輸電線路智能運(yùn)維服務(wù)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張瑤琳，顧良翠

（長春工程學(xué)院，長春 130000）

輸電線路在傳輸電力方面至關(guān)重要，輸電線路長度逐年增長，因?yàn)楦鞣N原因?qū)е螺旊娋€路故障或異常，使得輸電通道安全運(yùn)行愈發(fā)重要，然而輸電線路運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，設(shè)備運(yùn)維規(guī)模過大，我國對(duì)輸電線路故障的監(jiān)測、感知及處理能力存在嚴(yán)重不足。因此供電企業(yè)需要通過推進(jìn)對(duì)輸電線路的信息化建設(shè)，建設(shè)其智能化的管理平臺(tái)，并制定相應(yīng)的輸電線路智能化運(yùn)維管理措施，以保障電網(wǎng)的安全、經(jīng)濟(jì)和高效的運(yùn)行[1]。

1 輸電線路運(yùn)維現(xiàn)狀

智能電網(wǎng)在各方面的技術(shù)逐步成熟，許多供電企業(yè)采用不同廠家的在線監(jiān)測裝置和各類傳感器進(jìn)行輸電線路的實(shí)時(shí)監(jiān)測，但不同廠家的參數(shù)表示方式各有不同，而人工只能查看當(dāng)前監(jiān)測到的數(shù)據(jù)，無法進(jìn)行數(shù)據(jù)的匯總、分析和預(yù)警等維護(hù)性處理，且工作量巨大。使得無法做到設(shè)備狀態(tài)全感知，數(shù)據(jù)無法互通互聯(lián)，不能為后期預(yù)防預(yù)測提供有效的支撐[2]。所以亟需一種高效率、高精度及低價(jià)位的輸電線路智慧運(yùn)維產(chǎn)品，為輸電線路安全提供智能運(yùn)維服務(wù)。

2 輸電線路智能運(yùn)維的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 構(gòu)建智能化運(yùn)維體系

由于輸電線路運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，設(shè)備運(yùn)維規(guī)模過大，我國對(duì)輸電線路故障的監(jiān)測，感知及處理能力存在嚴(yán)重不足，亟需一種可為輸電線路安全提供全面運(yùn)維服務(wù)的系統(tǒng)，供電企業(yè)應(yīng)該依托現(xiàn)代的移動(dòng)通信技術(shù)搭建起智能化的管理體系，通過智能化管理體系聯(lián)通協(xié)調(diào)各企業(yè)和各部門之間的協(xié)作。

智能化管理體系分成：前端在線監(jiān)測系統(tǒng)、智能運(yùn)檢平臺(tái)和移動(dòng)端3部分組成。構(gòu)建智能化管理體系是以前端傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，物聯(lián)網(wǎng)通信傳輸數(shù)據(jù)到云端服務(wù)器的方式，將輸電線路沿途的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)化采集，隨后將輸電線路的相關(guān)信息收集通過智能運(yùn)檢平臺(tái)將所有數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，專家系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、故障預(yù)警，生成報(bào)告和制定個(gè)性化運(yùn)維服務(wù)方案，并將部分關(guān)鍵可視化信息發(fā)至移動(dòng)端APP，相關(guān)供電單位可以更方便直接地開展線路運(yùn)維工作，整體流程如圖1所示。因此由于輸電線路過長或地勢險(xiǎn)峻等地方發(fā)生的線路潛在故障以及隱患，在智能化管理體系的幫助下供電企業(yè)能夠更為迅捷和及時(shí)地發(fā)現(xiàn)與檢修。極大提升了輸電線路的實(shí)時(shí)狀態(tài)感知力、供電企業(yè)之間的協(xié)作效率、人員管理效率及輸電線路的檢修效率[3]。

圖1 輸電線路智能化運(yùn)維體系結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 監(jiān)測裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

全線路在線監(jiān)測系統(tǒng)主要分為2個(gè)模塊進(jìn)行研究，分別是分時(shí)同步檢測的接地電阻檢測終端設(shè)計(jì)和異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸裝置設(shè)計(jì)。接地電阻檢測終端包括激勵(lì)電源供電模塊、電流檢測模塊、溫濕度檢測模塊和RS-485模塊；數(shù)據(jù)傳輸裝置包括太陽能供電模塊、RS-485模塊、RF通信模塊、5G模塊和GPS同步模塊。監(jiān)測模塊可靠性強(qiáng)，裝置可在高溫、低溫、振動(dòng)及雨水等惡劣天氣下正常工作，并可以保證數(shù)據(jù)傳輸精度，抗災(zāi)害能力強(qiáng)。

2.3 搭建輸電線路智能運(yùn)檢平臺(tái)

隨著智能電網(wǎng)、能源互聯(lián)網(wǎng)的大力推進(jìn)和快速發(fā)展，輸變電設(shè)備的檢修方式已經(jīng)由傳統(tǒng)的“計(jì)劃檢修”方式轉(zhuǎn)為“狀態(tài)檢修”，供電企業(yè)需要結(jié)合實(shí)際建立輸電線路智能運(yùn)檢平臺(tái)，能夠?qū)η岸嗽诰€監(jiān)測裝置檢測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總分析。數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器使用物聯(lián)網(wǎng)通信，通過NB-IOT技術(shù)進(jìn)行收集前端在線監(jiān)測到的數(shù)據(jù)，使用MQTT協(xié)議連接入網(wǎng)，發(fā)送到服務(wù)器，在平臺(tái)使用Echarts.js和d3.js開發(fā)包實(shí)現(xiàn)可視化大屏，后臺(tái)的前臺(tái)頁面使用VUE框架，最終展示在web端，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和態(tài)勢感知，搭配專家系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、預(yù)警并生成報(bào)告，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)雷電定位、污穢監(jiān)測、覆冰監(jiān)測、防汛監(jiān)測和氣象監(jiān)測等功能，極大提升對(duì)輸電線路的感知能力。促進(jìn)輸電線路的運(yùn)行巡查工作開展，有助于數(shù)據(jù)的精確化保障。本系統(tǒng)采用分布式存儲(chǔ)，將需要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)根據(jù)某種規(guī)則存儲(chǔ)到不同的機(jī)器上，想要獲取指定數(shù)據(jù)時(shí)，再按照規(guī)則到存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的機(jī)器里獲取，大大降低了單個(gè)節(jié)點(diǎn)的存取壓力[4]。

3 輸電線路智能化運(yùn)行維護(hù)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)

本節(jié)提出2項(xiàng)主要輸電線路智能化運(yùn)行維護(hù)的技術(shù)，在線檢測技術(shù)和專家系統(tǒng)，分別在下文3.1和3.2節(jié)進(jìn)行敘述。

3.1 在線監(jiān)測技術(shù)

本系統(tǒng)中的輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)由4部分組成：供電模塊、檢測模塊、傳輸模塊和計(jì)算模塊。通過供電模塊對(duì)監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行供電。檢測模塊對(duì)線路、桿塔信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并能夠很好地對(duì)其外部的各種環(huán)境信息進(jìn)行有效采集。然后借助于傳輸模塊將這些信息傳送到云端服務(wù)器，由專家系統(tǒng)等系統(tǒng)軟件自動(dòng)對(duì)這些信息進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，然后由計(jì)算模塊進(jìn)行分析、判斷該輸電線路的實(shí)際運(yùn)行情況，一旦發(fā)現(xiàn)所監(jiān)測的線路上有異常、缺陷和安全隱患存在，該系統(tǒng)就會(huì)及時(shí)地向云端服務(wù)器發(fā)出預(yù)警，有效遏制隱患的發(fā)生和及時(shí)對(duì)發(fā)生故障的線路或設(shè)備進(jìn)行檢修，使輸電線路狀態(tài)始終保持在安全范圍內(nèi)[5]。

3.2 專家系統(tǒng)

輸電線路長期在室外運(yùn)行，常受到各種主觀或客觀因素的影響而發(fā)生線路故障，并且導(dǎo)線數(shù)據(jù)類型眾多，致使整個(gè)線路運(yùn)維錯(cuò)綜復(fù)雜，通過建立云端服務(wù)器的專家系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的線性可擴(kuò)展，解決應(yīng)對(duì)復(fù)雜線路的解耦問題。供電公司通過專家系統(tǒng)，提高線路故障診斷和修復(fù)的效率。專家系統(tǒng)是由人機(jī)交互界面、診斷知識(shí)庫、診斷對(duì)象數(shù)據(jù)庫、推理機(jī)和解釋器5部分組成，如圖2所示。

圖2 專家系統(tǒng)架構(gòu)

診斷知識(shí)庫包括監(jiān)測設(shè)備部分結(jié)構(gòu)功能知識(shí)、專家知識(shí)、過程性知識(shí)和基本診斷單元知識(shí)，根據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)并結(jié)合設(shè)置的實(shí)際要求找到對(duì)應(yīng)的診斷知識(shí)，極大縮短了搜索相關(guān)診斷知識(shí)的時(shí)長。

診斷對(duì)象數(shù)據(jù)庫由2部分組成，編碼信息包括設(shè)備的型號(hào)編碼、類別編碼和序列號(hào)，能夠使診斷知識(shí)庫快捷找到并管理所需要的采樣數(shù)據(jù)，為診斷提供幫助。數(shù)據(jù)信息包括了設(shè)備采集到的所有類型數(shù)據(jù)及診斷或推理后的問題數(shù)據(jù)和趨勢數(shù)據(jù)，保留采樣的數(shù)據(jù)完整性，使診斷結(jié)果更加可靠。

推理機(jī)是專家系統(tǒng)的重要部分，其決定了整個(gè)系統(tǒng)的工作效率和速度，推理機(jī)分為數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)推理和目標(biāo)驅(qū)動(dòng)推理[6]。是分別以采集到的異常信息為依據(jù)推理出故障設(shè)備、故障部位、故障原因和以假設(shè)的故障部位為依據(jù)推理假設(shè)是否成立，來達(dá)到找到故障點(diǎn)的目的。其異常推導(dǎo)流程如圖3所示。

圖3 輸電線路異常類型推導(dǎo)流程

解釋器主要用于與人機(jī)交互界面溝通，推理機(jī)會(huì)將推理結(jié)果和解決方案存入數(shù)據(jù)庫，由解釋器解釋成人類能夠理解的診斷方案。

人機(jī)接口是專家系統(tǒng)對(duì)接用戶的窗口，用戶通過人機(jī)接口向?qū)＜蚁到y(tǒng)提出問題、獲得解決方案。

3.2.1 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)推理

首先前端監(jiān)測裝置會(huì)發(fā)送異常數(shù)據(jù)包交由專家系統(tǒng)，專家系統(tǒng)借助診斷知識(shí)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行搜索確定故障設(shè)備，判斷故障類型。再借助于設(shè)備信息庫，根據(jù)知識(shí)庫配置的安全閾值，確定故障部件類型，通過對(duì)應(yīng)狀態(tài)量（PMS）進(jìn)行確定故障的部件。當(dāng)成功完成1次故障確定時(shí)，推理機(jī)會(huì)形成1條簡化的推理鏈，并將其儲(chǔ)存在診斷知識(shí)數(shù)據(jù)庫里，當(dāng)下次出現(xiàn)同種故障時(shí)，直接取用這條推理鏈的結(jié)果，可以大大減少判斷時(shí)間。

3.2.2 目標(biāo)驅(qū)動(dòng)推理

目標(biāo)驅(qū)動(dòng)推理與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)推理相反，首先根據(jù)異常數(shù)據(jù)假設(shè)所有可能發(fā)生的故障類型、故障設(shè)備已經(jīng)對(duì)應(yīng)的故障部位，并且逐個(gè)排查。通過BFS（廣度優(yōu)先搜索算法），在確定異常數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì)每一個(gè)可能發(fā)生故障的設(shè)備進(jìn)行檢查，再對(duì)設(shè)備上每一個(gè)可能發(fā)生故障的部件進(jìn)行檢查，直到假設(shè)成立，即找到真正的故障點(diǎn)，目標(biāo)驅(qū)動(dòng)推理的依據(jù)與目標(biāo)密切相關(guān)，有利于向用戶提供解釋，但首次的依據(jù)選擇具有隨機(jī)性，存在多次更改的可能，考慮到最差的結(jié)果，這將會(huì)影響到專家系統(tǒng)的診斷效率。

3.2.3 混合雙向推理

混合雙向推理以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)推理和目標(biāo)驅(qū)動(dòng)推理為基礎(chǔ)。首先根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行正向推理，得出診斷結(jié)論，然后以此結(jié)論作為假設(shè)進(jìn)行反向推理，最后通過廣搜找到能夠支撐假設(shè)成立的證據(jù)，確定故障點(diǎn)。以此保證推理效率和準(zhǔn)確性，同時(shí)提高對(duì)客戶的解釋能力。

4 差異化運(yùn)維策略

在狀態(tài)檢修中，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)被判斷為異?；蚬收蠒r(shí)，專家系統(tǒng)就會(huì)對(duì)其診斷為相應(yīng)的狀態(tài)。宏觀角度來看是可行的，但是輸電線路整體線路極長，涉及多種地勢，并且存在極端天氣、地域氣候不同的情況。針對(duì)于這些情況，本文提出制定差異化運(yùn)維決策方案，為輸電線路的維護(hù)、巡檢提供保障。

差異化運(yùn)維將運(yùn)維工作分為年度、半年、季度和月度，屬于常規(guī)維護(hù)項(xiàng)目，針對(duì)于有聚集在某段時(shí)間內(nèi)頻發(fā)極端天氣的地方；確立設(shè)備/線路風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，根據(jù)人工巡檢的狀態(tài)趨勢、設(shè)備本身缺陷、計(jì)劃停電等風(fēng)險(xiǎn)信息進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)估，作為制定巡視周期可靠根據(jù)[7]。

5 深度業(yè)務(wù)聯(lián)動(dòng)

供電企業(yè)現(xiàn)有的巡檢工作方式有大量未進(jìn)行有效整理的數(shù)據(jù)和信息，查詢困難且難于進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，巡查記錄、檢修記錄等信息不能實(shí)時(shí)查看、分析，對(duì)輸電線路的故障檢修帶來極大困難。本文提出深度業(yè)務(wù)聯(lián)動(dòng)，即“數(shù)據(jù)—數(shù)據(jù)平臺(tái)—手機(jī)APP—技術(shù)人員”全息互聯(lián)模式，如圖4所示。數(shù)據(jù)通過物聯(lián)網(wǎng)感知通信與數(shù)據(jù)可視化平臺(tái)聯(lián)動(dòng)，由專家系統(tǒng)根據(jù)自動(dòng)派發(fā)工單，運(yùn)維人員可通過移動(dòng)端APP接收巡查、檢修任務(wù)，人工現(xiàn)場核實(shí)、記錄上傳，任務(wù)完成后平臺(tái)人員進(jìn)行任務(wù)歸檔，專家系統(tǒng)將信息存儲(chǔ)進(jìn)數(shù)據(jù)庫，作為下次故障診斷的可靠依據(jù)。APP后臺(tái)與智能運(yùn)檢平臺(tái)相連，通過檢修數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)化、可視化處理，實(shí)現(xiàn)輸電線路的態(tài)勢感知，作為評(píng)估線路安全狀態(tài)的有力根據(jù)，觀察設(shè)備線路的狀態(tài)趨勢。

圖4 深度業(yè)務(wù)聯(lián)動(dòng)示意圖

6 結(jié)束語

本文提出建立輸電線路智能化運(yùn)維系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)“在線監(jiān)測+數(shù)據(jù)智能運(yùn)檢+移動(dòng)端APP”，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)維數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸、輸電線路差異化運(yùn)維的智能巡檢，打破了傳統(tǒng)人工巡視模式的效率屏障，緩解全人工巡檢效率低下和電網(wǎng)日益增長的線路長度2者之間的矛盾。