面向新型電力系統的智慧全息變電系統研究與設計

袁敬中，王守鵬

(國網冀北電力有限公司經濟技術研究院，北京 100038)

0 引言

近年來，新技術的發展和電網安全運行新要求有力驅動電網企業創新發展，建設特高壓電網、智能電網、能源互聯網等[1-2]取得了創新成果；同時，由于電網發展和供電需要，建設了智能變電站、智慧變電站、新一代變電站等[3-4]，通過這些新技術的實踐，為后續變電系統高質量建設奠定基礎。隨著強人工智能[5]、大數據[6-7]、萬物智聯[8]、數字孿生[9-10]等技術的飛速發展，強力推動新型電力系統、新型電網和新型變電系統建設。特別是變電系統更需全感知、全測量、全智慧，一二次深度融合，設備層、網絡層、站級層一體化。

為了推動新型變電系統構建，本文提出智慧全息變電系統概念，在規劃設計、設備選擇制造、工程建設、運行維護等全過程創新，明確其宏觀功能框架及智慧大腦核心特征，從而為變電站的頂層智慧業務應用和智慧管控平臺建設提供指導思想。最后，從工程應用角度，探討智慧全息變電系統的應用展望。

1 智慧全息變電系統概念與內涵

新型電力系統建設，需要創新理論、更新理念，加速技術迭代[11-12]。新型變電系統建設是新型電力系統建設的堅強支撐，以“智慧、融合、自主、綠色”為原則，綜合應用人工智能、大數據、數字孿生等全新理念和技術，從電網全壽命周期考慮，構建新型系統。

1.1 基本概念

智慧全息變電系統是一個顛覆原有電網規劃設計、設備選擇、建設維護等傳統理念的新型系統。面向系統側，運行方式靈活、控制智能高效；面向站端側，設備設施全智慧、狀態全感知、網絡全融合、執行全自主。以全智慧、高融合理念為基礎，從多維度構建感測、控保一體化，采集流、信息流、控制流融合，采集網、信息網、控制網、傳輸網合一，本體、就地、遠端、系統控制與保護合體，形成萬物智聯；具有自啟動、自運行、自診斷、自維護、自控制、自管理等功能，實現自主運行、控制與維護的新型變電系統。

1.2 核心內涵

從系統集成創新理念出發構建智慧全息變電系統，每個元件智能，系統、站域、設備設施內外全透明、狀態全管控、信息全可視。變電站設計演變成能源交換節點或能源路由器，具有多形態、多層次、多種類能源接入和交換功能[13]。

1)規劃設計新需求

從新型電力系統建設對電網新要求出發，以系統多維度整體規劃設計變電系統。系統應高度智慧化、網絡化、自動化，具有可靠高效、交互性強；以系統自主運行、控制、分析、維護為主，人工檢查、判斷、協調、恢復為輔。充分考慮新需求與安全、發展、建設、生產、經濟等主要關系，以求得最佳經濟效益；充分考慮各級電網的可靠性，選擇合適的系統接入方式和靈活的主接線，達到各級電網聚合功能最優；從上到下和由下到上，雙向開展系統規劃設計，使整體系統相互協同功能強大，運行可靠，事故靈活互濟，形成堅強可靠網絡系統；設備、網絡、功能等高度聚合融合，具有自主、強智能等功能。

2)設備設施全智慧

新“反措”的執行，使變電站中設備種類較多、系統繁雜，造成設計、采購、安裝、調試、維護等很不方便[14-15]，急需進一步融合和優化，全站形成開關類、線圈類、補償類、系統控制保護與通信類、輔助類等較少集成類設備。

采用先進設計、制造、調試等新技術，讓電網設備一二次一體化，保護、控制與自動化設備一體化，輔助安防等設備全部集成。賦能每類設備，成為智慧體，一二次功能集于一身，自身所有采集、自檢、診斷、運行、保護和控制、維護等功能自行完成；除供電外，對外只有一個網口與系統相聯系，輸出單方向模擬采集信息、雙方向控制信息、本體狀態信息等。全站智慧體集成為智慧集群，完成全部運行、保護、控制、自動化、信息、通信、維護等功能。如圖1所示，重構優化后，設備種類M遠小于傳統種類N，性能大大提升。

圖1 智慧群圖

變電站設施賦能，通過本體與站域控制中心系統互聯互通，使狀態全感知，成為智慧體。按照電力系統運行要求，在變電站進出線及母線設置潮流控制器，進出線潮流控制器與斷路器設備融合。通過定義潮流控制器，靈活改變運行方式，構成柔性主接線，實現柔性電網運行。設備以插接方式接入，主要設備、輔助設備、建筑物、架構、金具等狀態全感知，具有自檢、它檢功能；元件狀態、母線潮流、電流方向大小均感知，構成真正意義上的智慧全息變電站。

3)網路全集成

從變電站全局角度，對站內全部網絡進行整合和優化[16-17]。采集網、信息網、控制網、傳輸網等網絡一體化，構成統一的共享數據網，采集流、信息流、控制流按照定義有序流動，具有自適應、自愈功能。全站設備形成一個智慧體，實現類電腦功能，設備通過網口接入共享數據網，完成互聯互通功能，實現全部信息的交互，如圖2所示。

圖2 多流融合圖

4)測量、保護與控制全自主

本體、就地、云端和系統保護相結合，以系統保護為主。每個元件是智慧體，各自完成模擬量采集、評估、判斷、分析、保護、診斷等功能。全站冗余設置兩臺智慧大腦，頂層完成數據收集及處理、系統保護、信息傳輸、分析與控制、電量采集、計算等需要系統完成的功能。站所有功能通過感知保護、感知控制、感知測量、感知調度自主完成。系統具有自啟動、自運行、自診斷、自維護、自控制、自管理等功能，如圖3所示。

圖3 設備智慧群融合功能

5)設備及系統全定義

系統、區域、就地，點面集中分散構成全息變電系統，以區域、就地為主，系統協同管理。全部智慧體通過邏輯算法自動智聯構建變電系統，能自動修正錯誤。設備通過軟件定義靈活實現相關功能；系統通過軟件定義，靈活實現主接線及系統網絡，便于靈活可靠運行。數據流也可以按照定義流動。如圖4所示。

圖4 靈活定義

1.3 核心應用功能

新技術的融合發展是電網規劃設計顛覆性革新，推動變電設備及系統深層次質的變革[18-19]，智慧全息變電系統具備靈活可靠運行、狀態全息感知、精準全程控制、量化全態評估和智慧全景交互五大核心應用功能。如圖5所示。

圖5 智慧變電全景系統核心功能

1)靈活可靠運行。從系統整體和本體安全可靠多維度出發思考規劃設計電網。各層級電網多維度系統頂層設計。正常運行潮流均衡，事故狀態支援靈活，各種工況運行穩定可靠，靈活定義網絡。各站主接線柔性設計，合理設置母線控制器，根據運行需求，實現靈活組合和方式改變。研發各類柔性主設備，適于各類能源靈活接入和輸出。實現靈活軟件定義系統、定義設備功能、定義設備運行方式等。

2)狀態全息感知。設備設施運行潮流數據和本體的狀態信息實時感知，包含各類社會、氣象等與變電站直接或間接關聯的環境信息感知等；從信息角度來說，設備設施是信息透明體。實時數據映射到孿生體上，全息感知，全過程監控、判別、分析等。

3)精準全程控制。設備設施是保證電網安全運行重要設備，建立變電站全程精準控制的數據模型。正常情況下，按照指令或程序、算法自主完成電網正常運行操作。在事故情況下，設備設施自主、自動智能判斷和處理，完成事故狀態下全部緊急處理工作，并完成事故分析及恢復正常運行狀態。

4)量化全態評估。建立綜合反映設備設施全壽命周期狀態指數的動態量化評價指標體系，直觀、精準掌握管理設備設施的真實運行態勢。采用基于物聯網的多源時空信息統一融合技術[20-21]，從電網、設備、設施、環境等多角度出發，實現設備設施狀態的精細化量化自評估、自檢查、自診斷、自維護和自恢復及健康狀態實時管理。

5)智慧全景交互。構建數字孿生體，將全息虛擬現實、現實場景、運行狀態等全息異構數據以數字孿生方式統一到站端系統，建立統一的智慧交互接口，實現系統運行狀態和設備監測多形態數據的一致性交互，通過孿生體運行與健康管控實現對實物精準管控。采用先進的計算機視覺、多屏互動和語音交互、3D+VR(three dimensional + virtual reality)、AR(augment reality)等多元化人機交互技術，實現沉浸式智慧靈活交互，提高運維人員對變電站運行狀況的深刻認知與掌控能力。

2 智慧全息變電系統架構

2.1 功能架構

智慧全息變電系統將是新型電力系統發展的新形態，功能架構如圖6所示。

圖6 智慧全息變電系統功能架構

1)智慧感知層

智慧感知的目的是通過遍布全站的智慧設備和傳感器構建全站物聯感知網，實現全部物體可測量、可感知、可識別、可定位和可控制。智慧感知層主要是單體或單元感知，感知包括環境感知、設備狀態感知、土建設施感知等，僅有單一傳感功能。智慧感知是屬于物聯網范疇，覆蓋面更廣、顆粒度更細、更精深的感知[22-23]，范疇包括生產控制領域和管理信息領域。生產控制領域的感知是所有設備自身智慧，全部狀態可感知，現場多類網絡融合，為控制系統提供豐富的設備狀態、管理和診斷數據信息，并通過共享網絡上傳狀態信息。

2)智慧設備層

智慧設備層是從智慧變電系統理念出發，綜合整體一體化設置配置設備，主要有感測、控保、一二次一體化設備等，合理優化設備配置及功能，每套設備具有綜合智慧功能。智慧設備層是在智慧感知層的基礎上，對設備進行全方位監測管理，并將關鍵狀態參數、設備狀態信息及環境數據轉換為數字信息，對其進行實時相應的處理和高效上傳，為智慧控制層及智慧管理層提供基礎數據信息支持。智慧設備層中嵌入現場共享網絡技術，有效減少現場電光纜數量，并提高系統信號傳輸的抗干擾能力和可靠性[24]。通過對大量數據信息地高效分析處理，實現設備可靠性診斷及故障預警，并以智慧管理層為基礎構建智慧設備的在線智慧管理系統，將被動的管理模型改變為可預測性的主動管理維護模式。智慧設備層中嵌入先進的測量設備，對設備故障進行實時預警及診斷[25]；應用強AI技術、智慧機器人及無人機，完成人員無法實現的操作[26]。

3)智慧控制層

結合最新控制算法及智慧控制策略、多目標優化、數據分析等技術手段，來滿足對象多樣化的控制需求。智慧控制層中嵌入更豐富、更先進的實時控制與優化算法模塊[27]，同時加入多目標尋優算法以及機器深度學習等實時優化算法模塊功能[28]。智慧控制層中嵌入設備狀態監測與智慧預警診斷系統，通過對設備重要狀態的健康分析、基于深度學習的設備狀態預警及診斷，實現對設備運行狀態及故障的超前預警與故障診斷，為智慧健康管理提供決策支持。

4)智慧管理層

智慧管理層提供自主組織的精細化管理解決方案。基于數據共享的管控一體化平臺，通過智慧三維監控、智慧聯合巡檢、智慧聯動操作、智慧態勢評估、智慧安全防護、設備智慧追溯、智慧檢修作業安全管控等管理系統，實現變電站閉環、自主精細化管理。智慧管理層有強大的軟件定義功能，全站測量功能通過數據采集、收集，經算法來實現，電量采集及電度表功能也通過軟件定義和算法來實現。

2.2 智慧大腦

智慧全息變電系統的核心是智慧大腦，可管控、監控完成信通和變電站全部功能。設備級、網絡級、站層級深度優化，相互交互[29]。在智慧大腦上構建孿生體，實施比對監督和控制。通過智慧管控系統，實現對智慧感知層、設備層、控制層和管理層之間的數據信息相互融合交互，形成具備自主趨優精準控制、自主故障處理恢復、自主分析診斷學習、自主組織精細管理四大特征的智慧運行控制與管理模式。

1)自主趨優精準控制

在各種工作情況下，系統能克服對象自身特性問題以及外界因素變化的影響，通過全過程精準聯動控制，讓被控對象處于最優控制狀態。采用基于對象模型的最優控制策略，對被控對象的特性建立高魯棒性模型，并基于變電站歷史/實時數據信息，實現對模型的定期自檢、巡檢、維護和實時更新等。結合被控對象的特點，設計基于模型預測的控制策略和先進控制算法，實現對被控對象的全程精準實時控制。

2)自主故障處理恢復

在運行中，如傳感器、元器件、執行機構等設備部件發生故障時，利用控制系統的容錯處理能力，保證系統能夠正常運行工作，并保證具有較理想的控制性能。容錯控制分為被動容錯控制和主動容錯控制，被動容錯控制在系統設計時則需考慮對象的不確定性，使控制系統具有魯棒功能；主動容錯控制則在故障發生后，通過改變定義控制系統結構和控制方式，實現容錯控制的目的。事故處理完畢之后，系統自主恢復正常運行狀態。

3)自主分析診斷學習

通過對海量數據資源的挖掘利用和深度學習，建立基于數據驅動的輸入/輸出關系數學模型，并結合基于模型的精準數學模型，利用構建的模型按照調整規則策略進行故障模擬和自弈，生成并獲取具有海量數據資源的故障知識庫。通過實際運行數據與模型運行數據和故障知識庫之間的比對與評估，實現對系統或設備故障的預前分析、診斷、判別、警示和警告。

4)自主組織精細管理

智慧全息變電站各功能的實現，離不開強大的AI技術、數據分析處理和高級管理系統等，也需要完善的管理規范制度作為支撐。自主組織精細管理的目標一方面增強管理系統的自主組織能力，實現管理層面中的及時閉環管控處理，通過閉環管控提升事件處理效率，避免管理上的疏漏；另一方面增強管理系統的精細化能力，以“互聯網+”為核心實現專業化、數據化和信息化的融合，通過管理數據與生產數據之間的相互融合交互，提升變電站精細化管理水平。

3 智慧全息變電系統應用前景

3.1 技術難題

開展智慧全息變電系統規劃設計建設，需要突破一系列技術難題，打破專業技術及管理壁壘。主要有如下四方面：

1)電網更安全

在提升設備質量、優化設備功能、改善運行環境、設備基礎和組部件標準化、即插即用、減少設備陪停等方面開展研究，以降低設備故障率和減少停電時間；在變電站靈活接線、智慧輔助倒供電、接地選線、快速隔離故障點等方面開展研究，以提高供電靈活性；適應多類新能源接入、分布式發電、多元用戶供電、供需互動等方面開展研究，以適應未來需要。

2)供電更可靠

在先進傳感技術應用、設備內部狀態感知、自主診斷和預警技術等方面進行重點研究，以提升設備智慧水平和管控能力。在設備防爆防火防有毒氣體、防誤觸帶電設備及高危環境下作業等方面開展研究，以降低人身傷害，提高供電可靠性。對設備設計、制造、安裝、調試、驗收等全過程進行深度研究，落實反事故措施，以提升本質安全水平。

3)運維更高效

智慧全息變電站有效地把設備智慧和管理智慧相結合，把最新技術應用于日常運檢作業，在運檢信息智慧三維監控、智慧聯動操作、智慧情景交互、智慧安全防護、機器人聯合巡檢、不停電檢測等方面開展深度研究，把有限的運維人員從繁雜的單調、重復、無效勞動中解放出來，提升運檢效率。

4)全壽命周期成本更低

通過設備設施智慧賦能，在規劃設計優化、模塊化建設施工、免(少)維護設備選擇、合理建筑物功能布局、設備及基礎標準化、運維檢修便利化等方面開展深度研究，合理控制建設成本，有效降低后期運維成本，實現全壽命周期成本更低，效益最大化。

3.2 應用前景

智慧全息變電系統將是新型電網系統建設的基礎，具有廣闊的應用前景。

1)構建電網區域調控中心

以智慧全息變電站為基礎，構建電網區域調控中心，作為電源送出的本區域下級電網調控中心，統籌控制和調度區域電網運行，以適應分區域、分層次電網調度。通過該站靈活柔性優化調度控制，實現分層電網調控和最優經濟運行功能，以適應未來電網發展需要。

2)構建區域能源交互中心

以智慧全息變電站為基礎，構建區域能源交互中心，類似能源路由器或交換器，作為靈活多類電源接入點和綜合能源管理中心，以適應多類新能源接入、多元用戶供電、供需互動等等，系統具有靈活多形態、多層次、多種類能源接入和交互功能。

4 結語

智慧化已經成為我國新型電力系統發展的必然趨勢。智慧全息變電系統是一項多學科交叉的高新技術領域，需要全新的創新理論和技術，也需要通過“產學研用”相結合，從規劃設計、研發、建設等多全方面合作研究，全方位推進。

智慧全息變電系統的精髓在于從多維度開展規劃設計，設備、設施、系統、保護與控制等全部智慧化，以系統集成定義為理念，構建新型變電系統，實現系統、站域、設備設施內外全透明、狀態全管控、信息全可視、信息互聯共享、人機友好交互、設備診斷高度智慧。以智慧全息變電站為核心的智慧全息變電系統，將是電網采集、測量、保護與控制、運維等實現質的變革。

隨著我國電網技術飛速發展和融合，專業管理的進一步優化，智慧全息變電系統將成為現實，將推動電網建設和運營水平，成為新型電網發展的新趨勢、新形態。