面向新型电力系统的智慧全息变电系统研究与设计

袁敬中，王守鹏

(国网冀北电力有限公司经济技术研究院，北京 100038)

0 引言

近年来，新技术的发展和电网安全运行新要求有力驱动电网企业创新发展，建设特高压电网、智能电网、能源互联网等[1-2]取得了创新成果；同时，由于电网发展和供电需要，建设了智能变电站、智慧变电站、新一代变电站等[3-4]，通过这些新技术的实践，为后续变电系统高质量建设奠定基础。随着强人工智能[5]、大数据[6-7]、万物智联[8]、数字孪生[9-10]等技术的飞速发展，强力推动新型电力系统、新型电网和新型变电系统建设。特别是变电系统更需全感知、全测量、全智慧，一二次深度融合，设备层、网络层、站级层一体化。

为了推动新型变电系统构建，本文提出智慧全息变电系统概念，在规划设计、设备选择制造、工程建设、运行维护等全过程创新，明确其宏观功能框架及智慧大脑核心特征，从而为变电站的顶层智慧业务应用和智慧管控平台建设提供指导思想。最后，从工程应用角度，探讨智慧全息变电系统的应用展望。

1 智慧全息变电系统概念与内涵

新型电力系统建设，需要创新理论、更新理念，加速技术迭代[11-12]。新型变电系统建设是新型电力系统建设的坚强支撑，以“智慧、融合、自主、绿色”为原则，综合应用人工智能、大数据、数字孪生等全新理念和技术，从电网全寿命周期考虑，构建新型系统。

1.1 基本概念

智慧全息变电系统是一个颠覆原有电网规划设计、设备选择、建设维护等传统理念的新型系统。面向系统侧，运行方式灵活、控制智能高效；面向站端侧，设备设施全智慧、状态全感知、网络全融合、执行全自主。以全智慧、高融合理念为基础，从多维度构建感测、控保一体化，采集流、信息流、控制流融合，采集网、信息网、控制网、传输网合一，本体、就地、远端、系统控制与保护合体，形成万物智联；具有自启动、自运行、自诊断、自维护、自控制、自管理等功能，实现自主运行、控制与维护的新型变电系统。

1.2 核心内涵

从系统集成创新理念出发构建智慧全息变电系统，每个元件智能，系统、站域、设备设施内外全透明、状态全管控、信息全可视。变电站设计演变成能源交换节点或能源路由器，具有多形态、多层次、多种类能源接入和交换功能[13]。

1)规划设计新需求

从新型电力系统建设对电网新要求出发，以系统多维度整体规划设计变电系统。系统应高度智慧化、网络化、自动化，具有可靠高效、交互性强；以系统自主运行、控制、分析、维护为主，人工检查、判断、协调、恢复为辅。充分考虑新需求与安全、发展、建设、生产、经济等主要关系，以求得最佳经济效益；充分考虑各级电网的可靠性，选择合适的系统接入方式和灵活的主接线，达到各级电网聚合功能最优；从上到下和由下到上，双向开展系统规划设计，使整体系统相互协同功能强大，运行可靠，事故灵活互济，形成坚强可靠网络系统；设备、网络、功能等高度聚合融合，具有自主、强智能等功能。

2)设备设施全智慧

新“反措”的执行，使变电站中设备种类较多、系统繁杂，造成设计、采购、安装、调试、维护等很不方便[14-15]，急需进一步融合和优化，全站形成开关类、线圈类、补偿类、系统控制保护与通信类、辅助类等较少集成类设备。

采用先进设计、制造、调试等新技术，让电网设备一二次一体化，保护、控制与自动化设备一体化，辅助安防等设备全部集成。赋能每类设备，成为智慧体，一二次功能集于一身，自身所有采集、自检、诊断、运行、保护和控制、维护等功能自行完成；除供电外，对外只有一个网口与系统相联系，输出单方向模拟采集信息、双方向控制信息、本体状态信息等。全站智慧体集成为智慧集群，完成全部运行、保护、控制、自动化、信息、通信、维护等功能。如图1所示，重构优化后，设备种类M远小于传统种类N，性能大大提升。

图1 智慧群图

变电站设施赋能，通过本体与站域控制中心系统互联互通，使状态全感知，成为智慧体。按照电力系统运行要求，在变电站进出线及母线设置潮流控制器，进出线潮流控制器与断路器设备融合。通过定义潮流控制器，灵活改变运行方式，构成柔性主接线，实现柔性电网运行。设备以插接方式接入，主要设备、辅助设备、建筑物、架构、金具等状态全感知，具有自检、它检功能；元件状态、母线潮流、电流方向大小均感知，构成真正意义上的智慧全息变电站。

3)网路全集成

从变电站全局角度，对站内全部网络进行整合和优化[16-17]。采集网、信息网、控制网、传输网等网络一体化，构成统一的共享数据网，采集流、信息流、控制流按照定义有序流动，具有自适应、自愈功能。全站设备形成一个智慧体，实现类电脑功能，设备通过网口接入共享数据网，完成互联互通功能，实现全部信息的交互，如图2所示。

图2 多流融合图

4)测量、保护与控制全自主

本体、就地、云端和系统保护相结合，以系统保护为主。每个元件是智慧体，各自完成模拟量采集、评估、判断、分析、保护、诊断等功能。全站冗余设置两台智慧大脑，顶层完成数据收集及处理、系统保护、信息传输、分析与控制、电量采集、计算等需要系统完成的功能。站所有功能通过感知保护、感知控制、感知测量、感知调度自主完成。系统具有自启动、自运行、自诊断、自维护、自控制、自管理等功能，如图3所示。

图3 设备智慧群融合功能

5)设备及系统全定义

系统、区域、就地，点面集中分散构成全息变电系统，以区域、就地为主，系统协同管理。全部智慧体通过逻辑算法自动智联构建变电系统，能自动修正错误。设备通过软件定义灵活实现相关功能；系统通过软件定义，灵活实现主接线及系统网络，便于灵活可靠运行。数据流也可以按照定义流动。如图4所示。

图4 灵活定义

1.3 核心应用功能

新技术的融合发展是电网规划设计颠覆性革新，推动变电设备及系统深层次质的变革[18-19]，智慧全息变电系统具备灵活可靠运行、状态全息感知、精准全程控制、量化全态评估和智慧全景交互五大核心应用功能。如图5所示。

图5 智慧变电全景系统核心功能

1)灵活可靠运行。从系统整体和本体安全可靠多维度出发思考规划设计电网。各层级电网多维度系统顶层设计。正常运行潮流均衡，事故状态支援灵活，各种工况运行稳定可靠，灵活定义网络。各站主接线柔性设计，合理设置母线控制器，根据运行需求，实现灵活组合和方式改变。研发各类柔性主设备，适于各类能源灵活接入和输出。实现灵活软件定义系统、定义设备功能、定义设备运行方式等。

2)状态全息感知。设备设施运行潮流数据和本体的状态信息实时感知，包含各类社会、气象等与变电站直接或间接关联的环境信息感知等；从信息角度来说，设备设施是信息透明体。实时数据映射到孪生体上，全息感知，全过程监控、判别、分析等。

3)精准全程控制。设备设施是保证电网安全运行重要设备，建立变电站全程精准控制的数据模型。正常情况下，按照指令或程序、算法自主完成电网正常运行操作。在事故情况下，设备设施自主、自动智能判断和处理，完成事故状态下全部紧急处理工作，并完成事故分析及恢复正常运行状态。

4)量化全态评估。建立综合反映设备设施全寿命周期状态指数的动态量化评价指标体系，直观、精准掌握管理设备设施的真实运行态势。采用基于物联网的多源时空信息统一融合技术[20-21]，从电网、设备、设施、环境等多角度出发，实现设备设施状态的精细化量化自评估、自检查、自诊断、自维护和自恢复及健康状态实时管理。

5)智慧全景交互。构建数字孪生体，将全息虚拟现实、现实场景、运行状态等全息异构数据以数字孪生方式统一到站端系统，建立统一的智慧交互接口，实现系统运行状态和设备监测多形态数据的一致性交互，通过孪生体运行与健康管控实现对实物精准管控。采用先进的计算机视觉、多屏互动和语音交互、3D+VR(three dimensional + virtual reality)、AR(augment reality)等多元化人机交互技术，实现沉浸式智慧灵活交互，提高运维人员对变电站运行状况的深刻认知与掌控能力。

2 智慧全息变电系统架构

2.1 功能架构

智慧全息变电系统将是新型电力系统发展的新形态，功能架构如图6所示。

图6 智慧全息变电系统功能架构

1)智慧感知层

智慧感知的目的是通过遍布全站的智慧设备和传感器构建全站物联感知网，实现全部物体可测量、可感知、可识别、可定位和可控制。智慧感知层主要是单体或单元感知，感知包括环境感知、设备状态感知、土建设施感知等，仅有单一传感功能。智慧感知是属于物联网范畴，覆盖面更广、颗粒度更细、更精深的感知[22-23]，范畴包括生产控制领域和管理信息领域。生产控制领域的感知是所有设备自身智慧，全部状态可感知，现场多类网络融合，为控制系统提供丰富的设备状态、管理和诊断数据信息，并通过共享网络上传状态信息。

2)智慧设备层

智慧设备层是从智慧变电系统理念出发，综合整体一体化设置配置设备，主要有感测、控保、一二次一体化设备等，合理优化设备配置及功能，每套设备具有综合智慧功能。智慧设备层是在智慧感知层的基础上，对设备进行全方位监测管理，并将关键状态参数、设备状态信息及环境数据转换为数字信息，对其进行实时相应的处理和高效上传，为智慧控制层及智慧管理层提供基础数据信息支持。智慧设备层中嵌入现场共享网络技术，有效减少现场电光缆数量，并提高系统信号传输的抗干扰能力和可靠性[24]。通过对大量数据信息地高效分析处理，实现设备可靠性诊断及故障预警，并以智慧管理层为基础构建智慧设备的在线智慧管理系统，将被动的管理模型改变为可预测性的主动管理维护模式。智慧设备层中嵌入先进的测量设备，对设备故障进行实时预警及诊断[25]；应用强AI技术、智慧机器人及无人机，完成人员无法实现的操作[26]。

3)智慧控制层

结合最新控制算法及智慧控制策略、多目标优化、数据分析等技术手段，来满足对象多样化的控制需求。智慧控制层中嵌入更丰富、更先进的实时控制与优化算法模块[27]，同时加入多目标寻优算法以及机器深度学习等实时优化算法模块功能[28]。智慧控制层中嵌入设备状态监测与智慧预警诊断系统，通过对设备重要状态的健康分析、基于深度学习的设备状态预警及诊断，实现对设备运行状态及故障的超前预警与故障诊断，为智慧健康管理提供决策支持。

4)智慧管理层

智慧管理层提供自主组织的精细化管理解决方案。基于数据共享的管控一体化平台，通过智慧三维监控、智慧联合巡检、智慧联动操作、智慧态势评估、智慧安全防护、设备智慧追溯、智慧检修作业安全管控等管理系统，实现变电站闭环、自主精细化管理。智慧管理层有强大的软件定义功能，全站测量功能通过数据采集、收集，经算法来实现，电量采集及电度表功能也通过软件定义和算法来实现。

2.2 智慧大脑

智慧全息变电系统的核心是智慧大脑，可管控、监控完成信通和变电站全部功能。设备级、网络级、站层级深度优化，相互交互[29]。在智慧大脑上构建孪生体，实施比对监督和控制。通过智慧管控系统，实现对智慧感知层、设备层、控制层和管理层之间的数据信息相互融合交互，形成具备自主趋优精准控制、自主故障处理恢复、自主分析诊断学习、自主组织精细管理四大特征的智慧运行控制与管理模式。

1)自主趋优精准控制

在各种工作情况下，系统能克服对象自身特性问题以及外界因素变化的影响，通过全过程精准联动控制，让被控对象处于最优控制状态。采用基于对象模型的最优控制策略，对被控对象的特性建立高鲁棒性模型，并基于变电站历史/实时数据信息，实现对模型的定期自检、巡检、维护和实时更新等。结合被控对象的特点，设计基于模型预测的控制策略和先进控制算法，实现对被控对象的全程精准实时控制。

2)自主故障处理恢复

在运行中，如传感器、元器件、执行机构等设备部件发生故障时，利用控制系统的容错处理能力，保证系统能够正常运行工作，并保证具有较理想的控制性能。容错控制分为被动容错控制和主动容错控制，被动容错控制在系统设计时则需考虑对象的不确定性，使控制系统具有鲁棒功能；主动容错控制则在故障发生后，通过改变定义控制系统结构和控制方式，实现容错控制的目的。事故处理完毕之后，系统自主恢复正常运行状态。

3)自主分析诊断学习

通过对海量数据资源的挖掘利用和深度学习，建立基于数据驱动的输入/输出关系数学模型，并结合基于模型的精准数学模型，利用构建的模型按照调整规则策略进行故障模拟和自弈，生成并获取具有海量数据资源的故障知识库。通过实际运行数据与模型运行数据和故障知识库之间的比对与评估，实现对系统或设备故障的预前分析、诊断、判别、警示和警告。

4)自主组织精细管理

智慧全息变电站各功能的实现，离不开强大的AI技术、数据分析处理和高级管理系统等，也需要完善的管理规范制度作为支撑。自主组织精细管理的目标一方面增强管理系统的自主组织能力，实现管理层面中的及时闭环管控处理，通过闭环管控提升事件处理效率，避免管理上的疏漏；另一方面增强管理系统的精细化能力，以“互联网+”为核心实现专业化、数据化和信息化的融合，通过管理数据与生产数据之间的相互融合交互，提升变电站精细化管理水平。

3 智慧全息变电系统应用前景

3.1 技术难题

开展智慧全息变电系统规划设计建设，需要突破一系列技术难题，打破专业技术及管理壁垒。主要有如下四方面：

1)电网更安全

在提升设备质量、优化设备功能、改善运行环境、设备基础和组部件标准化、即插即用、减少设备陪停等方面开展研究，以降低设备故障率和减少停电时间；在变电站灵活接线、智慧辅助倒供电、接地选线、快速隔离故障点等方面开展研究，以提高供电灵活性；适应多类新能源接入、分布式发电、多元用户供电、供需互动等方面开展研究，以适应未来需要。

2)供电更可靠

在先进传感技术应用、设备内部状态感知、自主诊断和预警技术等方面进行重点研究，以提升设备智慧水平和管控能力。在设备防爆防火防有毒气体、防误触带电设备及高危环境下作业等方面开展研究，以降低人身伤害，提高供电可靠性。对设备设计、制造、安装、调试、验收等全过程进行深度研究，落实反事故措施，以提升本质安全水平。

3)运维更高效

智慧全息变电站有效地把设备智慧和管理智慧相结合，把最新技术应用于日常运检作业，在运检信息智慧三维监控、智慧联动操作、智慧情景交互、智慧安全防护、机器人联合巡检、不停电检测等方面开展深度研究，把有限的运维人员从繁杂的单调、重复、无效劳动中解放出来，提升运检效率。

4)全寿命周期成本更低

通过设备设施智慧赋能，在规划设计优化、模块化建设施工、免(少)维护设备选择、合理建筑物功能布局、设备及基础标准化、运维检修便利化等方面开展深度研究，合理控制建设成本，有效降低后期运维成本，实现全寿命周期成本更低，效益最大化。

3.2 应用前景

智慧全息变电系统将是新型电网系统建设的基础，具有广阔的应用前景。

1)构建电网区域调控中心

以智慧全息变电站为基础，构建电网区域调控中心，作为电源送出的本区域下级电网调控中心，统筹控制和调度区域电网运行，以适应分区域、分层次电网调度。通过该站灵活柔性优化调度控制，实现分层电网调控和最优经济运行功能，以适应未来电网发展需要。

2)构建区域能源交互中心

以智慧全息变电站为基础，构建区域能源交互中心，类似能源路由器或交换器，作为灵活多类电源接入点和综合能源管理中心，以适应多类新能源接入、多元用户供电、供需互动等等，系统具有灵活多形态、多层次、多种类能源接入和交互功能。

4 结语

智慧化已经成为我国新型电力系统发展的必然趋势。智慧全息变电系统是一项多学科交叉的高新技术领域，需要全新的创新理论和技术，也需要通过“产学研用”相结合，从规划设计、研发、建设等多全方面合作研究，全方位推进。

智慧全息变电系统的精髓在于从多维度开展规划设计，设备、设施、系统、保护与控制等全部智慧化，以系统集成定义为理念，构建新型变电系统，实现系统、站域、设备设施内外全透明、状态全管控、信息全可视、信息互联共享、人机友好交互、设备诊断高度智慧。以智慧全息变电站为核心的智慧全息变电系统，将是电网采集、测量、保护与控制、运维等实现质的变革。

随着我国电网技术飞速发展和融合，专业管理的进一步优化，智慧全息变电系统将成为现实，将推动电网建设和运营水平，成为新型电网发展的新趋势、新形态。