變電站運(yùn)維策略優(yōu)化及安全管控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

盧帥帥 田志平

摘? 要：近年來，為最大限度地提升變電站運(yùn)維的全面性、有效性和成本性，業(yè)內(nèi)開展大量的研究工作。在變電站運(yùn)維中，科學(xué)且完善的安全管控系統(tǒng)是關(guān)鍵組成部分。該文首先對變電站運(yùn)維策略優(yōu)化進(jìn)行闡述；其次提出一種符合變電站運(yùn)維策略優(yōu)化所需的安全管控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；最后基于所構(gòu)想的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，闡述安全管控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。所作研究為業(yè)內(nèi)人員的研究和實(shí)踐，提供一定的參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：變電站；運(yùn)維策略；安全管控系統(tǒng)；設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號：TM63? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：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

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各個領(lǐng)域?qū)τ陔娏|(zhì)量的要求越來越高。為了保證變電站的正常運(yùn)行，需要對變電站的設(shè)施和設(shè)備進(jìn)行定期的監(jiān)控和檢測。然而，單單依靠視頻監(jiān)控、微機(jī)保護(hù)等監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，不僅數(shù)據(jù)來源十分單一，而且成本較高，不符合變電站長期發(fā)展的現(xiàn)實(shí)需求[1]。因此，本文的目的是確定變電站的最佳運(yùn)維策略，以減少變電站的運(yùn)維成本和停機(jī)時間。本文的新穎之處在于將安全管控系統(tǒng)納入到變電站的運(yùn)維策略中，通過安全管控系統(tǒng)的應(yīng)用，縮減變電站運(yùn)維的人力成本，并保證變電站運(yùn)維的有效率。

1? 變電站運(yùn)維策略優(yōu)化

1.1? 變電站運(yùn)維現(xiàn)狀概述

毋庸置疑，變電站需要在日常運(yùn)維當(dāng)中投入大量時間和金錢，來維護(hù)變電站設(shè)施和設(shè)備的正常運(yùn)行。目前，變電站所進(jìn)行的維護(hù)主要是預(yù)防性的，包括每月、每季度、每半年和每年對變電站進(jìn)行的電氣和機(jī)械維護(hù)。此外，還有年度檢查和涂層修復(fù)、健康、安全和環(huán)境（HSE）維護(hù)（包括安全材料檢查）以及提前計(jì)劃的設(shè)備檢修活動。2023年的研究表明，較舊且較小的變電站年度運(yùn)維策略中，運(yùn)維費(fèi)用通常為項(xiàng)目原始投資的3%；相反，較新且較大的變電站年度運(yùn)維策略中，運(yùn)維費(fèi)用通常在原始投資的1.5%到2%之間變化。以十年為例，這相當(dāng)于變電站項(xiàng)目生命周期支出總額的14%～30%[2]。因此，盡管通過使用可持續(xù)的材料來降低運(yùn)營成本，但運(yùn)營和維護(hù)仍然占變電站成本的很大一部分?？紤]到未來電能日益重要，以及維護(hù)成本對變電站項(xiàng)目生命周期的影響，優(yōu)化變電站運(yùn)維策略，勢在必行。

1.2? 變電站運(yùn)維策略優(yōu)化

如上所述，高昂的維護(hù)成本仍然是變電站運(yùn)維的一個巨大問題。因此，應(yīng)盡量減少確定最佳的變電站設(shè)施設(shè)備的檢查維護(hù)時間安排，以優(yōu)化勞動時間并確定工作的優(yōu)先順序，降低勞動力成本和停機(jī)時間。所有這些維護(hù)任務(wù)都需要考慮到變電站設(shè)施設(shè)備和運(yùn)維人員的可用性，全天都會發(fā)生變化，因此，需要規(guī)劃科學(xué)的運(yùn)維策略。變電站運(yùn)維策略優(yōu)化問題，其本質(zhì)是如何安排變電站的預(yù)防性維護(hù)任務(wù)，從而最大限度地減少成本、延誤和停機(jī)。由此，可以將變電站的運(yùn)維策略優(yōu)化，總結(jié)為以下3個問題。

第一個問題：最少的人力成本浪費(fèi)問題。

第二個問題：大限度地減少執(zhí)行的所有維護(hù)任務(wù)的平均延遲問題。

第三個問題：最大限度地減少維護(hù)期間的停機(jī)損失問題。

基于上述問題，變電站運(yùn)維策略優(yōu)化，可以通過遺傳算法求解最優(yōu)路徑，計(jì)算變電站的最優(yōu)巡視路線，來減少平均延遲。然而，引入最優(yōu)路徑遺傳算法來減少平均延遲可能會導(dǎo)致需要較高的人力成本和服務(wù)序列。為了做到“逢巡必巡，每巡必好”，本文提供了以最佳方式實(shí)現(xiàn)所有目標(biāo)的解決方案。

首先，使用遺傳算法來解決變電站運(yùn)維巡視工作量問題。使用遺傳算法求解是一種啟發(fā)式優(yōu)化方法，可最小化變電站運(yùn)維巡視工作量[3]。此外，還可以通過應(yīng)用其他啟發(fā)式方法（例如蟻群優(yōu)化）以及通過OR工具開發(fā)的求解器來解決變電站運(yùn)維巡視工作量。但是，與其他方法相比，遺傳算法的使用具有重要的優(yōu)勢。該算法可以找到使用傳統(tǒng)方法幾乎無法解決的問題的解決方案。此外，其陷入局部最小值的可能性也較小。最后，其常常能找到比傳統(tǒng)方法更好的解決方案。

其次，基于遺傳算法，每個目標(biāo)的重要性可以通過使用權(quán)重因子來納入，進(jìn)而可以找到變電站運(yùn)維的最短路徑[4]。其中，最短路徑包含非支配解決方案，對應(yīng)于理想的維護(hù)順序。在這種情況下，由于每個目標(biāo)都被認(rèn)為是同等重要的，并且每項(xiàng)工作的維修時間和到期時間都是已知的。在實(shí)際操作環(huán)境中，當(dāng)運(yùn)維人員在變電站工作時，轉(zhuǎn)化上述假設(shè)，定義并分類以下參數(shù)、條件、決策變量和目標(biāo)。如果在不降低其他目標(biāo)值的情況下減少運(yùn)維時間，則該解決方案稱為帕累托最優(yōu)。在計(jì)算中，從初始群體開始，通過應(yīng)用交叉和變異，搜索最小化預(yù)定義成本函數(shù)的解決方案，直到達(dá)到停止標(biāo)準(zhǔn)。

最后，以日常巡視記錄電氣設(shè)備特征參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過擬合特征參數(shù)歷史數(shù)據(jù)，來實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備的狀態(tài)預(yù)警，同時可計(jì)算出設(shè)備巡視周期，方便巡視人員根據(jù)設(shè)備狀態(tài)動態(tài)調(diào)整巡視。

上述方案所使用的遺傳算法的邏輯結(jié)構(gòu)可以寫成如下形式。

Start：為變電站運(yùn)維生成n個合適解決方案的隨機(jī)群體。

Fitness：評估所選群體中每個個體的適應(yīng)度函數(shù)。

New population：通過重復(fù)接下來的4個步驟創(chuàng)建新的群體，直到新群體完成。

Selection：從總體中選擇2個作為群體父母。

Crossover：使用交叉運(yùn)算，交叉父母以形成新的后代。后者結(jié)合兩個父母的遺傳信息來產(chǎn)生新的后代。

Mutation：使新的后代發(fā)生突變（突變概率），以獲得新的解決方案以避免局部極小值。

Accepting：將新后代放入新群體中。

Replace：使用新生成的群體進(jìn)一步執(zhí)行算法。

Test：如果滿足結(jié)束條件，則停止并返回當(dāng)前群體中的最佳解決方案。

Loop：返回Replace步驟。

將以上算法步驟轉(zhuǎn)換為 MATLAB，就能實(shí)現(xiàn)變電站運(yùn)維策略的優(yōu)化。以某變電站為例，優(yōu)化前后的運(yùn)維策略變化，如圖1所示。

圖1? 某變電站運(yùn)維策略優(yōu)化前后的設(shè)備維護(hù)順序和路徑圖

由圖1可知，優(yōu)化前，該變電站的運(yùn)維路徑：開始—V1—V3—V2—V7—V4—V6—V8—V10—V9—V5—開始，用時2 h；優(yōu)化后，該變電站的運(yùn)維路徑：開始—V8—V7—V6—V10—V9—V5—V4—V3—V2—V1—開始，用時1.3 h，節(jié)約0.7 h。不僅優(yōu)化了人力資源配置，還提高了運(yùn)維工作效率。

2? 變電站安全管控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1? 安全管控系統(tǒng)需求概述

目前，變電站的運(yùn)維巡視周期設(shè)定均是在多年巡視經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上建立的，無論設(shè)備是否先進(jìn)，設(shè)備的可靠性是否不同，或現(xiàn)場運(yùn)行情況如何，同一電壓等級的變電站均采用同樣的檢查周期，對運(yùn)維巡視工作的規(guī)劃缺乏一定的合理性[5]。如果巡視周期設(shè)定的太長，電氣設(shè)備的缺陷只能在下次巡視時發(fā)現(xiàn)，容易造成設(shè)備故障的發(fā)生，增加經(jīng)濟(jì)損失。反之，如果巡視周期設(shè)定的太短，變電站巡視人員會疲于奔波在各變電站巡視工作中，造成人力和物力的極大浪費(fèi)，也會造成運(yùn)維人員對設(shè)備狀態(tài)的變化不敏感。

為了解決上述問題，本系統(tǒng)需要在滿足閉鎖全面性和強(qiáng)制性要求的基礎(chǔ)上，針對運(yùn)檢一體化安全管控的各個環(huán)節(jié)，從變電站作業(yè)安全角度出發(fā)，完善變電站微機(jī)防誤閉鎖功能，增加檢修作業(yè)管控、二次管控、接地線管理、鎖控系統(tǒng)管理、智能解鎖鑰匙管理和安全工器具管理等功能，并通過對倒閘操作、巡維作業(yè)、檢修作業(yè)的業(yè)務(wù)流程和系統(tǒng)應(yīng)用進(jìn)行梳理，以微機(jī)防誤操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)進(jìn)行應(yīng)用整合，建立一個平臺化、網(wǎng)絡(luò)化、標(biāo)準(zhǔn)化的智能全過程運(yùn)檢作業(yè)安全管控體系，涵蓋運(yùn)維、檢修等多專業(yè)的安全管理，提升區(qū)域電網(wǎng)變電作業(yè)安全生產(chǎn)水平，提高工作效率、降低運(yùn)行成本。

2.2? 安全管控系統(tǒng)總體架構(gòu)

所設(shè)計(jì)的運(yùn)檢作業(yè)安全管控系統(tǒng)由一次子系統(tǒng)、二次子系統(tǒng)、檢修作業(yè)子系統(tǒng)、智能鎖控子系統(tǒng)、智能解鎖鑰匙管理子系統(tǒng)、安全工器具管理子系統(tǒng)和微環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)7個部分組成。各個子系統(tǒng)共用安全管控主機(jī)，共享數(shù)據(jù)服務(wù)和應(yīng)用服務(wù)，并提供不同的硬件設(shè)備，每個子系統(tǒng)均可獨(dú)立完成某一類運(yùn)檢作業(yè)的安全管控。具體如圖2所示。

圖2? 運(yùn)檢作業(yè)安全管控系統(tǒng)方案結(jié)構(gòu)圖

2.3? 安全管控系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的安全管控系統(tǒng)，提供以下功能。

2.3.1? 運(yùn)行監(jiān)視功能

運(yùn)行監(jiān)盤時，安全管控系統(tǒng)通過二次設(shè)備/接地線狀態(tài)采集、運(yùn)行方式異常監(jiān)測、移動應(yīng)用查詢服務(wù)等完善設(shè)備狀態(tài)采集，并幫助運(yùn)檢人員提高監(jiān)盤效率。

2.3.2? “一卡通”統(tǒng)一授權(quán)管理功能

“一卡通”管理基于變電運(yùn)檢作業(yè)人員身份識別卡（員工卡），實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一權(quán)限管理，并提供統(tǒng)一的應(yīng)用管理平臺和軟件管理界面，通過運(yùn)檢作業(yè)安全管控系統(tǒng)平臺，實(shí)現(xiàn)對變電站各類門鎖、臨時接地線、安全工器具和解鎖鑰匙的使用授權(quán)統(tǒng)一管理。

2.3.3? 巡維作業(yè)功能

巡維任務(wù)時，安全管控系統(tǒng)提供統(tǒng)一的鎖具管理功能，可以實(shí)現(xiàn)一把電腦鑰匙對所有鎖具進(jìn)行開鎖授權(quán)；當(dāng)運(yùn)檢人員進(jìn)行設(shè)備巡維時，可以使用防誤鑰匙對所有鎖具進(jìn)行開鎖，而對于外來人員等，只能使用鎖控鑰匙對鎖控類鎖具進(jìn)行開鎖，這樣既滿足了設(shè)備巡維過程中的高效性，又保證了設(shè)備巡維過程的安全性不受影響。另外通過安器具管控，可以實(shí)現(xiàn)安器具的全生命周期管理。

2.3.4? 倒閘作業(yè)功能

倒閘操作任務(wù)時，安全管控系統(tǒng)提供一鍵智能成票、拓?fù)浞勒`校驗(yàn)、二次防誤規(guī)則校驗(yàn)、鎖控操作關(guān)聯(lián)、混合操作任務(wù)和設(shè)備狀態(tài)不同源判斷等功能，有效提高倒閘操作任務(wù)的效率、安全性和智能化；對于使用順控操作的倒閘操作任務(wù)，提供滿足長期不停電運(yùn)行要求的嵌入式工控主機(jī)，同時結(jié)合上述提到的拓?fù)浞勒`校驗(yàn)、二次防誤規(guī)則校驗(yàn)、設(shè)備狀態(tài)不同源判斷功能，為順控操作安全提供必要技術(shù)支撐。

2.3.5? 檢修作業(yè)功能

檢修任務(wù)時，安全管控系統(tǒng)提供開檢修票、檢修安全區(qū)動態(tài)識別、檢修開票防誤校驗(yàn)、檢修隔離面自動生成、隔離面設(shè)備操作權(quán)約束與強(qiáng)制閉鎖、檢修設(shè)備傳動強(qiáng)制防誤約束和檢修完成狀態(tài)恢復(fù)校核等功能，實(shí)現(xiàn)對檢修作業(yè)過程的安全管控，可有效提高檢修操作的效率、安全性和智能化。設(shè)備的狀態(tài)，自動生成檢修安全區(qū)設(shè)備、檢修邊界設(shè)備，并通過拓?fù)渲珜?shí)現(xiàn)可視化識別。

具體功能設(shè)計(jì)如圖3所示。

3? 變電站安全管控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

在所設(shè)計(jì)的變電站安全管控系統(tǒng)中，DLT被用于系統(tǒng)的實(shí)施。DLT是一個使用存儲在網(wǎng)絡(luò)中獨(dú)立的，連接設(shè)備上的賬本，來確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和安全性的平臺。DLT的3個特點(diǎn)是分布式、共識機(jī)制和密碼學(xué)機(jī)制，通過系統(tǒng)的Python模塊powersys_event_detect.py，實(shí)現(xiàn)事件檢測流程[6]。

具體來說，事件檢測模塊通過來自鏈外數(shù)據(jù)庫的通知接收數(shù)據(jù)，該通知涉及從RFID物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)收集然后存儲的IEC 61850 GOOSE數(shù)據(jù)包。該數(shù)據(jù)包存儲在Hyperledger Fabric DLT中，以提供GOOSE數(shù)據(jù)的信任錨定。事件檢測模塊使用psycopg2庫從鏈下數(shù)據(jù)庫和標(biāo)準(zhǔn)Python庫讀取數(shù)據(jù)，其中的GOOSE數(shù)據(jù)包，由goID（GOOSE設(shè)備ID）、時間戳和數(shù)據(jù)集值組成。例如，繼電器和功率計(jì)，具有不同的GOOSE數(shù)據(jù)集。所設(shè)計(jì)的安全管控系統(tǒng)將對相關(guān)GOOSE數(shù)據(jù)集值執(zhí)行檢查的函數(shù)、檢查描述/詳細(xì)信息字符串以及事件持續(xù)時間閾值，以確定事件何時開始和停止。事件持續(xù)時間閾值間隔用于過濾掉不滿足最短持續(xù)時間的事件，默認(rèn)持續(xù)時間為60 min。有效事件被記錄并插入到鏈下數(shù)據(jù)庫中，并且可以自動保存為事件圖圖像文件。此日志記錄由單獨(dú)的事件繪圖器類處理，該類維護(hù)每個事件檢查的自定義繪圖設(shè)置，可用于通過目視檢查快速分析檢測到的事件。最后，有效事件通過將當(dāng)前鏈下GOOSE數(shù)據(jù)來觸發(fā)GOOSE數(shù)據(jù)的證明檢查。

該架構(gòu)中使用的同步時間協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了變電站安全管控系統(tǒng)中，精確時間協(xié)議和范圍內(nèi)儀器組時間代碼B信號（IRIG-B）。具體來說，所設(shè)計(jì)的安全管控系統(tǒng)通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)精確時間協(xié)議通信，其中，電表和饋線繼電器采用IRIG-B通信；SEL 421保護(hù)繼電器傳輸IEC 61850采樣值消息；SEL 451保護(hù)繼電器和SEL 735功率計(jì)傳輸IEC 61850 GOOSE消息，SEL 734功率計(jì)傳輸分布式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（DNP）消息。

4? 結(jié)束語

綜上所述，變電站是電力系統(tǒng)中十分重要的部分，直接關(guān)系到最終使用的電力質(zhì)量。因此，保證變電站的正常運(yùn)行，十分關(guān)鍵。針對目前變電站運(yùn)維工作路徑復(fù)雜、人力成本和資源消耗較高等問題，優(yōu)化變電站運(yùn)維策略，刻不容緩。本文通過引入遺傳算法，提出了一種變電站運(yùn)維策略優(yōu)化的邏輯結(jié)構(gòu)和解決方案。所提方案經(jīng)過MATLAB的仿真處理，能夠?qū)⒃? h的運(yùn)維時間，縮減為1.3 h，取得了一定的優(yōu)化效果。在此基礎(chǔ)上，本文針對變電站運(yùn)維策略優(yōu)化所需，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種變電站安全管控系統(tǒng)。該系統(tǒng)側(cè)重于使用具有GOOSE消息的功率計(jì)和保護(hù)繼電器，專注于電氣故障檢測、電能質(zhì)量監(jiān)控、分布式能源用例和網(wǎng)絡(luò)事件場景的應(yīng)用。該系統(tǒng)秉承簡單、可靠、實(shí)用的原則，從多個角度對運(yùn)檢作業(yè)進(jìn)行管控，貫穿了運(yùn)行、巡維、檢修等作業(yè)的各個環(huán)節(jié)，涉及了一次、二次防誤，操作票，檢修操作，鎖控管理，安器具管理等多種業(yè)務(wù)，從不同的維度對運(yùn)檢業(yè)務(wù)進(jìn)行全過程安全管控。

參考文獻(xiàn)：

[1] 許夢陽，許夢華，白欣雨，等.智能變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用系統(tǒng)安全試驗(yàn)方法研究[J].電工技術(shù)，2023（8）：155-157，160.

[2] 崔艷軍，陶剛，丁偉翠.基于BIM技術(shù)的特高壓數(shù)字化管控系統(tǒng)在變電站工程中的應(yīng)用[J].電力勘測設(shè)計(jì)，2023（1）：49-55.

[3] 呂健，孫磊，李垚，等.基于5G的變電站運(yùn)行環(huán)境管控系統(tǒng)[J].農(nóng)村電工，2023，31（2）：47-48.

[4] 趙占國.變電站自動化系統(tǒng)中的安全措施分析[J].集成電路應(yīng)用，2023，40（1）：156-157.

[5] 莊莉，劉寶升，王秋琳，等.基于邊緣計(jì)算的變電站風(fēng)險預(yù)警管控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2023，49（4）：92-97.

[6] 任宇路，劉毅敏，節(jié)連彬，等.基于AI和智能視頻分析技術(shù)的變電站安全運(yùn)維系統(tǒng)[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用，2023，42（7）：174-178.