變電站運維策略優化及安全管控系統設計與實現

盧帥帥 田志平

摘? 要：近年來，為最大限度地提升變電站運維的全面性、有效性和成本性，業內開展大量的研究工作。在變電站運維中，科學且完善的安全管控系統是關鍵組成部分。該文首先對變電站運維策略優化進行闡述；其次提出一種符合變電站運維策略優化所需的安全管控系統的設計；最后基于所構想的系統設計，闡述安全管控系統的實現。所作研究為業內人員的研究和實踐，提供一定的參考和借鑒。

關鍵詞：變電站；運維策略；安全管控系統；設計與實現；系統設計

中圖分類號：TM63? ? ? 文獻標志碼：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

隨著社會經濟的發展，各個領域對于電力質量的要求越來越高。為了保證變電站的正常運行，需要對變電站的設施和設備進行定期的監控和檢測。然而，單單依靠視頻監控、微機保護等監護系統，不僅數據來源十分單一，而且成本較高，不符合變電站長期發展的現實需求[1]。因此，本文的目的是確定變電站的最佳運維策略，以減少變電站的運維成本和停機時間。本文的新穎之處在于將安全管控系統納入到變電站的運維策略中，通過安全管控系統的應用，縮減變電站運維的人力成本，并保證變電站運維的有效率。

1? 變電站運維策略優化

1.1? 變電站運維現狀概述

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

1.2? 變電站運維策略優化

如上所述，高昂的維護成本仍然是變電站運維的一個巨大問題。因此，應盡量減少確定最佳的變電站設施設備的檢查維護時間安排，以優化勞動時間并確定工作的優先順序，降低勞動力成本和停機時間。所有這些維護任務都需要考慮到變電站設施設備和運維人員的可用性，全天都會發生變化，因此，需要規劃科學的運維策略。變電站運維策略優化問題，其本質是如何安排變電站的預防性維護任務，從而最大限度地減少成本、延誤和停機。由此，可以將變電站的運維策略優化，總結為以下3個問題。

第一個問題：最少的人力成本浪費問題。

第二個問題：大限度地減少執行的所有維護任務的平均延遲問題。

第三個問題：最大限度地減少維護期間的停機損失問題。

基于上述問題，變電站運維策略優化，可以通過遺傳算法求解最優路徑，計算變電站的最優巡視路線，來減少平均延遲。然而，引入最優路徑遺傳算法來減少平均延遲可能會導致需要較高的人力成本和服務序列。為了做到“逢巡必巡，每巡必好”，本文提供了以最佳方式實現所有目標的解決方案。

首先，使用遺傳算法來解決變電站運維巡視工作量問題。使用遺傳算法求解是一種啟發式優化方法，可最小化變電站運維巡視工作量[3]。此外，還可以通過應用其他啟發式方法（例如蟻群優化）以及通過OR工具開發的求解器來解決變電站運維巡視工作量。但是，與其他方法相比，遺傳算法的使用具有重要的優勢。該算法可以找到使用傳統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方法更好的解決方案。

其次，基于遺傳算法，每個目標的重要性可以通過使用權重因子來納入，進而可以找到變電站運維的最短路徑[4]。其中，最短路徑包含非支配解決方案，對應于理想的維護順序。在這種情況下，由于每個目標都被認為是同等重要的，并且每項工作的維修時間和到期時間都是已知的。在實際操作環境中，當運維人員在變電站工作時，轉化上述假設，定義并分類以下參數、條件、決策變量和目標。如果在不降低其他目標值的情況下減少運維時間，則該解決方案稱為帕累托最優。在計算中，從初始群體開始，通過應用交叉和變異，搜索最小化預定義成本函數的解決方案，直到達到停止標準。

最后，以日常巡視記錄電氣設備特征參數的歷史數據為基礎，通過擬合特征參數歷史數據，來實現電氣設備的狀態預警，同時可計算出設備巡視周期，方便巡視人員根據設備狀態動態調整巡視。

上述方案所使用的遺傳算法的邏輯結構可以寫成如下形式。

Start：為變電站運維生成n個合適解決方案的隨機群體。

Fitness：評估所選群體中每個個體的適應度函數。

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

Selection：從總體中選擇2個作為群體父母。

Crossover：使用交叉運算，交叉父母以形成新的后代。后者結合兩個父母的遺傳信息來產生新的后代。

Mutation：使新的后代發生突變（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一步執行算法。

Test：如果滿足結束條件，則停止并返回當前群體中的最佳解決方案。

Loop：返回Replace步驟。

將以上算法步驟轉換為 MATLAB，就能實現變電站運維策略的優化。以某變電站為例，優化前后的運維策略變化，如圖1所示。

圖1? 某變電站運維策略優化前后的設備維護順序和路徑圖

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

2? 變電站安全管控系統設計

2.1? 安全管控系統需求概述

目前，變電站的運維巡視周期設定均是在多年巡視經驗的基礎上建立的，無論設備是否先進，設備的可靠性是否不同，或現場運行情況如何，同一電壓等級的變電站均采用同樣的檢查周期，對運維巡視工作的規劃缺乏一定的合理性[5]。如果巡視周期設定的太長，電氣設備的缺陷只能在下次巡視時發現，容易造成設備故障的發生，增加經濟損失。反之，如果巡視周期設定的太短，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，也會造成運維人員對設備狀態的變化不敏感。

為了解決上述問題，本系統需要在滿足閉鎖全面性和強制性要求的基礎上，針對運檢一體化安全管控的各個環節，從變電站作業安全角度出發，完善變電站微機防誤閉鎖功能，增加檢修作業管控、二次管控、接地線管理、鎖控系統管理、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、檢修作業的業務流程和系統應用進行梳理，以微機防誤操作系統為基礎進行應用整合，建立一個平臺化、網絡化、標準化的智能全過程運檢作業安全管控體系，涵蓋運維、檢修等多專業的安全管理，提升區域電網變電作業安全生產水平，提高工作效率、降低運行成本。

2.2? 安全管控系統總體架構

所設計的運檢作業安全管控系統由一次子系統、二次子系統、檢修作業子系統、智能鎖控子系統、智能解鎖鑰匙管理子系統、安全工器具管理子系統和微環境監測子系統7個部分組成。各個子系統共用安全管控主機，共享數據服務和應用服務，并提供不同的硬件設備，每個子系統均可獨立完成某一類運檢作業的安全管控。具體如圖2所示。

圖2? 運檢作業安全管控系統方案結構圖

2.3? 安全管控系統功能設計

本次設計的安全管控系統，提供以下功能。

2.3.1? 運行監視功能

運行監盤時，安全管控系統通過二次設備/接地線狀態采集、運行方式異常監測、移動應用查詢服務等完善設備狀態采集，并幫助運檢人員提高監盤效率。

2.3.2? “一卡通”統一授權管理功能

“一卡通”管理基于變電運檢作業人員身份識別卡（員工卡），實現統一權限管理，并提供統一的應用管理平臺和軟件管理界面，通過運檢作業安全管控系統平臺，實現對變電站各類門鎖、臨時接地線、安全工器具和解鎖鑰匙的使用授權統一管理。

2.3.3? 巡維作業功能

巡維任務時，安全管控系統提供統一的鎖具管理功能，可以實現一把電腦鑰匙對所有鎖具進行開鎖授權；當運檢人員進行設備巡維時，可以使用防誤鑰匙對所有鎖具進行開鎖，而對于外來人員等，只能使用鎖控鑰匙對鎖控類鎖具進行開鎖，這樣既滿足了設備巡維過程中的高效性，又保證了設備巡維過程的安全性不受影響。另外通過安器具管控，可以實現安器具的全生命周期管理。

2.3.4? 倒閘作業功能

倒閘操作任務時，安全管控系統提供一鍵智能成票、拓撲防誤校驗、二次防誤規則校驗、鎖控操作關聯、混合操作任務和設備狀態不同源判斷等功能，有效提高倒閘操作任務的效率、安全性和智能化；對于使用順控操作的倒閘操作任務，提供滿足長期不停電運行要求的嵌入式工控主機，同時結合上述提到的拓撲防誤校驗、二次防誤規則校驗、設備狀態不同源判斷功能，為順控操作安全提供必要技術支撐。

2.3.5? 檢修作業功能

檢修任務時，安全管控系統提供開檢修票、檢修安全區動態識別、檢修開票防誤校驗、檢修隔離面自動生成、隔離面設備操作權約束與強制閉鎖、檢修設備傳動強制防誤約束和檢修完成狀態恢復校核等功能，實現對檢修作業過程的安全管控，可有效提高檢修操作的效率、安全性和智能化。設備的狀態，自動生成檢修安全區設備、檢修邊界設備，并通過拓撲著色實現可視化識別。

具體功能設計如圖3所示。

3? 變電站安全管控系統實現

在所設計的變電站安全管控系統中，DLT被用于系統的實施。DLT是一個使用存儲在網絡中獨立的，連接設備上的賬本，來確保數據準確性和安全性的平臺。DLT的3個特點是分布式、共識機制和密碼學機制，通過系統的Python模塊powersys_event_detect.py，實現事件檢測流程[6]。

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

該架構中使用的同步時間協議，實現了變電站安全管控系統中，精確時間協議和范圍內儀器組時間代碼B信號（IRIG-B）。具體來說，所設計的安全管控系統通過以太網實現精確時間協議通信，其中，電表和饋線繼電器采用IRIG-B通信；SEL 421保護繼電器傳輸IEC 61850采樣值消息；SEL 451保護繼電器和SEL 735功率計傳輸IEC 61850 GOOSE消息，SEL 734功率計傳輸分布式網絡協議（DNP）消息。

4? 結束語

綜上所述，變電站是電力系統中十分重要的部分，直接關系到最終使用的電力質量。因此，保證變電站的正常運行，十分關鍵。針對目前變電站運維工作路徑復雜、人力成本和資源消耗較高等問題，優化變電站運維策略，刻不容緩。本文通過引入遺傳算法，提出了一種變電站運維策略優化的邏輯結構和解決方案。所提方案經過MATLAB的仿真處理，能夠將原本2 h的運維時間，縮減為1.3 h，取得了一定的優化效果。在此基礎上，本文針對變電站運維策略優化所需，設計并實現了一種變電站安全管控系統。該系統側重于使用具有GOOSE消息的功率計和保護繼電器，專注于電氣故障檢測、電能質量監控、分布式能源用例和網絡事件場景的應用。該系統秉承簡單、可靠、實用的原則，從多個角度對運檢作業進行管控，貫穿了運行、巡維、檢修等作業的各個環節，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務，從不同的維度對運檢業務進行全過程安全管控。

參考文獻：

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