人工智能环境下智慧变电站发展研究

2020-01-06武生锋

通信电源技术 2020年13期

关键词：变电站人工智能智慧

武生锋

（国网山西省电力公司孝义市供电公司，山西吕梁 032300）

0 引言

作为现代科技发展的重要方向之一，人工智能技术对于各项技术的发展有着良好的推动作用，如其应用于电力行业所诞生的一个重要产物是智慧变电站。

1 案例分析

以山西某智慧变电站为例，在其智慧化改造过程中实现了对保护单元、测量单元、控制单元、计量单元、检测单元和通信单元等多个单元的智能化改建。该智慧变电站的配置如下：（1）主变压器，由有载调压、自冷式三相两卷有载调压变压器构成；（2）110 kV设备，该设备的参数由短路电流决定，其中设备额度开关电流40 kA，动稳定电流峰值100 kA，设备类型为H-GIS内置组合式。

该智慧变电站的在线监测功能通过馈线开关、图像监视、安全报警、火灾报警等系统实现。上述系统投入应用后，可于调度侧全方位掌握变电站运行情况。智慧变电站引入了安全稳定的UNIX操作系统，这种操作系统可操作性强、界面交互优异，具备扩展与开发功能。该监控系统具有遥测、遥信、遥调以及遥控等方面的功能，可以完成同调度通信中心之间的信息交换，支持电力系统的调度和稳定运行。

2 人工智能环境下智慧变电站发展现状

在人工智能环境下智慧变电站的建设上，国外一些国家存在很大优势，如西门子、ABB等企业已经取得突出成绩。例如，ABB公司研发的GIS设备，拓展了二次设备实用性，实现了智能互感器以及智能断路器集成化，实现了对电力系统的全面监控和保护[1]。我国人工智能和智慧变电站发展起步较晚，目前我国经过翻译AEC61850系列标准，进一步研发IEC61850系列标准系统，实现了智慧变电站的功能组合及硬件集约，进一步拓展变电站性能。在现行标准下，我国智慧变电站包括变电站层、过程层及间隔层，并通过互联网实现了连接。但我国在人工智能和信息技术发展上突飞猛进，在智慧发电站的开发和建设上取得了突出的成绩，建设了全球范围内首座最高电压等级的智慧变电站，为我国智慧变电站发展奠定了良好的基础。

在电力体系中，人工智能与电力系统之间的结合，可以进一步提升电网系统运作的智能化水平，不仅可以全方位提升电力输送、电力配送和调配等环节的工作效率，而且对于一些具有较高危险性的电网管理工作，可以有效保障工作人员的安全。现阶段，电网系统与人工智能技术的结合主要表现在人工神经网络、遗传算法、专家系统及模糊控制等方面，这些技术更加适用于我国的电网分布与电力调配[2]，显著改善电网管理的复杂化操作，维护电网运行安全，降低电力层面的投入风险与资源成本。在变电站建设过程中应用人工智能技术，可以通过图像识别、语义分析处理技术来完成对原始资料的分析与解读，包括变电站工程规模、设备选型、布置方案、站址坐标及负荷条件等内容，并可支持技术人员完成变电站设计和规划，进一步提高智慧变电站建设质量和进度。

3 人工智能环境下我国智慧变电站发展趋势

我国社会经济快速发展，对于电力系统的需求进一步提高，对智慧变电站的建设提出了更高的要求。目前，智慧变电站建设占地面积过大，功能分区模糊，建筑结构多采用砖混结构，施工周期长等，均影响了智慧变电站的发展。例如，武汉未来城建设智慧变电站，虽然考虑了施工周期、施工成本、占地面积及设备优化等问题，但是仍然存在一定弊端，如在后期扩大规模、功能分区上存在一定困难。因此，未来建设智慧变电站需进一步创新技术路线和设计思路，形成实用性更强的设计方案。近期智慧变电站建设将朝向以下目标发展：（1）优化变电站结构，积极建设集成化电力体系，不断融入先进设备，形成兼具经济环保和集成调控优点的智慧变电站；（2）融合高度智能化变电设备，引进交互性强的测控技术，以实现便捷高效的运行目的；（3）优化模块化设计，为后续施工、扩大规模、安全维护奠定基础。

另外，随着科学技术的发展，今后在人工智能环境下，我国智慧变电站应用电网智能化、数字化技术，将改变电网传统生产、管理和运营模式，让电力的运行输送变得更加精准；远程智能巡检系统可替代传统的人工现场巡视，将原有30天周期的人工全面巡视升级为每天的远程在线与机器人联合巡检，有效提升巡检质效，使电网管理工作得到简化，实现整体管理质量的提升。

4 人工智能环境下智慧变电站的主要特点

4.1 技术特征

作为应用了多种先进技术的输变电工程，智慧变电站投入应用后，其最为明显的技术特征为通信信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化。其中，通信信息数字化主要表现在智慧变电站投入使用后，其所采用的隔离开关及断路器等设备都可以通过智能终端的装设来实现高灵敏度操作。而结合对电子式电压、电流互感、继电保护装置的应用，能实现对相关数据的精准测量与双向通行，并基于5G网络的应用来实现对信息的传输与管理，使变电站运行过程中数据的采集、传输、分析与处理均能实现数字化处理。以110 kV变电站为例，使用SDH光传输设备实现了信息系统的数字化处理，可以在隔离开关、断路器等设备中安装智能终端，来完成对变电站设备运行数据信息的采集及相关操作命令的准确执行。

而在通信平台网络化的影响下，变压器设备运行数据的传输是基于先进的通信网络平台实现的，并结合标准化的通信设备和冗余技术的应用，使设备的运行更加可靠与稳定。在通信平台网络化环境下，电子电压互感器、电流互感器、断路器、隔离开关等一次侧设备在运行过程中所采取的数据可以经过通信网络直接实时发送到测量、保护、故障、录播等二次装置中，使智慧电网运行时的数据共享得以实现[3]。同时，随着5G网络技术的应用，智慧变电站可以利用大数据分析，更加高效、保质地完成对自身的检查与诊断，从而帮助相关人员及时采取措施进行故障修复。在智能与网络环境下，不仅可以实现信息共享，而且可以推动智能网络标准化建设。智慧变电站投入运行后，线路保护测控装置、主变保护测控屏、时钟同步屏、10 kV线路保护测控装置、故障录波器屏等采集终端均能按照统一的标准采集储存数据，从而使测量数据更加完整、格式统一，为信息共享奠定基础。在信息数据访问接口上，智慧变电站配置了标准化数据处理平台，实现了实时数据共享。

4.2 结构设计

在建设变电站一体化监控系统的过程中，结构设计需实现设备统一接入、存储、管理、状态监测和计量等，使智慧变电站的在监视、操作、控制、综合信息分析等方面所具备的功能优势得到充分的发挥，并为主站系统提供一体化操作与访问服务。对于案例变电站而言，其在利用人工智能实现自身的智慧化建设过程中，在监控系统上所采取的结构为单以太网结构。该结构由站控层、间隔层及网络层等构成。并且其网络层所使用的设备一般为具有多模光控的工业级以太网交换机，数据传输介质则需要根据不同的情况来进行选择。比如，在同一预制仓中，应选用超5类屏蔽双绞线，而出预制仓要经过户外电缆沟或电缆竖井时可以选用多模非金属光缆。

在该案例项目中，其监控体系建设载体标准为DL/T860，将变电站设备按照站控层、间隔层及网络层划分，利用网络实现点对点的精准调控。其中，站控层主要包含工程师工作站、数据服务器以及数据采集等系统，由监控主机、数据通信网关机、图形通信网关机、综合应用服务器、PMU数据集中器及计划管理终端等设备组成[4]。间隔层主要包括电气单元配置的I/O测控装置、主变高低压侧以及公用单元所单独配置的测控装置，同时设置有继电保护装置、测控装置与故障录波装置、网络记录分析等二次子系统。基于上述设备划分，在网络结构设计过程中，需合理设计站控层网络、过程层网络以及间隔层网络间的逻辑关系，站控层网络主要为间隔层设备与站控层设备之间实现连接后所形成的网络，其主要承担的为站控层与间隔层之间的数据信息传输[5]。而间隔层网络的作用在于实现对间隔层设备之间的通信，并使自身层面能与站控层网络之间形成一种有机的连接。过程层网络与站控层网络接近，其应用是为了实现自身设备与间隔层设备之间的连接，并完成数据信息的相互传输。此外，在构建网络结构的过程中，应注意在人工智能技术的应用环境下，智慧变电站全站通信网络往往是基于高速以太工业网所构建的，使得其在以DL/T860为主要标准的前提下，需要确保传输的宽带在100 Mb/s以上，而且在实现中心交换机联结的过程中其数据端口应为1 000 Mb/s，使相互之间的联结效果得到保障。

4.3 关键技术

传统变电站由于系统配置相对独立，存在信息孤岛，无法适应电网的复杂化运行。融入人工智能技术后，变电站得到升级优化，解决传统变电站的弊端。电力物联网构架“智慧脑”，借助人工智能技术，智慧变电站将会越来越“聪明”。智慧变电站建设是国家电网公司发展新型基础设施建设的重点项目之一，是以智能电网和能源物联网为基础，以物联网、大数据、人工智能等新技术为支撑，对现有的变电站试点开展智能化、数字化转型升级。在智慧变电站转型升级过程中，可实现运行保护系统与设备监控系统的统一组网，直接采集智慧变电站的数据，并利用无线智能互联传感器、高清摄像头等，实现数据远距离传输，全面获取全站设备状态和站房环境信息，感知变电站运行状态。同时，借助人工智能技术，智慧变电站可利用大数据开展机器学习，经过反复训练不断修正“错误”、提升“脑力”，结合人工智能的图像分析识别技术，智能识别异物搭挂、锈蚀、渗漏油等，及时发现设备异常。

案例变电站通过新增加1套SDH光传输设备、PCM及综合配线架，实现了光缆完成替代电缆，从而结合电子式电流、电压互感器的应用，从源头消除通信干扰问题，并使数据的传输更加可靠。在整体设计上，案例变电站采取了具有开放式特点的分层分布式网络结构，实现对了系统结构的优化与简化，并通过统一建立模型与网络，共享数据信息，配合DL/T860通信标准的应用，使变电站的站控层、间隔层等方面执行结构得到了简化，使装置集成的总体效果得以保障。完成升级后，案例智慧变电站具备如下功能：设备状态“全面感知”、倒闸操作“一键顺控”、设备异常“主动预警”、全部巡视“机器替代”、人员行为“智能管控”以及主辅设备“智能联动”等。