人工智能環境下智慧變電站發展研究

武生鋒

（國網山西省電力公司孝義市供電公司，山西 呂梁 032300）

0 引 言

作為現代科技發展的重要方向之一，人工智能技術對于各項技術的發展有著良好的推動作用，如其應用于電力行業所誕生的一個重要產物是智慧變電站。

1 案例分析

以山西某智慧變電站為例，在其智慧化改造過程中實現了對保護單元、測量單元、控制單元、計量單元、檢測單元和通信單元等多個單元的智能化改建。該智慧變電站的配置如下：（1）主變壓器，由有載調壓、自冷式三相兩卷有載調壓變壓器構成；（2）110 kV設備，該設備的參數由短路電流決定，其中設備額度開關電流40 kA，動穩定電流峰值100 kA，設備類型為H-GIS內置組合式。

該智慧變電站的在線監測功能通過饋線開關、圖像監視、安全報警、火災報警等系統實現。上述系統投入應用后，可于調度側全方位掌握變電站運行情況。智慧變電站引入了安全穩定的UNIX操作系統，這種操作系統可操作性強、界面交互優異，具備擴展與開發功能。該監控系統具有遙測、遙信、遙調以及遙控等方面的功能，可以完成同調度通信中心之間的信息交換，支持電力系統的調度和穩定運行。

2 人工智能環境下智慧變電站發展現狀

在人工智能環境下智慧變電站的建設上，國外一些國家存在很大優勢，如西門子、ABB等企業已經取得突出成績。例如，ABB公司研發的GIS設備，拓展了二次設備實用性，實現了智能互感器以及智能斷路器集成化，實現了對電力系統的全面監控和保護[1]。我國人工智能和智慧變電站發展起步較晚，目前我國經過翻譯AEC61850系列標準，進一步研發IEC61850系列標準系統，實現了智慧變電站的功能組合及硬件集約，進一步拓展變電站性能。在現行標準下，我國智慧變電站包括變電站層、過程層及間隔層，并通過互聯網實現了連接。但我國在人工智能和信息技術發展上突飛猛進，在智慧發電站的開發和建設上取得了突出的成績，建設了全球范圍內首座最高電壓等級的智慧變電站，為我國智慧變電站發展奠定了良好的基礎。

在電力體系中，人工智能與電力系統之間的結合，可以進一步提升電網系統運作的智能化水平，不僅可以全方位提升電力輸送、電力配送和調配等環節的工作效率，而且對于一些具有較高危險性的電網管理工作，可以有效保障工作人員的安全?，F階段，電網系統與人工智能技術的結合主要表現在人工神經網絡、遺傳算法、專家系統及模糊控制等方面，這些技術更加適用于我國的電網分布與電力調配[2]，顯著改善電網管理的復雜化操作，維護電網運行安全，降低電力層面的投入風險與資源成本。在變電站建設過程中應用人工智能技術，可以通過圖像識別、語義分析處理技術來完成對原始資料的分析與解讀，包括變電站工程規模、設備選型、布置方案、站址坐標及負荷條件等內容，并可支持技術人員完成變電站設計和規劃，進一步提高智慧變電站建設質量和進度。

3 人工智能環境下我國智慧變電站發展趨勢

我國社會經濟快速發展，對于電力系統的需求進一步提高，對智慧變電站的建設提出了更高的要求。目前，智慧變電站建設占地面積過大，功能分區模糊，建筑結構多采用磚混結構，施工周期長等，均影響了智慧變電站的發展。例如，武漢未來城建設智慧變電站，雖然考慮了施工周期、施工成本、占地面積及設備優化等問題，但是仍然存在一定弊端，如在后期擴大規模、功能分區上存在一定困難。因此，未來建設智慧變電站需進一步創新技術路線和設計思路，形成實用性更強的設計方案。近期智慧變電站建設將朝向以下目標發展：（1）優化變電站結構，積極建設集成化電力體系，不斷融入先進設備，形成兼具經濟環保和集成調控優點的智慧變電站；（2）融合高度智能化變電設備，引進交互性強的測控技術，以實現便捷高效的運行目的；（3）優化模塊化設計，為后續施工、擴大規模、安全維護奠定基礎。

另外，隨著科學技術的發展，今后在人工智能環境下，我國智慧變電站應用電網智能化、數字化技術，將改變電網傳統生產、管理和運營模式，讓電力的運行輸送變得更加精準；遠程智能巡檢系統可替代傳統的人工現場巡視，將原有30天周期的人工全面巡視升級為每天的遠程在線與機器人聯合巡檢，有效提升巡檢質效，使電網管理工作得到簡化，實現整體管理質量的提升。

4 人工智能環境下智慧變電站的主要特點

4.1 技術特征

作為應用了多種先進技術的輸變電工程，智慧變電站投入應用后，其最為明顯的技術特征為通信信息數字化、通信平臺網絡化、信息共享標準化。其中，通信信息數字化主要表現在智慧變電站投入使用后，其所采用的隔離開關及斷路器等設備都可以通過智能終端的裝設來實現高靈敏度操作。而結合對電子式電壓、電流互感、繼電保護裝置的應用，能實現對相關數據的精準測量與雙向通行，并基于5G網絡的應用來實現對信息的傳輸與管理，使變電站運行過程中數據的采集、傳輸、分析與處理均能實現數字化處理。以110 kV變電站為例，使用SDH光傳輸設備實現了信息系統的數字化處理，可以在隔離開關、斷路器等設備中安裝智能終端，來完成對變電站設備運行數據信息的采集及相關操作命令的準確執行。

而在通信平臺網絡化的影響下，變壓器設備運行數據的傳輸是基于先進的通信網絡平臺實現的，并結合標準化的通信設備和冗余技術的應用，使設備的運行更加可靠與穩定。在通信平臺網絡化環境下，電子電壓互感器、電流互感器、斷路器、隔離開關等一次側設備在運行過程中所采取的數據可以經過通信網絡直接實時發送到測量、保護、故障、錄播等二次裝置中，使智慧電網運行時的數據共享得以實現[3]。同時，隨著5G網絡技術的應用，智慧變電站可以利用大數據分析，更加高效、保質地完成對自身的檢查與診斷，從而幫助相關人員及時采取措施進行故障修復。在智能與網絡環境下，不僅可以實現信息共享，而且可以推動智能網絡標準化建設。智慧變電站投入運行后，線路保護測控裝置、主變保護測控屏、時鐘同步屏、10 kV線路保護測控裝置、故障錄波器屏等采集終端均能按照統一的標準采集儲存數據，從而使測量數據更加完整、格式統一，為信息共享奠定基礎。在信息數據訪問接口上，智慧變電站配置了標準化數據處理平臺，實現了實時數據共享。

4.2 結構設計

在建設變電站一體化監控系統的過程中，結構設計需實現設備統一接入、存儲、管理、狀態監測和計量等，使智慧變電站的在監視、操作、控制、綜合信息分析等方面所具備的功能優勢得到充分的發揮，并為主站系統提供一體化操作與訪問服務。對于案例變電站而言，其在利用人工智能實現自身的智慧化建設過程中，在監控系統上所采取的結構為單以太網結構。該結構由站控層、間隔層及網絡層等構成。并且其網絡層所使用的設備一般為具有多模光控的工業級以太網交換機，數據傳輸介質則需要根據不同的情況來進行選擇。比如，在同一預制倉中，應選用超5類屏蔽雙絞線，而出預制倉要經過戶外電纜溝或電纜豎井時可以選用多模非金屬光纜。

在該案例項目中，其監控體系建設載體標準為DL/T860，將變電站設備按照站控層、間隔層及網絡層劃分，利用網絡實現點對點的精準調控。其中，站控層主要包含工程師工作站、數據服務器以及數據采集等系統，由監控主機、數據通信網關機、圖形通信網關機、綜合應用服務器、PMU數據集中器及計劃管理終端等設備組成[4]。間隔層主要包括電氣單元配置的I/O測控裝置、主變高低壓側以及公用單元所單獨配置的測控裝置，同時設置有繼電保護裝置、測控裝置與故障錄波裝置、網絡記錄分析等二次子系統。基于上述設備劃分，在網絡結構設計過程中，需合理設計站控層網絡、過程層網絡以及間隔層網絡間的邏輯關系，站控層網絡主要為間隔層設備與站控層設備之間實現連接后所形成的網絡，其主要承擔的為站控層與間隔層之間的數據信息傳輸[5]。而間隔層網絡的作用在于實現對間隔層設備之間的通信，并使自身層面能與站控層網絡之間形成一種有機的連接。過程層網絡與站控層網絡接近，其應用是為了實現自身設備與間隔層設備之間的連接，并完成數據信息的相互傳輸。此外，在構建網絡結構的過程中，應注意在人工智能技術的應用環境下，智慧變電站全站通信網絡往往是基于高速以太工業網所構建的，使得其在以DL/T860為主要標準的前提下，需要確保傳輸的寬帶在100 Mb/s以上，而且在實現中心交換機聯結的過程中其數據端口應為1 000 Mb/s，使相互之間的聯結效果得到保障。

4.3 關鍵技術

傳統變電站由于系統配置相對獨立，存在信息孤島，無法適應電網的復雜化運行。融入人工智能技術后，變電站得到升級優化，解決傳統變電站的弊端。電力物聯網構架“智慧腦”，借助人工智能技術，智慧變電站將會越來越“聰明”。智慧變電站建設是國家電網公司發展新型基礎設施建設的重點項目之一，是以智能電網和能源物聯網為基礎，以物聯網、大數據、人工智能等新技術為支撐，對現有的變電站試點開展智能化、數字化轉型升級。在智慧變電站轉型升級過程中，可實現運行保護系統與設備監控系統的統一組網，直接采集智慧變電站的數據，并利用無線智能互聯傳感器、高清攝像頭等，實現數據遠距離傳輸，全面獲取全站設備狀態和站房環境信息，感知變電站運行狀態。同時，借助人工智能技術，智慧變電站可利用大數據開展機器學習，經過反復訓練不斷修正“錯誤”、提升“腦力”，結合人工智能的圖像分析識別技術，智能識別異物搭掛、銹蝕、滲漏油等，及時發現設備異常。

案例變電站通過新增加1套SDH光傳輸設備、PCM及綜合配線架，實現了光纜完成替代電纜，從而結合電子式電流、電壓互感器的應用，從源頭消除通信干擾問題，并使數據的傳輸更加可靠。在整體設計上，案例變電站采取了具有開放式特點的分層分布式網絡結構，實現對了系統結構的優化與簡化，并通過統一建立模型與網絡，共享數據信息，配合DL/T860通信標準的應用，使變電站的站控層、間隔層等方面執行結構得到了簡化，使裝置集成的總體效果得以保障。完成升級后，案例智慧變電站具備如下功能：設備狀態“全面感知”、倒閘操作“一鍵順控”、設備異常“主動預警”、全部巡視“機器替代”、人員行為“智能管控”以及主輔設備“智能聯動”等。

5 結 論

人工智能與智慧變電站對于當今電力行業的發展有著十分重要的推動作用。在人工智能環境下智慧變電站的建設過程中，可從技術特征、結構設計、關鍵技術等方面入手，采取針對性的優化措施，確保智慧變電站投入使用后的運行質量與效率。