢修與基于大數(shù)據(jù)的預(yù)知性檢修相結(jié)合的維修策略。這種新型策略不僅可以解決傳統(tǒng)檢修策略的不足，還能為新的技術(shù)發(fā)展留下空間。

1 智能變電站的二次系統(tǒng)及其結(jié)構(gòu)

1.1 智能變電站二次系統(tǒng)

一次設(shè)備是指直接參與電能的生產(chǎn)、輸送、分配和使用的高壓電氣設(shè)備。二次設(shè)備是指對(duì)一次設(shè)備的工況進(jìn)行監(jiān)測、控制、調(diào)節(jié)和保護(hù)，為運(yùn)行人員提供運(yùn)行工況或者生產(chǎn)指揮信號(hào)所需要的電氣設(shè)備[1]。二次設(shè)備按照一定的規(guī)則連接起來以實(shí)現(xiàn)某種技術(shù)要求的電氣回路被稱為二次系統(tǒng)[2]。二次系統(tǒng)是電力系統(tǒng)安全生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和可靠供電的不可或缺的重要組成部分。二次系統(tǒng)的內(nèi)容包括：控制系統(tǒng)、繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置、測量儀表、信號(hào)器具等。智能變電站使一、二次設(shè)備之間的聯(lián)系在一定程度上更加緊密。

1.2 智能變電站二次系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

智能變電站的二次系統(tǒng)采用三層兩網(wǎng)結(jié)構(gòu)?！叭龑印笔侵刚究貙?、間隔層和過程層，而“兩網(wǎng)”是指站控層網(wǎng)絡(luò)和過程層網(wǎng)絡(luò)（圖1）。

圖1 智能變電站二次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

站控層由主機(jī)和操作站、遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)、保護(hù)信息子站和其他各種二級(jí)功能站組成，為操作人員提供智能操作界面。站控層實(shí)現(xiàn)對(duì)全站的監(jiān)視、控制、報(bào)警和信息交換，其主要功能是對(duì)全站實(shí)時(shí)信息進(jìn)行匯總，接受控制命令并轉(zhuǎn)向間隔層和過程層，進(jìn)行人機(jī)交互以及記錄分析變電站故障，是整個(gè)智能變電站的監(jiān)測和控制中心。

間隔層主要由系統(tǒng)測控裝置、在線監(jiān)測設(shè)備和保護(hù)裝置等二次設(shè)備組成。間隔層設(shè)備可以收集匯總本層設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，影響該區(qū)間主設(shè)備的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)對(duì)一次設(shè)備實(shí)施操作控制等功能。間隔層處于站控層和過程層之間的中間層，有助于站控層和過程層之間的快速通信。

過程層主要由智能終端、合并單元和電子式互感器等組成。過程層通過智能組件、智能終端和合并單元將一次設(shè)備和二次設(shè)備結(jié)合起來，其主要功能是采集實(shí)時(shí)電氣量、監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)參數(shù)和執(zhí)行操作控制。

在“三層”之間還有“兩網(wǎng)”。站控層網(wǎng)絡(luò)是站控層和間隔層之間的制造消息規(guī)范網(wǎng)絡(luò)；過程層網(wǎng)絡(luò)是間隔層和過程層之間的網(wǎng)絡(luò)，包括采樣值網(wǎng)絡(luò)和面向?qū)ο蟮淖冸娬就ㄓ檬录W(wǎng)絡(luò)[3]。

2 智能變電站二次系統(tǒng)運(yùn)維檢修的主要問題

智能變電站采用光纖代替?zhèn)鹘y(tǒng)電纜，用數(shù)字信息代替?zhèn)鹘y(tǒng)變電站的模擬信息，使傳統(tǒng)的非在線監(jiān)測電纜轉(zhuǎn)變成在線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。與傳統(tǒng)變電站相比，智能變電站存在三個(gè)問題。

二次系統(tǒng)專業(yè)深度融合，物理電路復(fù)雜性增加。繼電保護(hù)的采樣、計(jì)算和出線在傳統(tǒng)變電站中是一體化的，數(shù)據(jù)信息、保護(hù)對(duì)象和設(shè)備捆綁在一起，操作和維護(hù)簡單方便。智能變電站的設(shè)備構(gòu)成發(fā)生了很大變化，新增加了過程層、合并單元、智能終端、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等，信息量大大增加，二次系統(tǒng)更加復(fù)雜。

智能變電站二次回路不直觀。傳統(tǒng)變電站的設(shè)備是由電纜連接的，二次回路直觀可見。智能變電站用光纜代替了電纜，二次回路變成了虛擬回路。所有的配置情況和通信參數(shù)都包含在SCD 文件中，而SCD 文件不能直接反映二次回路的通信參數(shù)、信號(hào)關(guān)聯(lián)等配置信息，會(huì)給運(yùn)行維護(hù)帶來很大的不便。

二次回路狀態(tài)評(píng)估和故障診斷方法缺乏，故障點(diǎn)無法快速找到。與傳統(tǒng)變電站相比，智能變電站的二次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，二次回路的可視性差，二次回路的狀態(tài)評(píng)價(jià)和故障診斷手段不足。目前，當(dāng)智能變電站出現(xiàn)故障時(shí)，運(yùn)維人員依賴廠家進(jìn)行處理，這嚴(yán)重影響了故障處理的進(jìn)度，影響了智能變電站維護(hù)的安全性。因此，研究智能變電站二次設(shè)備異常的智能診斷很有必要。

3 智能變電站二次系統(tǒng)運(yùn)維檢修的新策略

3.1 狀態(tài)檢修

長期以來，傳統(tǒng)變電站實(shí)行的都是故障檢修和定期計(jì)劃性檢修。除共有的缺點(diǎn)，如檢修目的不明確，缺乏專業(yè)的管理人才和缺乏相應(yīng)的檢修制度之外，這兩種檢修方式各自存在一些問題。故障檢修還面臨著檢修不足的問題，而定期計(jì)劃性檢修則會(huì)遇到設(shè)備狀態(tài)較好的檢修過剩等問題。隨著科學(xué)技術(shù)及智能化技術(shù)的發(fā)展，由傳統(tǒng)的故障檢修和定期計(jì)劃性檢修向更智能化的狀態(tài)檢修轉(zhuǎn)變成為了可能。

所謂狀態(tài)檢修，就是在設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的基礎(chǔ)上，根據(jù)監(jiān)測和分析診斷結(jié)果，科學(xué)安排檢修時(shí)間和項(xiàng)目，亦即在第一時(shí)間對(duì)設(shè)備需要檢修的項(xiàng)目進(jìn)行檢修。智能變電站采用光纖代替?zhèn)鹘y(tǒng)電纜，用數(shù)字信息代替?zhèn)鹘y(tǒng)變電站的模擬信息，使傳統(tǒng)的非在線監(jiān)測電纜轉(zhuǎn)變成在線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。對(duì)二次系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測極大地提高了智能變電站二次系統(tǒng)的可控性，為智能變電站的故障預(yù)警提供了有力的支持。在智能變電站中，運(yùn)維人員通過監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)報(bào)文分析器中的通信報(bào)文獲取二次回路的狀態(tài)，而不是監(jiān)測模擬量。

狀態(tài)檢修的很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)就是對(duì)二次設(shè)備的監(jiān)測。相較于傳統(tǒng)變電站的硬接線、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的信息采集方式，智能變電站不但能夠提供提供比傳統(tǒng)變電站更多的信息，而且信息采集方式也更換成了網(wǎng)絡(luò)采集，其采集的信息主要分為設(shè)備狀態(tài)信息采集、MMS 信息采集、SV 信息采集、GOOSE 信息采集和以太網(wǎng)交換機(jī)信息采集5個(gè)部分，每個(gè)部分還可以細(xì)分為進(jìn)一步具體的信息數(shù)據(jù)采集。

從圖2可以看出，二次設(shè)備狀態(tài)檢修需要采集的信息之多，因此狀態(tài)檢修系統(tǒng)需要具有強(qiáng)大的信息采集能力、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力和數(shù)據(jù)分析能力。隨著AI技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的快速發(fā)展，建立這樣的系統(tǒng)已經(jīng)具備了技術(shù)上的可能性，并且已經(jīng)在一些變電站中投入了使用。

圖2 二次設(shè)備狀態(tài)信息采集圖

3.2 基于大數(shù)據(jù)的預(yù)知性檢修

二次設(shè)備有大量的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)和歷史記錄數(shù)據(jù)，充分利用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)檢測和故障預(yù)警，可以起到狀態(tài)監(jiān)測和維護(hù)電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的作用。如果不對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，則會(huì)造成數(shù)據(jù)混亂，即使監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)故障進(jìn)行了預(yù)警，也有可能不知道哪里出了故障，這就失去了智能化監(jiān)測的作用。因此，智能化變電站里面大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)是必不可少的。大數(shù)據(jù)平臺(tái)與底層硬件設(shè)備的通信接口進(jìn)行通信，監(jiān)測各硬件設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)設(shè)備的故障日志進(jìn)行收集并按不同類別分類統(tǒng)計(jì)。

統(tǒng)計(jì)完成后，將故障數(shù)據(jù)存入大數(shù)據(jù)庫中，并與大數(shù)據(jù)庫中的存量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比和分析，精確判斷出故障點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上制定變電站二次系統(tǒng)檢修計(jì)劃，使得傳統(tǒng)的故障檢修、計(jì)劃性檢修等不精確的檢修行為轉(zhuǎn)變?yōu)榫_性更高的預(yù)知性檢修。

3.3 檢修數(shù)據(jù)的分析

對(duì)二次設(shè)備的狀態(tài)檢修依賴于大量的監(jiān)測實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)包括5大類、24小類。再加上人工檢修產(chǎn)生的文本記錄數(shù)據(jù)，這會(huì)產(chǎn)生大量的設(shè)備監(jiān)測、設(shè)備檢修記錄和缺陷文本數(shù)據(jù)，如果不對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分類和分析，將會(huì)造成數(shù)據(jù)的堆積以及影響二次設(shè)備狀態(tài)檢修的效果。

隨著人工智能、自然語言處理、知識(shí)圖譜等技術(shù)引入到變電站檢修系統(tǒng)中，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)這些技術(shù)在數(shù)據(jù)挖掘和分析方面的工作做了深入的研究。當(dāng)前比較前沿的做法是利用自然語言處理技術(shù)對(duì)歷史檢修記錄和文本信息進(jìn)行處理，使其成為結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)，然后再與系統(tǒng)中監(jiān)測到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)相結(jié)合，將這些數(shù)據(jù)集中到一個(gè)數(shù)據(jù)庫中，然后通過深度學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，形成檢修數(shù)據(jù)的知識(shí)圖譜，使得檢修數(shù)據(jù)以可視化的方式呈現(xiàn)在系統(tǒng)中，以便后面當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到二次設(shè)備異常時(shí)，能及時(shí)與數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，分析故障原因并提出有效的排障措施。

所謂的知識(shí)圖譜是一種知識(shí)庫，其支持從語義角度組織數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，其主要功能是將自然語言和數(shù)據(jù)庫中已有的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，以結(jié)構(gòu)化三元組的方式加以處理，表示為{實(shí)體，關(guān)系，實(shí)體}。三元組通常描述了一個(gè)特定領(lǐng)域中的事實(shí)，由頭實(shí)體、尾實(shí)體和描述這兩個(gè)實(shí)體的關(guān)系組成。例如，{設(shè)備，包含，部件}，其頭實(shí)體是設(shè)備、尾實(shí)體是部件、關(guān)系是包含。構(gòu)建知識(shí)圖譜通常包含五個(gè)部分，分別為知識(shí)抽取、知識(shí)融合、知識(shí)表示、質(zhì)量評(píng)估和知識(shí)推理，其構(gòu)建過程表示為圖3。

圖3 知識(shí)圖譜構(gòu)建流程

綜上，智能化變電站相較于傳統(tǒng)變電站雖然物理電路復(fù)雜性增加，信息量也更加復(fù)雜，但隨著智能化技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)在變電站中的應(yīng)用，平臺(tái)可對(duì)二次系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測內(nèi)容，一旦發(fā)生故障報(bào)警，大數(shù)據(jù)平臺(tái)可立即對(duì)故障進(jìn)行分析，對(duì)照數(shù)據(jù)庫精確找出故障點(diǎn)。當(dāng)前大數(shù)據(jù)平臺(tái)主要是依靠人工智能、自然語言處理、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)，形成電力檢修知識(shí)圖譜，使得檢修數(shù)據(jù)可視化，提升了二次設(shè)備狀態(tài)檢修的效率和精度。這種狀態(tài)檢修與基于大數(shù)據(jù)的預(yù)知性檢修相結(jié)合的新型運(yùn)維策略，提高了檢修的精度，節(jié)省了檢修時(shí)間，提升了電網(wǎng)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。