面向新型电力系统的配电网设备安全运行管理顶层设计
时间：2023-04-10 11:05:05 来源：千叶帆 本文已影响人
天津大学电气自动化与信息工程学院 范延赫
中国能源建设集团天津电力设计院有限公司 王 慧 刘建伟
国网北京市电力公司 陈泽西 贾东强
在“双碳”目标和新型电力系统不断发展的大背景下，电网电力设备愈发智能化、信息化、数字化。与传统电力系统相比，新型电力系统随机性、波动性更加明显[1]。同时智能设备不断更新，在带来庞大数据源的同时，也使原有的管理、运维、检修等技术无法满足新型电力系统建设的需要。
随着配电线路在电力系统中所占份额越来越大，其安全运行与否直接影响电力系统的供电和配电效率[2]。配电网系统庞大复杂，包含变压器、开关柜等设备，其安全性几乎关乎着国计民生[3-4]。因此，保障配网设备的安全稳定运行将成为首要任务。当前我国配网设备运行管理存在一系列问题，为了减少设备故障，提高供电可靠性，最大程度保证电力企业的利益，必须科学的制定相关措施，及时发现并解决配网运行时出现的各种故障，从而保障配电线路安全稳定运行，更好的满足用户需求。
本文将研究和分析目前配电网设备安全管理出现的问题，并从安全管理制度、运行维护技术以及操作人员水平方面，结合“云大物移”、人工智能、区块链等数字技术，提升配网设备安全管理水平，保障新型电网安全稳定运行。再总结和探讨新型电力系统配电网设备运行维护关键技术，为后续配网设备安全管理提供参照。
（一）设备本身存在隐患
1.电力设备的采购工作不够完善
在选择配网设备时应严格按遵守国家相关安全规定，在保证质量的同时尽可能减少采购成本。但一些企业并不重视采购工作，仅从降低成本的角度随意选择也并不会对选购的设备加以认真检验。甚至有些采购部门以权谋私、以次充好使得设备的质量得不到保障，从根本上埋下安全隐患[5-6]。
2.配电网设备老化严重
由于投资成本的限制，部分地区的配网设备更新速度缓慢，陈旧落后的设备已经无法满足新型电力系统建设和正常运转的需求，甚至会引发安全事故[7-8]。比如没有及时更换老化线路或者没有及时更换其他老化材料，使配电线路绝缘性出现问题，进而使导线之间存在漏电，从而会导致大量的热量和火花出现，引起火灾事故，也会对周边群众的生命财产安全产生威胁。
3.外部环境影响
配网设备在地震、大风、雷雨等天气情况下可能会受到不同程度的损害。最严重的问题当属雷击事故。它会造成绝缘子爆裂、避雷器爆裂、设备烧毁等问题[9]。
（二）缺乏健全的安全运行管理体系
1.安全意识薄弱
首先对于一些企业来说，缺少法律意识、对配网设备发生故障造成的影响认识不足，相关的安保和应急措施不够完善，无法给管理人员和操作人员给予足够的安全保障；
其次，对于操作人员来说，在运行维护时一些人存在侥幸心理。图省事，怕麻烦的思想仍然存在，对较小的故障可能选择视而不见，认为其无关紧要。此外，运行人并没有对所有设备进行实时监控，这可能导致漏掉一些异常情况。
2.安全管理制度缺陷
制度是保障配网安全运行的基础，但电力系统配网设备安全管理制度仍不完善。配网设备安全管理制度不符合实际情况，并没有根据行业标准和运行条件严格制定安全管理制度。现有的制度无法覆盖购置、安装、使用、运维、更新、淘汰等全部环节，在细节处也存在纰漏，配网设备管理不规范、不严谨、不具体。
除了安全管理制度不完善，配网设备安全管理制度的执行也存在不到位的情况。部分管理工作人员并没有认识到安全管理制度的重要性，没有将相应的规章制度落实到工作中。
配网管理人员不足和专业素质无法满足岗位需求的现象也制约着安全管理制度有效落实。许多操作人员过分依赖经验作业，对新型设备不够了解。专业知识和职业技能很难达到配网自动化运行和管理的水平[10-11]。
综上，建立、健全、落实配网设备安全管理制度是十分有必要的。
3.缺少完善的监督体系
首先，缺少专门的监督机构。政府和企业在监督过程中都起到一定作用，但这样也会导致责任不清的现象，大大降低监督质量。同时，监督混乱，没有真正做到“专业人做专业事”。其次，监督制度不全。一方面相应的监管制度并未建立起来，如上下级沟通，事故报告制度等，另一方面，缺乏与监管制度对应的奖惩制度，因此在监管过程中难免不出现缺乏系统性、针对性、规范性等问题。最后，监督对象不全面。除了对配电网电气设备的运行状态进行监督管理之外，还需要对操作人员进行监督考核。
（三）配电网设备运行维护技术落后
一方面，缺乏配网设备集成系统。无法及时获取电气设备编号，位置信息，运行状态等参数。另一方面，运维技术落后。传统的运维方式通常是故障后检修，这样一来无法保证对设备的实时监控，二来比较耗费人工[12]。而且，随着新型电力设备的不断出现，现有的运维技术无法满足精确性，可靠性，时效性等要求。
配电网设备安全管理是对设备寿命周期全过程的管理，包括配网线路规划设计，设备选型、采购、安装验收、运行维护、及检修、淘汰等多个环节。为了使配网设备安全运行，完善的安全管理体系是重中之重。必须根据行业标准建立安全管理制度并严格执行、加强各部门监管联动、依托物联网、大数据、物品编码等信息技术加强运行维护等。图1 为配电网设备安全管理体系。
图1 配电网设备安全管理体系
（一）建立配电网设备安全管理制度
配电网设备安全管理必须在制度的规范和引导下进行。各生产单位、电力企业必须结合工作安全要求和自身实际情况制定和完善安全管理制度，并确保能落实到实处[6,13-15]。建立各级岗位责任制，明确参与配网建设全部人员和机构的目标和责任，完善交接班制度。完善操作规程，确保操作人员严格按照安全规程操作，同时确保人身安全。建立安全检查制度，定期对设备检查维护，及时发现老化破损的设备，并建立档案制度，对检查进行全记录。除此以外，建立事故报告制度，在事故发生后第一时间提交事故类型、原因、解决办法等详细信息。建立运行维护制度和应急预案制度，配备专业队伍模拟实际情况，开展应急演习等提高运维水平和应对突发情况能力。
（二）建立设备入网安全管理体系
首先建立专门的采购小组，在采购之前对不同产品的质量和价格进行对比，选择性价比高的产品。采购后对设备的进行检查，包括资质，质量证明，产品性能，凡不合规定一律不使用，然后依托电力物联网技术构建配网设备信息管理系统。如图2 结合数字化技术，使类型多样，差异化大的设备组成智能化、信息化的集成系统，强化配网设备管理水平，也为后续运行维护体系打下良好基础。如利用实物ID 编码技术，将变电设备、换流设备、输电设备、配电设备等进行赋码贴签再入网[16]；
或者利用高压感应取电技术取得各个部分的数据并进行实时传输[17]。通过建设设备入网安全体系，保证设备的质量，使其在运行过程中更加安全可靠。
图2 基于电力物联网的信息管理层级结构
（三）运行维护工作
新型电力系统的复杂运行条件对配电网设备的运行维护提出了更高要求。“云大物移”，人工智能等数字化技术的发展，为运行维护提供了更好的支撑。以设备信息互通互联的配电物联网为基础，将数字化技术与数字孪生融合，实现配电网设备状态的精准检测、预测和智能诊断。关键技术架构如图3 所示。
图3 配网设备运行维护关键技术架构
首先，结合物联网传感器技术和智能感知终端，为监测配电网络设备的运行提供全面、完备的基础数据和信息。同时，在工作人员移动终端的显示主界面显示这些数据，根据人工决策和机器决策综合判断设备运行状态。其次，针对配网设备运行状态进行预测，通过对预测模型的应用、仿真模拟数据的实际运行状态，较为精确的模拟配网设备实际运行在状态，并在预测的结果基础上制定有效措施[1,18-19]。最后，以实际数据和预测状态为基础，分析设备运行中的故障问题。
（四）建立配电网监督体系
首先，组建专门的监督机构。并分出不同部门负责监督购入设备人员、质检人员、运行维护人员等，加强各部门协调合作和确保上下级高效沟通，建立全覆盖无死角的监督体系，通过信息共享，群策群力提高监督效率和效果。然后，明确各部门的工作职责、工作程序进而建立监督工作制度以及办法。此外构建监督资源共享制度、监督传递制度、监督人员调配制度等。最后，优化监督方式方法，强化对与重点设备有关的人员监督综合运用日常巡查检查、专项审计、专项检查等监管方式，及时找出问题并采取有效措施积极改进。
（五）建立人员培训体系
首先，要依照《配网设备安全规范》，从实际出发制定完善的培训制度，主要针对教学培训人员、运维管理人员、检修人员等。建立专门培训管理人员队伍以保证培训质量。再针对现有各种人员的水平，制定不同的课程，确保大家“术业有专攻”[20]。然后，创新培训方法。不再完全采用传统的理论式学习或者“师傅带徒弟”等方式，要紧跟时代潮流，创新培训方法。定期或者不定期举行测评考试和比武竞赛来巩固人员专业技术理论基础 、提高业务素质，并建立绩效考评机制，对表现优异者给予奖赏，对多次考核不及格的人予以罚款，强制学习甚至开除的惩罚[13]。最后丰富培训内容。从国家法律法规、企业规章制度、设备操作技能设备风险辨识与隐患治理、应急预案等等诸多方面深入着手，使得操作人员能够学到系统性的知识。
（一）电力物联网传感器技术
先进、可靠的传感器技术是实现电力设备数字化和智能化的基础。目前，物联网传感器技术应用越来越广泛，考虑到配电设备运行维护过程中数据繁多，时效性要求高等特点，将电力物联网传感器技术应用到在线监测工作中已经非常有必要。传感器与物联网结合形成庞大的系统。传感器技术能将模拟信号转为数字信号，并完成收集、传输、储存、显示等工作，对采集到的信息进行全面分析和评估，判断运行状态并给出应对策略[21-23]。
为了进一步提升电力物联网传感器物联网技术的应用水平，以下问题需要引起关注：
1.传感器长期可靠难以保证。目前传感器设备寿命很难匹配一次设备，使传感器技术可靠性大大下降。必须从材料、器件、工艺、设计、实验评估等方面提高传感器的可靠性和有效性。此外，目前我国大部分高端传感器依赖进口，超声、磁场、震动等重要传感器的传感材料、核心器件和芯片被外国企业垄断。我国亟须突破传感器核心技术，拥有自主制造高端传感器的能力。
2.电力物联网传感器技术缺乏统一标准。我国在相关设备，系统层技术标准等方面缺乏统一的标准，这严重制约在线检测技术的应用和推广。
（二）云计算、大数据技术
云计算具有规模大、效率高、成本低、可靠性强和拓展性高等特点，还具备海量存储空间，[24]能够支持用户随时随地，按需便捷的访问共享资源，其强大的计算能力能够迅速处理各种数据，实现资源高效管理[25]。利用云计算技术处理新型电力系统中配网设备的海量数据，并存储在容量很大的存储空间，在提升计算能力的同时构建云平台[26]。将云平台与电力物联网传感器技术融合，实时监控所有配网设备的运行情况并存储起来，当出现故障时，云计算平台就会比对此时的数据和预测出的正常值，然后传递给运维人员，再立即开展检测与运维工作[27]。
随着智能电网的快速发展，配电网需要的设备数量增加，型号、也更加复杂，检测对象的数量级很高。温度、湿度、电流、电压、震动等参数指数型上升也对数据处理能力提出了更高要求，大数据技术和其思想方法有助于用户快速高效的处理海量数据[25,28-29]，解决设备状态评价与故障预测的难题。基于大数据的配网设备状态检测技术主要包括数据采集技术，数据去噪技术，特征提取技术，模式识别技术，可视化技术。可以预见，大数据在电力设备状态监测上的深入应用能提高状态评价和故障诊断的精确性方面将发挥重要作用。
（三）数字孪生技术
数字孪生作为一项迅速发展的数字信息化技术，利用物理模型，传感器、运行历史等数据，实现电网设备在虚拟数字空间中的映射，构建和真实设备“同步运行”的数字孪生体，反应相应实体设备的全生命周期过程[30]。电力设备数字孪生主要运用高保真数字化建模、多物理场仿真技术，精确描述电力设备运行特性。构建高精度的配网设备空间信息三维数字化模型，在电力设备高度逼真虚拟重现的前提下展现多为状态感知和仿真分析结果，实现实体设备转化为虚拟数字设备，再综合考虑设备的几何形状、物理参数、状态信息和规则标准等，建立多物理场、多尺度、多区域的设备数字孪生仿真模型。但目前数字孪生技术还处在研究初级阶段，其关键技术和核心基础理论方法还有待深入研究[31-32]。
在“双碳”目标和建设新型电力系统的背景下，以保证电力设备安全运行为目标。本文首先分析了配网线路设备运行管理中存在的安全问题，并融合云计算，大数据、电力物联网传感器技术等数字化技术，从安全管理制度、设备安全入网，监督管理，运行维护，人员培训等多个角度进行顶层设想，构建配电网设备安全运行体系，提高设备安全管理水平，并为未来相关设备管理提供参考。
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