变电站运维策略优化及安全管控系统设计与实现

卢帅帅 田志平

摘  要：近年来，为最大限度地提升变电站运维的全面性、有效性和成本性，业内开展大量的研究工作。在变电站运维中，科学且完善的安全管控系统是关键组成部分。该文首先对变电站运维策略优化进行阐述；其次提出一种符合变电站运维策略优化所需的安全管控系统的设计；最后基于所构想的系统设计，阐述安全管控系统的实现。所作研究为业内人员的研究和实践，提供一定的参考和借鉴。

关键词：变电站；运维策略；安全管控系统；设计与实现；系统设计

中图分类号：TM63      文献标志码：A          文章编号：2095-2945（2024）10-0118-04

Abstract： In recent years， in order to maximize the comprehensiveness， effectiveness and cost of substation operation and maintenance， a lot of research work has been carried out in the industry. In the operation and maintenance of substation， a scientific and perfect safety management and control system is the key component. This paper first describes the optimization of substation operation and maintenance strategy; secondly， it puts forward a design of security management and control system which meets the needs of substation operation and maintenance strategy optimization; finally， based on the proposed system design， describes the implementation of the security management and control system. The research provides some reference for the research and practice of the industry.

Keywords： substation; operation and maintenance strategy; safety management and control system; design and implementation; system design

随着社会经济的发展，各个领域对于电力质量的要求越来越高。为了保证变电站的正常运行，需要对变电站的设施和设备进行定期的监控和检测。然而，单单依靠视频监控、微机保护等监护系统，不仅数据来源十分单一，而且成本较高，不符合变电站长期发展的现实需求[1]。因此，本文的目的是确定变电站的最佳运维策略，以减少变电站的运维成本和停机时间。本文的新颖之处在于将安全管控系统纳入到变电站的运维策略中，通过安全管控系统的应用，缩减变电站运维的人力成本，并保证变电站运维的有效率。

1  变电站运维策略优化

1.1  变电站运维现状概述

毋庸置疑，变电站需要在日常运维当中投入大量时间和金钱，来维护变电站设施和设备的正常运行。目前，变电站所进行的维护主要是预防性的，包括每月、每季度、每半年和每年对变电站进行的电气和机械维护。此外，还有年度检查和涂层修复、健康、安全和环境（HSE）维护（包括安全材料检查）以及提前计划的设备检修活动。2023年的研究表明，较旧且较小的变电站年度运维策略中，运维费用通常为项目原始投资的3%；相反，较新且较大的变电站年度运维策略中，运维费用通常在原始投资的1.5%到2%之间变化。以十年为例，这相当于变电站项目生命周期支出总额的14%～30%[2]。因此，尽管通过使用可持续的材料来降低运营成本，但运营和维护仍然占变电站成本的很大一部分。考虑到未来电能日益重要，以及维护成本对变电站项目生命周期的影响，优化变电站运维策略，势在必行。

1.2  变电站运维策略优化

如上所述，高昂的维护成本仍然是变电站运维的一个巨大问题。因此，应尽量减少确定最佳的变电站设施设备的检查维护时间安排，以优化劳动时间并确定工作的优先顺序，降低劳动力成本和停机时间。所有这些维护任务都需要考虑到变电站设施设备和运维人员的可用性，全天都会发生变化，因此，需要规划科学的运维策略。变电站运维策略优化问题，其本质是如何安排变电站的预防性维护任务，从而最大限度地减少成本、延误和停机。由此，可以将变电站的运维策略优化，总结为以下3个问题。

第一个问题：最少的人力成本浪费问题。

第二个问题：大限度地减少执行的所有维护任务的平均延迟问题。

第三个问题：最大限度地减少维护期间的停机损失问题。

基于上述问题，变电站运维策略优化，可以通过遗传算法求解最优路径，计算变电站的最优巡视路线，来减少平均延迟。然而，引入最优路径遗传算法来减少平均延迟可能会导致需要较高的人力成本和服务序列。为了做到“逢巡必巡，每巡必好”，本文提供了以最佳方式實现所有目标的解决方案。

首先，使用遗传算法来解决变电站运维巡视工作量问题。使用遗传算法求解是一种启发式优化方法，可最小化变电站运维巡视工作量[3]。此外，还可以通过应用其他启发式方法（例如蚁群优化）以及通过OR工具开发的求解器来解决变电站运维巡视工作量。但是，与其他方法相比，遗传算法的使用具有重要的优势。该算法可以找到使用传统方法几乎无法解决的问题的解决方案。此外，其陷入局部最小值的可能性也较小。最后，其常常能找到比传统方法更好的解决方案。

其次，基于遗传算法，每个目标的重要性可以通过使用权重因子来纳入，进而可以找到变电站运维的最短路径[4]。其中，最短路径包含非支配解决方案，对应于理想的维护顺序。在这种情况下，由于每个目标都被认为是同等重要的，并且每项工作的维修时间和到期时间都是已知的。在实际操作环境中，当运维人员在变电站工作时，转化上述假设，定义并分类以下参数、条件、决策变量和目标。如果在不降低其他目标值的情况下减少运维时间，则该解决方案称为帕累托最优。在计算中，从初始群体开始，通过应用交叉和变异，搜索最小化预定义成本函数的解决方案，直到达到停止标准。

最后，以日常巡視记录电气设备特征参数的历史数据为基础，通过拟合特征参数历史数据，来实现电气设备的状态预警，同时可计算出设备巡视周期，方便巡视人员根据设备状态动态调整巡视。

上述方案所使用的遗传算法的逻辑结构可以写成如下形式。

Start：为变电站运维生成n个合适解决方案的随机群体。

Fitness：评估所选群体中每个个体的适应度函数。

New population：通过重复接下来的4个步骤创建新的群体，直到新群体完成。

Selection：从总体中选择2个作为群体父母。

Crossover：使用交叉运算，交叉父母以形成新的后代。后者结合两个父母的遗传信息来产生新的后代。

Mutation：使新的后代发生突变（突变概率），以获得新的解决方案以避免局部极小值。

Accepting：将新后代放入新群体中。

Replace：使用新生成的群体进一步执行算法。

Test：如果满足结束条件，则停止并返回当前群体中的最佳解决方案。

Loop：返回Replace步骤。

将以上算法步骤转换为 MATLAB，就能实现变电站运维策略的优化。以某变电站为例，优化前后的运维策略变化，如图1所示。

图1  某变电站运维策略优化前后的设备维护顺序和路径图

由图1可知，优化前，该变电站的运维路径：开始—V1—V3—V2—V7—V4—V6—V8—V10—V9—V5—开始，用时2 h；优化后，该变电站的运维路径：开始—V8—V7—V6—V10—V9—V5—V4—V3—V2—V1—开始，用时1.3 h，节约0.7 h。不仅优化了人力资源配置，还提高了运维工作效率。

2  变电站安全管控系统设计

2.1  安全管控系统需求概述

目前，变电站的运维巡视周期设定均是在多年巡视经验的基础上建立的，无论设备是否先进，设备的可靠性是否不同，或现场运行情况如何，同一电压等级的变电站均采用同样的检查周期，对运维巡视工作的规划缺乏一定的合理性[5]。如果巡视周期设定的太长，电气设备的缺陷只能在下次巡视时发现，容易造成设备故障的发生，增加经济损失。反之，如果巡视周期设定的太短，变电站巡视人员会疲于奔波在各变电站巡视工作中，造成人力和物力的极大浪费，也会造成运维人员对设备状态的变化不敏感。

为了解决上述问题，本系统需要在满足闭锁全面性和强制性要求的基础上，针对运检一体化安全管控的各个环节，从变电站作业安全角度出发，完善变电站微机防误闭锁功能，增加检修作业管控、二次管控、接地线管理、锁控系统管理、智能解锁钥匙管理和安全工器具管理等功能，并通过对倒闸操作、巡维作业、检修作业的业务流程和系统应用进行梳理，以微机防误操作系统为基础进行应用整合，建立一个平台化、网络化、标准化的智能全过程运检作业安全管控体系，涵盖运维、检修等多专业的安全管理，提升区域电网变电作业安全生产水平，提高工作效率、降低运行成本。

2.2  安全管控系统总体架构

所设计的运检作业安全管控系统由一次子系统、二次子系统、检修作业子系统、智能锁控子系统、智能解锁钥匙管理子系统、安全工器具管理子系统和微环境监测子系统7个部分组成。各个子系统共用安全管控主机，共享数据服务和应用服务，并提供不同的硬件设备，每个子系统均可独立完成某一类运检作业的安全管控。具体如图2所示。

图2  运检作业安全管控系统方案结构图

2.3  安全管控系统功能设计

本次设计的安全管控系统，提供以下功能。

2.3.1  运行监视功能

运行监盘时，安全管控系统通过二次设备/接地线状态采集、运行方式异常监测、移动应用查询服务等完善设备状态采集，并帮助运检人员提高监盘效率。

2.3.2  “一卡通”统一授权管理功能

“一卡通”管理基于变电运检作业人员身份识别卡（员工卡），实现统一权限管理，并提供统一的应用管理平台和软件管理界面，通过运检作业安全管控系统平台，实现对变电站各类门锁、临时接地线、安全工器具和解锁钥匙的使用授权统一管理。

2.3.3  巡维作业功能

巡维任务时，安全管控系统提供统一的锁具管理功能，可以实现一把电脑钥匙对所有锁具进行开锁授权；当运检人员进行设备巡维时，可以使用防误钥匙对所有锁具进行开锁，而对于外来人员等，只能使用锁控钥匙对锁控类锁具进行开锁，这样既满足了设备巡维过程中的高效性，又保证了设备巡维过程的安全性不受影响。另外通过安器具管控，可以实现安器具的全生命周期管理。

2.3.4  倒闸作业功能

倒闸操作任务时，安全管控系统提供一键智能成票、拓扑防误校验、二次防误规则校验、锁控操作关联、混合操作任务和设备状态不同源判断等功能，有效提高倒闸操作任务的效率、安全性和智能化；对于使用顺控操作的倒闸操作任务，提供满足长期不停电运行要求的嵌入式工控主机，同时结合上述提到的拓扑防误校验、二次防误规则校验、设备状态不同源判断功能，为顺控操作安全提供必要技术支撑。

2.3.5  检修作业功能

检修任务时，安全管控系统提供开检修票、检修安全区动态识别、检修开票防误校验、检修隔离面自动生成、隔离面设备操作权约束与强制闭锁、检修设备传动强制防误约束和检修完成状态恢复校核等功能，实现对检修作业过程的安全管控，可有效提高检修操作的效率、安全性和智能化。设备的状态，自动生成检修安全区设备、检修边界设备，并通过拓扑着色实现可视化识别。

具体功能设计如图3所示。

3  变电站安全管控系统实现

在所设计的变电站安全管控系统中，DLT被用于系统的实施。DLT是一个使用存储在网络中独立的，连接设备上的账本，来确保数据准确性和安全性的平台。DLT的3个特点是分布式、共识机制和密码学机制，通过系统的Python模块powersys_event_detect.py，实现事件检测流程[6]。

具体来说，事件检测模块通过来自链外数据库的通知接收数据，该通知涉及从RFID物联网技术收集然后存储的IEC 61850 GOOSE数据包。该数据包存储在Hyperledger Fabric DLT中，以提供GOOSE数据的信任锚定。事件检测模块使用psycopg2库从链下数据库和标准Python库读取数据，其中的GOOSE数据包，由goID（GOOSE设备ID）、時间戳和数据集值组成。例如，继电器和功率计，具有不同的GOOSE数据集。所设计的安全管控系统将对相关GOOSE数据集值执行检查的函数、检查描述/详细信息字符串以及事件持续时间阈值，以确定事件何时开始和停止。事件持续时间阈值间隔用于过滤掉不满足最短持续时间的事件，默认持续时间为60 min。有效事件被记录并插入到链下数据库中，并且可以自动保存为事件图图像文件。此日志记录由单独的事件绘图器类处理，该类维护每个事件检查的自定义绘图设置，可用于通过目视检查快速分析检测到的事件。最后，有效事件通过将当前链下GOOSE数据来触发GOOSE数据的证明检查。

该架构中使用的同步时间协议，实现了变电站安全管控系统中，精确时间协议和范围内仪器组时间代码B信号（IRIG-B）。具体来说，所设计的安全管控系统通过以太网实现精确时间协议通信，其中，电表和馈线继电器采用IRIG-B通信；SEL 421保护继电器传输IEC 61850采样值消息；SEL 451保护继电器和SEL 735功率计传输IEC 61850 GOOSE消息，SEL 734功率计传输分布式网络协议（DNP）消息。

4  结束语

综上所述，变电站是电力系统中十分重要的部分，直接关系到最终使用的电力质量。因此，保证变电站的正常运行，十分关键。针对目前变电站运维工作路径复杂、人力成本和资源消耗较高等问题，优化变电站运维策略，刻不容缓。本文通过引入遗传算法，提出了一种变电站运维策略优化的逻辑结构和解决方案。所提方案经过MATLAB的仿真处理，能够将原本2 h的运维时间，缩减为1.3 h，取得了一定的优化效果。在此基础上，本文针对变电站运维策略优化所需，设计并实现了一种变电站安全管控系统。该系统侧重于使用具有GOOSE消息的功率计和保护继电器，专注于电气故障检测、电能质量监控、分布式能源用例和网络事件场景的应用。该系统秉承简单、可靠、实用的原则，从多个角度对运检作业进行管控，贯穿了运行、巡维、检修等作业的各个环节，涉及了一次、二次防误，操作票，检修操作，锁控管理，安器具管理等多种业务，从不同的维度对运检业务进行全过程安全管控。

参考文献：

[1] 许梦阳，许梦华，白欣雨，等.智能变电站一体化监控系统应用系统安全试验方法研究[J].电工技术，2023（8）：155-157，160.

[2] 崔艳军，陶刚，丁伟翠.基于BIM技术的特高压数字化管控系统在变电站工程中的应用[J].电力勘测设计，2023（1）：49-55.

[3] 吕健，孙磊，李垚，等.基于5G的变电站运行环境管控系统[J].农村电工，2023，31（2）：47-48.

[4] 赵占国.变电站自动化系统中的安全措施分析[J].集成电路应用，2023，40（1）：156-157.

[5] 庄莉，刘宝升，王秋琳，等.基于边缘计算的变电站风险预警管控系统设计[J].电子技术应用，2023，49（4）：92-97.

[6] 任宇路，刘毅敏，节连彬，等.基于AI和智能视频分析技术的变电站安全运维系统[J].自动化技术与应用，2023，42（7）：174-178.