以提升自動化運(yùn)維水平為導(dǎo)向的變電站環(huán)境管控系統(tǒng)

［關(guān)鍵詞］變電站環(huán)境管控；自動化運(yùn)維；智能感知；數(shù)據(jù)驅(qū)動；可靠性

［中圖分類號］TM63 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）11–0176–03

1變電站環(huán)境管控面臨的挑戰(zhàn)

1.1傳統(tǒng)人工巡檢模式效率低下，難以適應(yīng)新形勢

面對日益增長的電力需求和不斷擴(kuò)張的電網(wǎng)規(guī)模，傳統(tǒng)的人工巡檢模式依賴人力資源，不僅效率低下，而且難以全面、及時(shí)地掌握變電站設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。頻繁的人工巡檢不但增加了運(yùn)維成本，還更容易出現(xiàn)漏檢、誤判等問題，使得設(shè)備隱患無法被及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理。此外，人工巡檢受巡檢人員經(jīng)驗(yàn)、技能等因素的限制，對設(shè)備狀態(tài)的判斷通常帶有主觀性和不確定性。在當(dāng)前電網(wǎng)智能化、信息化的大背景下，傳統(tǒng)的人工巡檢模式已無法滿足變電站環(huán)境管控的要求，亟需通過技術(shù)革新和管理創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)模式的轉(zhuǎn)變和升級。

1.2極端天氣事件頻發(fā)，對變電站環(huán)境管控提出更高要求

近年來，全球氣候變化加劇，極端天氣事件頻發(fā)，給電網(wǎng)安全運(yùn)行帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。暴雨、冰雪、高溫、臺風(fēng)等惡劣天氣都會對變電站設(shè)備造成不同程度的影響，增加設(shè)備故障的風(fēng)險(xiǎn)。尤其是一些露天布置的關(guān)鍵設(shè)備，更容易受到極端天氣的侵襲。應(yīng)對極端天氣對變電站環(huán)境管控提出了更高要求，需要建立完善的災(zāi)害預(yù)警和應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制，提高設(shè)備的抗災(zāi)能力。同時(shí)，還需要加強(qiáng)對極端天氣下設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和評估，及時(shí)調(diào)整運(yùn)維策略，確保變電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行。這就要求變電站環(huán)境管控系統(tǒng)具備更高的智能化水平和自適應(yīng)能力，能夠在惡劣環(huán)境下實(shí)現(xiàn)自主決策和優(yōu)化控制。

1.3能源互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，變電站運(yùn)維復(fù)雜度不斷增加

隨著能源互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，大規(guī)模新能源的接入，多元化負(fù)荷的涌現(xiàn)，電動汽車的廣泛普及，都給變電站的運(yùn)行管理帶來了新的挑戰(zhàn)。新能源的間歇性和波動性，使得變電站潮流更加復(fù)雜多變，對電壓、無功的控制要求更高。多元化負(fù)荷的接入，如數(shù)據(jù)中心、電動汽車充電站等，對電能質(zhì)量和供電可靠性提出更嚴(yán)苛的要求。

能源互聯(lián)網(wǎng)背景下，變電站不再是單純的電能傳輸和分配節(jié)點(diǎn)，而是承擔(dān)著更多的能量管理、信息交互等功能。這使得變電站的運(yùn)維復(fù)雜度不斷增加，對環(huán)境管控系統(tǒng)的智能化、協(xié)同化水平提出更高要求。如何在復(fù)雜多變的場景下實(shí)現(xiàn)全局優(yōu)化和自適應(yīng)控制，是能源互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代變電站環(huán)境管控面臨的重大課題。

2以提升自動化運(yùn)維水平為導(dǎo)向的變電站環(huán)境管控系統(tǒng)核心理念

2.1智能感知

智能感知即系統(tǒng)能夠在全方位、全天候、全過程中實(shí)現(xiàn)對變電站環(huán)境的全面感知和管控。通過在變電站內(nèi)部和外部廣泛部署各類傳感器，并利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將其無縫連接，環(huán)境管控系統(tǒng)可實(shí)時(shí)采集溫度、濕度、噪聲、電磁輻射等各種環(huán)境參數(shù)，以及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、電能質(zhì)量等關(guān)鍵指標(biāo)，形成一個(gè)全面而動態(tài)的環(huán)境感知網(wǎng)絡(luò)。這種全方位的感知能力使系統(tǒng)能夠掌握變電站內(nèi)外部環(huán)境的每一個(gè)細(xì)節(jié)，為后續(xù)的分析、決策、控制提供充實(shí)的數(shù)據(jù)支撐。同時(shí)，系統(tǒng)具備全天候的感知能力，確保在任何時(shí)間、任何情況下都能持續(xù)不斷地獲取環(huán)境信息，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況，為運(yùn)維決策提供可靠依據(jù)。此外，智能感知還需貫穿于變電站運(yùn)維的全過程，從設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷，到維修決策、效果評估，實(shí)現(xiàn)對運(yùn)維活動的全流程感知和追蹤。

2.2大數(shù)據(jù)分析

智能感知為系統(tǒng)提供了海量的環(huán)境和設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，而大數(shù)據(jù)分析則賦予了這些數(shù)據(jù)價(jià)值和意義。通過對采集到的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、融合、挖掘，并運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等先進(jìn)算法，環(huán)境管控系統(tǒng)能夠從紛繁復(fù)雜的數(shù)據(jù)中提煉出有價(jià)值的規(guī)律和見解，揭示設(shè)備性能退化、故障發(fā)生的內(nèi)在機(jī)理，預(yù)測環(huán)境參數(shù)變化趨勢，為優(yōu)化運(yùn)維策略提供科學(xué)依據(jù)?；诖髷?shù)據(jù)分析的智能決策支持，使得運(yùn)維人員能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地制訂預(yù)防性和預(yù)測性維護(hù)計(jì)劃，合理調(diào)配運(yùn)維資源，減少事后維修和緊急搶修，從而大幅提升運(yùn)維效率。同時(shí)，通過對歷史運(yùn)維數(shù)據(jù)的深入分析，環(huán)境管控系統(tǒng)還能夠持續(xù)優(yōu)化運(yùn)維流程，改進(jìn)作業(yè)方式，挖掘節(jié)能增效的新途徑，推動變電站運(yùn)維模式從被動應(yīng)對向主動預(yù)防轉(zhuǎn)變，從經(jīng)驗(yàn)驅(qū)動向數(shù)據(jù)驅(qū)動轉(zhuǎn)變。

2.3自適應(yīng)運(yùn)維

自適應(yīng)運(yùn)維即系統(tǒng)能夠通過自學(xué)習(xí)、自優(yōu)化、自主運(yùn)行，不斷適應(yīng)變化的環(huán)境條件和運(yùn)維需求，最終實(shí)現(xiàn)變電站的智能化運(yùn)維。自學(xué)習(xí)是自適應(yīng)運(yùn)維的基礎(chǔ)，環(huán)境管控系統(tǒng)通過持續(xù)學(xué)習(xí)和更新，不斷完善自身的知識庫和規(guī)則庫，使其能夠應(yīng)對各種復(fù)雜多變的場景。例如，通過對歷史運(yùn)維數(shù)據(jù)和專家經(jīng)驗(yàn)的學(xué)習(xí)，系統(tǒng)可形成一套行之有效的故障診斷和處理策略；通過對設(shè)備性能數(shù)據(jù)的分析和挖掘，系統(tǒng)可掌握設(shè)備健康狀態(tài)的演變規(guī)律，從而優(yōu)化維護(hù)策略。在自學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，自適應(yīng)運(yùn)維具備自優(yōu)化能力，即能夠根據(jù)學(xué)習(xí)到的知識和實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)，動態(tài)調(diào)整運(yùn)維策略和控制參數(shù)，使其始終保持最優(yōu)狀態(tài)，進(jìn)而應(yīng)對環(huán)境的波動和干擾，維持變電站的穩(wěn)定運(yùn)行。自適應(yīng)運(yùn)維的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)變電站的自主運(yùn)行，即在監(jiān)督學(xué)習(xí)和強(qiáng)化學(xué)習(xí)的支持下，環(huán)境管控系統(tǒng)能夠自主地感知環(huán)境、分析決策、執(zhí)行控制，最大限度地減少人工干預(yù)，提高運(yùn)維的智能化水平。

3變電站環(huán)境管控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用

3.1物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

在變電站內(nèi)部和外部，部署了大量的溫度、濕度、噪聲、電磁輻射等多種類型的傳感器，形成了一個(gè)覆蓋全面、分布廣泛的感知網(wǎng)絡(luò)。這些傳感器采用了先進(jìn)的MEMS、光纖等敏感元件，具有體積小、功耗低、靈敏度高等特點(diǎn)，能夠準(zhǔn)確、快速地感知環(huán)境參數(shù)的變化。例如，采用高精度的數(shù)字溫濕度傳感器，可在-40～+125 ℃實(shí)現(xiàn)±0.3℃的測量精度，相對濕度測量范圍為0～100%，精度達(dá)到±2%。

采集到的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)需要通過可靠、高效的通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，以支撐后續(xù)的分析和決策。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提供了多種通信方式，如Zigbee、LoRa、NB-IoT 等，可根據(jù)數(shù)據(jù)量、傳輸距離、功耗要求等因素進(jìn)行靈活選擇。以Zigbee 為例， 其工作頻段為2.4 GHz，傳輸距離可達(dá)100 m，數(shù)據(jù)速率高達(dá)250 kbps，非常適合于變電站內(nèi)部的短距離、低功耗通信。而對于變電站外部的遠(yuǎn)距離通信，則可采用LoRa 或NB-IoT 等技術(shù)，傳輸距離可達(dá)數(shù)公里，同時(shí)具備良好的穿透性和抗干擾性。

在數(shù)據(jù)傳輸過程中，需考慮數(shù)據(jù)的安全性和完整性。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采用了多種安全機(jī)制，如數(shù)據(jù)加密、身份認(rèn)證、訪問控制等，可確保數(shù)據(jù)在傳輸過程中不被竊取、篡改或破壞。同時(shí)，通過數(shù)據(jù)壓縮、分片傳輸、重傳機(jī)制等技術(shù)，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎涂煽啃浴＠?，采用AES-128加密算法，可實(shí)現(xiàn)對敏感數(shù)據(jù)的強(qiáng)力保護(hù)；采用MQTT 協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可在保證可靠性的同時(shí)，顯著減少通信開銷。

3.2機(jī)器視覺與深度學(xué)習(xí)

變電站內(nèi)部安裝了多臺高清工業(yè)攝像機(jī)，可對關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)成像和錄制。這些攝像機(jī)采用了先進(jìn)的CMOS傳感器，分辨率可達(dá)1080P甚至4K，幀率高達(dá)60fps，能夠捕捉設(shè)備運(yùn)行過程中的細(xì)微變化。同時(shí)，還配備了紅外熱成像儀，可精確測量設(shè)備表面溫度分布，發(fā)現(xiàn)過熱等異常情況。

獲取到的海量圖像和視頻數(shù)據(jù)，需要通過智能化的分析算法進(jìn)行處理和理解。傳統(tǒng)的圖像處理算法，如邊緣檢測、模板匹配等，難以應(yīng)對復(fù)雜多變的設(shè)備狀態(tài)。深度學(xué)習(xí)技術(shù)為設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測帶來了革命性變化。卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）是深度學(xué)習(xí)中最常用的一種模型，其通過多層卷積和池化操作，自動提取圖像中的關(guān)鍵特征，再經(jīng)過全連接層進(jìn)行分類或回歸預(yù)測。例如，采用ResNet-50網(wǎng)絡(luò)對變壓器油位計(jì)的刻度盤圖像進(jìn)行識別，可達(dá)到99% 以上的準(zhǔn)確率，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)的OCR方法。

對于視頻數(shù)據(jù)，還需要用到時(shí)序建模和目標(biāo)跟蹤等技術(shù)。例如，采用長短期記憶網(wǎng)絡(luò)（LSTM），可建模設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)隨時(shí)間的演變規(guī)律；采用卡爾曼濾波和粒子濾波等算法，可實(shí)時(shí)跟蹤設(shè)備部件的位置和運(yùn)動軌跡。基于深度學(xué)習(xí)的異常檢測算法，如自編碼器和生成對抗網(wǎng)絡(luò)（GAN），可從正常數(shù)據(jù)中自動學(xué)習(xí)異常模式，一旦發(fā)現(xiàn)超出閾值的偏差可及時(shí)預(yù)警。

3.3極端天氣預(yù)警與應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制

變電站周邊部署了多種氣象傳感器，如氣溫、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向、降水等，實(shí)時(shí)采集各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)。同時(shí)，環(huán)境管控系統(tǒng)還接入了來自氣象部門的雷達(dá)、衛(wèi)星等觀測數(shù)據(jù)，以及數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模型的輸出結(jié)果。海量的氣象數(shù)據(jù)為極端天氣預(yù)警奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

預(yù)警模型的核心是機(jī)器學(xué)習(xí)算法，特別是時(shí)間序列預(yù)測模型，如LSTM、門控循環(huán)單元網(wǎng)絡(luò)（GRU）等。這些模型能夠自動學(xué)習(xí)氣象要素隨時(shí)間演變的復(fù)雜非線性關(guān)系，并根據(jù)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行多步預(yù)測。例如，利用過去24 h 的氣象數(shù)據(jù)，預(yù)測未來6 h 內(nèi)是否會出現(xiàn)暴雨、冰雹等極端天氣。在訓(xùn)練過程中，還可以融合地理信息、地形數(shù)據(jù)等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，提高預(yù)測的空間分辨率和準(zhǔn)確性。

對于已探測到的極端天氣事件，系統(tǒng)可快速評估其可能的影響范圍和程度。這需要結(jié)合變電站的地理位置、地形特征、設(shè)備布局等因素，利用大氣物理模型和數(shù)值模擬技術(shù)，對極端天氣的發(fā)展趨勢進(jìn)行動態(tài)預(yù)報(bào)。例如，利用WRF（Weather Research andForecasting）模式，對雷暴、冰雹等對流性天氣進(jìn)行精細(xì)化模擬，判斷其移動路徑和影響區(qū)域；利用有限元分析和流體動力學(xué)模擬，評估強(qiáng)風(fēng)、暴雪等災(zāi)害對變電站設(shè)備的結(jié)構(gòu)安全性。

根據(jù)極端天氣預(yù)警的結(jié)果，系統(tǒng)可自動啟動相應(yīng)的應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制。這需要提前制訂詳盡的應(yīng)急預(yù)案，明確各種極端天氣情況下的防范措施和操作流程。例如，當(dāng)預(yù)警雷暴即將來臨時(shí)，系統(tǒng)自動切換變電站供電線路，避開雷擊高發(fā)區(qū)；當(dāng)預(yù)警暴雨可能引發(fā)內(nèi)澇時(shí)，系統(tǒng)自動關(guān)閉地下設(shè)備間的通風(fēng)口，啟動排水泵；當(dāng)預(yù)警寒潮來襲時(shí)，系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)變壓器、開關(guān)等設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，防止因低溫而導(dǎo)致的絕緣失效。

3.4區(qū)塊鏈技術(shù)

區(qū)塊鏈技術(shù)以其去中心化、防篡改、可追溯等特性，為變電站運(yùn)維數(shù)據(jù)安全與追溯提供了創(chuàng)新解決方案。將運(yùn)維過程中產(chǎn)生的設(shè)備狀態(tài)、操作記錄、維修日志等海量數(shù)據(jù)，以交易的形式存儲在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中。每筆交易都會經(jīng)過共識算法驗(yàn)證，并被打包到密碼學(xué)相連的區(qū)塊中。一旦數(shù)據(jù)寫入?yún)^(qū)塊鏈，就無法被任意修改或刪除，確保了數(shù)據(jù)的真實(shí)性和完整性。

區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)采用分布式賬本技術(shù)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)保存一份完整的數(shù)據(jù)副本，消除了單點(diǎn)故障風(fēng)險(xiǎn)，提升了數(shù)據(jù)可用性和容災(zāi)能力。所有節(jié)點(diǎn)共同參與交易驗(yàn)證和數(shù)據(jù)同步，實(shí)現(xiàn)了全網(wǎng)一致性和可信度。例如，PoW 共識機(jī)制需要礦工節(jié)點(diǎn)投入大量算力解決密碼學(xué)難題，獲得記賬權(quán)和獎(jiǎng)勵(lì)；PoS 共識機(jī)制需要驗(yàn)證者節(jié)點(diǎn)鎖定一定代幣作為抵押，獲得與權(quán)益成正比的記賬權(quán)。

基于區(qū)塊鏈的運(yùn)維數(shù)據(jù)管理實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)可追溯和審計(jì)。每筆交易附帶時(shí)間戳和數(shù)字簽名，記錄了數(shù)據(jù)產(chǎn)生的時(shí)間、操作人員等關(guān)鍵信息。這種不可篡改的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，使得任何數(shù)據(jù)修改歷史都能被準(zhǔn)確追蹤，為事后審計(jì)和責(zé)任追究提供可靠依據(jù)。

4結(jié)束語

以提升自動化運(yùn)維水平為導(dǎo)向的變電站環(huán)境管控系統(tǒng)全面提升了變電站智能化水平，為電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障。未來，還需進(jìn)一步加強(qiáng)跨領(lǐng)域技術(shù)融合創(chuàng)新，推動變電站環(huán)境管控系統(tǒng)與泛在電力物聯(lián)網(wǎng)、智慧能源管理系統(tǒng)的一體化集成，為實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的高質(zhì)量發(fā)展和能源的可持續(xù)利用貢獻(xiàn)力量。