基于新型電力系統(tǒng)的輸變電數(shù)字化研究

中國電建集團(tuán)河南省電力勘測設(shè)計院有限公司 段宇航

1 引言

自提出并全面推進(jìn)碳達(dá)峰、碳中和戰(zhàn)略目標(biāo)，明顯促進(jìn)了新型電力系統(tǒng)建設(shè)的發(fā)展。新型電力系統(tǒng)逐漸發(fā)展為助力“雙碳”目標(biāo)實現(xiàn)的核心要素之一。在推動數(shù)字化技術(shù)體系創(chuàng)建階段，應(yīng)提升高端芯片、智能傳感、邊緣計算以及智能算法等重要技術(shù)。隨著新型電力系統(tǒng)的建設(shè)發(fā)展，輸變電一次設(shè)備的更替升級會受較多因素的影響，且一段時間內(nèi)基本不會出現(xiàn)革命性轉(zhuǎn)變。由此可見，基于新型電力系統(tǒng)的輸變電數(shù)字化轉(zhuǎn)型在現(xiàn)代社會的可持續(xù)發(fā)展過程較為關(guān)鍵。

2 變電站（換流站）數(shù)字化

該數(shù)字化建設(shè)包括感知終端、氣體監(jiān)測裝置以及協(xié)同輔助體系，旨在實現(xiàn)對電力設(shè)備的全方位24h的巡查監(jiān)視，其中變電站狀態(tài)感知與換流站狀態(tài)感知數(shù)字化組成結(jié)構(gòu)尤為重要，且相似性較強(qiáng)。變電站狀態(tài)感知數(shù)字化組成結(jié)構(gòu)主要包括高頻局放、振動、機(jī)械特性、接地電流、TEV-暫態(tài)地電壓、空聲、溫度、超聲局放、特高頻局放、光聲光譜油中溶解氣體、變壓器、GIS 及開關(guān)柜。而換流站狀態(tài)感知數(shù)字化組成結(jié)構(gòu)較變電站狀態(tài)感知數(shù)字化組成結(jié)構(gòu)多了換流變與換流閥。該數(shù)字化體系在監(jiān)測主變壓器、高抗、站用變等關(guān)鍵設(shè)備時，主要關(guān)注溫度、絕緣缺陷、非正常物質(zhì)、滲漏油、外部腐蝕、套管受損等多個方面，以確保設(shè)備的正常運(yùn)行和提前發(fā)現(xiàn)潛在問題，然后再對換流閥溫度、氣體絕緣聯(lián)合裝置本體和管套溫度、多種絕緣缺點、異物區(qū)分、外部銹蝕、管套破損和非正常響動予以自動化監(jiān)測，要特別強(qiáng)化針對換流變套管的全面狀態(tài)感知[1]。

多物理感知終端如圖1所示，具備非接觸和接觸式兩種監(jiān)測模式，可廣泛應(yīng)用于變電站等場景，用于監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)。其中接觸式裝置的功能包括測量暫態(tài)電壓、溫度等性能參數(shù)。非接觸裝置的功能包括紅外熱成像監(jiān)測、可見光圖像監(jiān)測等功能，可以全方位24h 提供監(jiān)測服務(wù)，以此高效集中多種接觸式傳感裝置的數(shù)據(jù)信息，為邊緣計算提供便利條件和依據(jù)[2]。

圖1 多物理量智能感知終端

3 架空輸電線路數(shù)字化

實時監(jiān)測架空輸電線路是一個涵蓋廣泛物理層面的任務(wù)，引發(fā)了許多與供電和通信相關(guān)的問題。對于傳感器、通道監(jiān)測和無人機(jī)監(jiān)測數(shù)據(jù)的上傳，傳感器主要傳輸至邊緣計算機(jī)設(shè)備，而后兩種通過無線專網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳回，從而實現(xiàn)對線路的全面監(jiān)測，其中架空輸電線路狀態(tài)感知數(shù)字化組成結(jié)構(gòu)包括智能感知終端、巡檢無人機(jī)、分布式故障定位儀、遙感衛(wèi)星、載人直升機(jī)及架空輸電線路[3]。

架空輸電線路數(shù)字化最初呈現(xiàn)出的形象能夠通過在智能化技術(shù)的輔助下在規(guī)范化智慧架空線路內(nèi)予以展示，同時還支持對桿塔、絕緣子、導(dǎo)線、等多個因素的高效檢測，其監(jiān)測形式可以被劃分為與桿塔存在一定聯(lián)系的桿塔傾斜以及和絕緣子存在一定聯(lián)系的泄漏電流，導(dǎo)線存在一定聯(lián)系的導(dǎo)線斷股、接頭測溫以及雷電定位等內(nèi)容，包括和環(huán)境通道存在一定聯(lián)系的覆冰、施工等非正常呈現(xiàn)形式的監(jiān)控測定。現(xiàn)階段已逐漸產(chǎn)生圍繞通道視頻監(jiān)控以及線路分布式故障定位為中心的邏輯和模式，同時還借助智能化巡檢設(shè)備輔助線路狀態(tài)感知。

為有效解決圖像識別精確度較低的問題，對卷積神經(jīng)算法進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，進(jìn)一步提高無人機(jī)巡檢精度。該算法的優(yōu)勢在于高效識別圖像關(guān)鍵特征，提高對缺陷的檢測準(zhǔn)確性，確保電力輸送線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行。針對輸電走廊異常物質(zhì)的測定，采用以密度變化為基礎(chǔ)的三層地面任意體散射模型。該模型不僅檢測輸電走廊植被高度，還能識別異常物質(zhì)，為通道位置監(jiān)測提供有效手段，確保輸電通道暢通和安全。

圖像處理主要采用兩種方法，一是數(shù)字圖像處理，通過裁剪、顏色調(diào)整、旋轉(zhuǎn)和濾波等操作提升圖像質(zhì)量。二是基于現(xiàn)有特性創(chuàng)建相似圖像，可通過組合元素或使用生成模型實現(xiàn)。圖像合成強(qiáng)調(diào)利用圖像關(guān)聯(lián)性，通過分析特征和結(jié)構(gòu)生成外觀和內(nèi)容相似的新圖像。這兩方法構(gòu)成了強(qiáng)大而多樣化的工具集，不僅修復(fù)問題，還創(chuàng)造富有創(chuàng)意性的圖像，為圖像處理領(lǐng)域帶來新可能性[4]。

4 電纜隧道、GIL 管廊數(shù)字化

針對運(yùn)行電纜的狀態(tài)感知其關(guān)鍵內(nèi)容是圍繞溫度、局部放電等因素。現(xiàn)階段，電纜的故障發(fā)生頻次較高、判定效果亟須強(qiáng)化。當(dāng)今，通過停電狀態(tài)的移動式震蕩波檢測法能夠探尋出電纜的多個不足之處，可將來的建設(shè)趨勢依舊圍繞線式以及非固定式的持續(xù)性供電檢測技術(shù)為中心。直埋以及排管電纜僅能在生產(chǎn)階段順利配備傳感裝置，在正式運(yùn)作期間的作業(yè)難度較高，只適用于地表部分的監(jiān)測。

電纜隧道數(shù)字化組成包括感知終端、感知設(shè)備和協(xié)同輔助系統(tǒng)，實現(xiàn)電纜的24h 全面監(jiān)測，具體組成結(jié)構(gòu)包括特高頻局放、高頻局放、水位、氣體、護(hù)套環(huán)流、光纖測溫及電纜隧道。此外非接觸式終端采用先進(jìn)傳感技術(shù)，在不接觸電纜的情況下實時感知狀態(tài)，保證全方位、全時段的監(jiān)測。觸式設(shè)備直接接觸電纜和接頭，更準(zhǔn)確獲取表面信息，實現(xiàn)對絕緣情況、異常響動、異常物質(zhì)、銹蝕和損壞等的精準(zhǔn)監(jiān)測，并利用分布式光纖監(jiān)測路面的實際施工狀況，同時予以定位，以此有效防止電纜隧道收到外在因素的損害。

關(guān)于GIL 狀態(tài)感知，其核心關(guān)注點主要包括溫度、寬頻電壓和局部放電。系統(tǒng)的數(shù)字化構(gòu)成涵蓋了非接觸智能感知終端、接觸智能傳感裝置和輔助系統(tǒng)，具體結(jié)構(gòu)包括特高頻局放、高頻局放、光纖局放、光纖測溫、氣體、超聲局放、寬頻電壓及GIL 管廊，最終構(gòu)成的系統(tǒng)實現(xiàn)24h 全面監(jiān)測。該系統(tǒng)具備智能監(jiān)測GIL 的異常熱度、異常響動、異常物質(zhì)、銹蝕以及損壞等方面的能力，為GIL 管廊提供了智能化的監(jiān)控服務(wù)[5]。

現(xiàn)階段的管廊故障定位研究集中于提高異常溫度條件下的準(zhǔn)確性，包括模擬不同電纜接地方法和進(jìn)行三相電纜試驗，深入了解護(hù)層故障引起的電纜溫升現(xiàn)象，通過測量前后溫度差實現(xiàn)高精度的故障位置定位。另一方面，高壓電纜放電信號傳播方面的研究關(guān)注局部放電信號的衰減特性和耦合效應(yīng)，以更準(zhǔn)確地定位局部放電源，目標(biāo)是深入了解電纜系統(tǒng)中放電信號的傳播機(jī)制以提高定位準(zhǔn)確性。對于GIL 的非正常聲響，研究采用有限長GIL 管廊模型，通過模擬聲場分布和低頻擊穿放電定位機(jī)制，深入了解管廊內(nèi)部的聲學(xué)特性，這不僅有助于模擬管廊內(nèi)聲場分布，還為低頻擊穿放電提供有力支持。最后，光學(xué)局放定位方面的研究采用仿真和學(xué)習(xí)方法，通過整合仿真和試驗數(shù)據(jù)，取得了滿意的光學(xué)局放定位效果，該方法綜合考慮光學(xué)信號的多維特征，提高了定位的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

5 基于新型電力系統(tǒng)的輸變電數(shù)字化技術(shù)展望

5.1 高級人工智能與機(jī)器學(xué)習(xí)算法

在未來的輸變電系統(tǒng)中，人工智能（AI）和機(jī)器學(xué)習(xí)將發(fā)揮核心作用，將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析和預(yù)測。這些技術(shù)能夠處理海量的電網(wǎng)數(shù)據(jù)，從設(shè)備性能到用戶行為模式，提供深入的洞見和預(yù)測。例如，深度學(xué)習(xí)算法能夠預(yù)測電網(wǎng)負(fù)荷，自動調(diào)節(jié)電力分配，優(yōu)化能源使用效率。此外，AI 技術(shù)在故障檢測和預(yù)測性維護(hù)方面的應(yīng)用將極大提高電網(wǎng)的可靠性。實時監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)和性能，AI 可以預(yù)測故障發(fā)生，減少意外停機(jī)。在安全性方面，AI 可以幫助識別和防范網(wǎng)絡(luò)攻擊，提升電網(wǎng)的安全防護(hù)。通過大數(shù)據(jù)分析，AI 還能夠幫助電網(wǎng)運(yùn)營商優(yōu)化投資決策和維護(hù)策略，例如通過分析歷史數(shù)據(jù)和趨勢，確定投資最高效的設(shè)備升級或維護(hù)計劃。

5.2 分布式能源資源的集成

隨著可再生能源的快速發(fā)展，分布式能源資源（DERs）如太陽能光伏板和風(fēng)力發(fā)電機(jī)的集成成為電網(wǎng)的重要組成部分。數(shù)字化技術(shù)在此過程中扮演了關(guān)鍵角色，不僅提供了實時監(jiān)控和控制分布式資源的能力，還能夠優(yōu)化這些資源的輸出，平衡供需。通過智能電網(wǎng)和分布式能源管理系統(tǒng)（DERMS），電網(wǎng)可以更靈活地響應(yīng)能源市場的變化，提高可再生能源的利用率。此外，集成分布式資源還涉及能源存儲技術(shù)的進(jìn)步，特別是電池技術(shù)的創(chuàng)新，這對于平衡間歇性可再生能源的輸出至關(guān)重要。數(shù)字化技術(shù)還使得用戶能夠成為能源的“互動參與者”，不僅消費(fèi)電力，還能向電網(wǎng)供電，例如通過家庭太陽能光伏系統(tǒng)。這種雙向能量流動要求電網(wǎng)具備高度的靈活性和智能化控制能力。

5.3 數(shù)字孿生技術(shù)

數(shù)字孿生技術(shù)在輸變電系統(tǒng)的應(yīng)用將為電網(wǎng)運(yùn)營和維護(hù)提供革命性的方法。通過創(chuàng)建電網(wǎng)的精確虛擬模型，運(yùn)營商可以在虛擬環(huán)境中模擬和分析電網(wǎng)的行為。這種模擬可被用于測試不同的運(yùn)營策略、應(yīng)對潛在的故障情況或優(yōu)化電網(wǎng)設(shè)計。數(shù)字孿生還可被用于進(jìn)行風(fēng)險評估，例如預(yù)測極端天氣對電網(wǎng)的影響，從而提前采取措施來保護(hù)電網(wǎng)。這種技術(shù)的一個重要應(yīng)用是在電網(wǎng)升級和維護(hù)方面，允許運(yùn)營商在實際改動之前，在虛擬環(huán)境中測試不同的方案。此外，數(shù)字孿生技術(shù)也是培訓(xùn)和教育工作的有力工具，該技術(shù)可以幫助新工程師和運(yùn)營人員理解復(fù)雜的電網(wǎng)系統(tǒng)和操作流程。通過這種方式，可以大幅提升電網(wǎng)運(yùn)營的效率和安全性，同時減少因錯誤操作帶來的風(fēng)險。

5.4 互聯(lián)網(wǎng)+智能電網(wǎng)

將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與智能電網(wǎng)相結(jié)合預(yù)示著電力系統(tǒng)運(yùn)營的未來方向。這種融合使得電網(wǎng)不僅僅是能源的輸送渠道，更成為信息和服務(wù)的平臺。通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，電網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、智能化管理和用戶互動。例如，智能電表和家庭能源管理系統(tǒng)（HEMS）允許用戶更有效地監(jiān)控和控制其能源消費(fèi)，同時提供寶貴的數(shù)據(jù)幫助電網(wǎng)運(yùn)營商優(yōu)化電網(wǎng)運(yùn)行。物聯(lián)網(wǎng)（IoT）技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用將使電網(wǎng)設(shè)備更加智能和互聯(lián)，提高電網(wǎng)的靈活性和響應(yīng)能力。此外，互聯(lián)網(wǎng)平臺還為能源交易和服務(wù)提供了新的渠道，消費(fèi)者可以更容易地訪問能源市場，參與能源交易或需求響應(yīng)程序。這種參與不僅提高了能源利用效率，還促進(jìn)了能源市場的健康發(fā)展。

5.5 超導(dǎo)材料和納米技術(shù)

超導(dǎo)材料和納米技術(shù)的應(yīng)用有望根本改變輸變電系統(tǒng)的運(yùn)作方式。超導(dǎo)材料能夠在極低溫條件下傳輸電流而無電阻損失，從而顯著提高電力傳輸?shù)男省１M管超導(dǎo)技術(shù)目前仍處于發(fā)展階段，但其在未來電力系統(tǒng)中的應(yīng)用潛力巨大，特別是在城市密集區(qū)域或長距離高壓輸電線路中。納米技術(shù)在提升電力設(shè)備性能方面同樣具有革命性的潛力。例如，利用納米材料可以制造出更輕、更強(qiáng)、更高效的電力設(shè)備，如變壓器、電纜和絕緣材料。納米涂層技術(shù)還可以用于提高輸電線路的效率和耐久性。超導(dǎo)和納米技術(shù)的結(jié)合將為未來的電力系統(tǒng)帶來更高的效率、更低的能源損耗以及更長的設(shè)備使用壽命。

6 結(jié)語

新能源的廣泛應(yīng)用為我國電網(wǎng)的發(fā)展建設(shè)提供了優(yōu)質(zhì)資源和機(jī)遇，同時也導(dǎo)致電網(wǎng)全方位面臨挑戰(zhàn)。現(xiàn)階段在以基于新能源的新型電力系統(tǒng)為中心的輸變電數(shù)字化發(fā)展建設(shè)過程中，應(yīng)該完成基礎(chǔ)設(shè)備的建設(shè)之后，實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的科學(xué)合理應(yīng)用。基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)能夠被視為數(shù)據(jù)信息的互聯(lián)互通，數(shù)據(jù)應(yīng)用則是結(jié)合場景需要不斷予以研發(fā)和升級，探索科學(xué)有效的應(yīng)用方法，同時在此基礎(chǔ)上制定行業(yè)規(guī)范。