基于三维全景的电网数字化建设研究与应用思路构建

2022-01-06陶银正

安徽电气工程职业技术学院学报 2021年4期

陶银正

(国网安徽省电力有限公司超高压分公司, 安徽合肥 230009)

0 引言

随着我国特高压交直流混合电网地不断建设，以及新冠疫情后国民经济强劲复苏带来的电力需求地持续增加，大量新变电站的投产使得电网运维检修人力资源日趋紧张，通过实施电网数字化建设来提高运检效率和质量是保障电网安全稳定运行的最优解。电网数字化建设是国家电网有限公司落实国企改革三年行动、建设现代设备管理体系的重要举措，是推进输变电业务模式优化升级的重要途径，是实现“碳达峰、碳中和”、能源配置智慧化和能源服务多元化的一个重要环节。针对现阶段的电网数字化建设实践，可以综合利用三维全景、图像智能识别、AR实景等成熟技术，充分发挥物信融合和云边融合的能力，实现电网输变电设备运维从“人工经验”向“数据驱动”转变，及时精准预警，并主动推送智慧化决策，全面提升电网输变电设备运维检修效率效能。

1 三维全景技术在电网数字化建设中的应用前景

2015年5月国务院印发的《中国制造2025》战略文件中明确提出制造业要不断提升数字化研发设计工具普及率，推动生产制造向先进服务转变，促进传统产业数字化、网络化和智能化。在我国电网工程建设不断取得佳绩的背景下，电网输变电设备运维管理也出现了很多技术难题需要攻克，如超特高压大电网稳定控制、电网调度和新能源接入等。传统电力信息化系统已不能完全胜任新时代电网输变电设备运维管理精益化、智能化、全面化的需求，迫切需要建设一套具有融合多专业信息数据、智慧聚合数据分析、故障智能预判告警和决策辅助的电网数字化系统。

我国以往的电网信息化建设实践案例，大多数都是将大数据、云计算、物联网、可视化等技术孤立运用，再将传统电网信息化系统应用在电网工程设计和输变电工程施工建设等环节，不同专业的数据和经验成果不能得到很好的融合，造成很多信息孤岛。而采用三维全景技术建设的电网数字化系统以三维全景可视化的方式将电力企业的规划、设计、建设、运行、检修、调度、运营、营销等多专业信息进行智能聚合。电网数字化数据管理实现分专业录入和采集、统一集中管理、多处共享重复利用等功能，让“数据多跑路，职工少跑腿”成为了现实。通过大数据、云计算、物联网、可视化等先进技术对电网数字化数据进行综合应用分析，为我们提供电网运行信息实时呈现、停电隔离点决策、供电可靠性分析、电网潮流分析计算和电网设备抢修辅助决策等功能。

三维全景电网数字化系统通过采用三维全景技术，将电力设备巡检机器人、工业高清视频、红外录像机、GIS设备SF压力在线监测、变压器油色谱在线监测等专业系统进行综合应用，可以实现电网设备监控集约化、状态感知全面化、设备管理智慧化，引导电网设备运维管理水平进入电网数字化的高质量状态。

电网数字化建设是一项牵涉专业多，技术专业性强，协调难度高的工程，需要我们始终坚持以需求为导向，遵循“统一部署、多级应用”原则，统筹好数字化转型与专业基础管理的关系，切实发挥三维全景技术的效能来贯通各专业运维管理数据，确保数据规范准确和电网安全稳定运行。

2 三维全景电网数字化的应用思路

电网输电线路在地理分布特点上呈现出线性和带状分布的格局，有时候输电线路规划设计需要进行线路选线，有时候输电线路精益化管理需要进行杆塔排位，有时候输电线路运维需要进行树障和漂浮物清理，这些输电线路运维管理难度都比较大。另外换流站或者变电站建筑物的点状分布业态，很多设备或者建筑结构比较复杂，而传统的电力GIS系统只能提供电力设备、电网运行状态，不能将电力规划、设计、运行、检修、营销等多方面信息进行聚合，导致了多专业系统信息孤岛和电网数据离散，造成专业系统烟囱林立、数据离散管理、运维管理难度大等多重问题。通过使用三维全景技术进行电网数字化系统建设，我们不仅可以实现输变电设备运维管理的“全景全息、透明电网、一眼看穿”，还可以实现输电线路的方位或区域分析判断功能，为用户提供可靠的辅助决策和综合统计分析。

2.1 科学合理设计电网数字化方案

按照“数据一个源、电网一张图、业务一条线”的共建共享原则，坚持以需求为导向，统筹规划设计科学合理的三维全景电网数字化方案，是电网数字化建设至关重要的一步。在构建三维全景电网数字化系统的设计阶段，我们要找准现状、差距和问题，重点发力，贯通数据，积极完善并确定系统的层次架构。

当前三维全景电网数字化系统工程建设实践的层次架构大致分为基础设施层、数据管控层、数据访问层、应用服务层、典型应用层、电力用户层等六个层次。这六个层次在三维全景电网数字化系统中已经实现应用前台数据单独呈现和应用后台数据共享利用，有效保证了电网数字化三维全景系统的后续延展性。

在三维全景电网数字化系统数据存储设计时，我们需要将数据管理与数据应用划分为两个业务板块，通过合理设计数据结构来规避信息孤岛风险，以电网数字化数据集中管理需求为基础，明晰数据共享机制，做到标准规范统一、源端数据唯一、功能模块健全、信息安全稳固。

在三维全景电网数字化系统的建设实施阶段，我们要充分发挥服务器端的高性能计算能力对电网数据进行综合应用分析，充分利用图像识别、数字孪生、大数据分析等物联网先进技术，智慧化应用输变电设备状态感知，保障用户实时获取三维可视化服务完成相关工作。

在三维全景电网数字化系统试点运行阶段，我们需要对高频次使用的数据定时进行多重存储备份，制定并完善电网数字化服务器端的灾难恢复方案，确保电网数字化数据的安全性和系统可靠运行。电网数字化三维全景系统客户端主要以web网页访问的方式来获取典型应用可视化场景，这样不仅真正做到了基层减负易用，也能有效提升输变电设备运维管理效率。

图1 三维全景电网数字化系统层次架构

2.2 三维全景电网数字化系统的关键性功能特征

三维全景电网数字化方案的主要运行机制是，通过充分利用大数据、云计算、物联网、三维全景等技术，不仅能实现输变电工程的规划设计、运行检修数据、调度交易信息和营销抢修信息等专业信息的安全存储、智能归档、精益管理，还能以更丰富的姿态呈现数据、多专业信息数据共享和更多典型场景应用，极大简化了电网输变电设备全寿命周期的运维管理难度。三维全景电网数字化方案的关键性功能特征有如下五个：

一是技术特征。相比较以往的传统垂直封闭式的架构，基于三维全景电网数字化技术的系统架构，有着更加多的技术优势：采用行为实现云化；可以步入到微服务的状态；服务达到可视化的基准；进入到互联网的环境下运作；可以集成对应的智慧技术。在这样的技术优势下，海量数据都可以融入进去，并且引导实际的业务步入到智能化的状态，业务的运作质量和效率都会得到提升，满足电网输变电设备管理各种业务的并发需求，具有广泛的业务应用和良好的用户体验。

二是管理特征。管理方式得到改善，可以实现从端到端的数据服务以及业务服务，在数据驱动的协作下，无论是业务流程的质量，还是决策的效率，都得到了明显提升。这样的管理架构，充分展现出扁平化管理的优势。

三是运营特征。之前多数使用的是分工运营方式，但是在新技术架构中，专业管理的边界得以融通，整合能力提升，专业运用的模块因此不断减少，带来的结果就是，整体性的运营能力得到了进一步提升。

四是安全特征。与传统电网信息化系统的网络安全防护不同，三维全景电网数字化系统具有本体安全特征，具备完善的灾害恢复备份、云端分布储存和计算，拥有统一的用户权限管理认证体系。

五是价值特征。在传统电网信息化系统的价值基础上，开拓了新的价值创造模式。随着三维全景电网数字化系统建设形成的数字化能源产业新生态，如虚拟电厂、智慧充电网络和工业园区综合能源服务，开启数字经济在电力企业的发展，为电网从传统能源供应转型为能源服务综合提供有益的尝试。尤其是创新基于区块链的点对点能源交易机制，正在探索开创着我国能源交易的新模式。

2.3 三维全景电网数字化的安全性分析

传统电网应用信息化和自动化手段较少时，电网安全保障仅是物理电网本身的运行安全。三维全景电网数字化将采用大量数字化手段，电网安全的边界不断延伸，再加上黑客攻击、网络袭击的风险加大，电网安全需要应对的场景更加复杂。随着大数据、云计算、物联网、智能化、区块链等技术在电网领域的大量应用，数字化电网的网络安全问题成为一个主要挑战。

电网安全可以分为两个方面，一个是本质安全，另一个是数据安全。本质安全是指物理电网本身的运行安全。数据安全是伴随着电力数据的开放共享、电网的数字化转型产生的，且由于数据权益归属不清晰、数据开放共享义务不明确、数据流通机制不完善、数据质量标准不统一以及数据安全缺乏监管等原因导致的。

针对电网数据安全的挑战，在进行三维全景电网数字化系统建设过程中，要严格遵循以下几条规范：一是着力解决数据质量问题，确保对应的模型和规则成为更加好的基准，引导数据管理安全工作进入到更加理想的环境；二是确保数据录入核查能够依照对应规范来进行，确保数据质量可以以在线核查的方式来处理；三是可以依靠众多大数据技术的集成，使得数据质量评估效益，使得在线稽查的功能朝着更加理想的方向发展。

2.4 三维全景电网数字化的效益评价

三维全景电网数字化系统在投入运行后，我们需要对该工程进行以下几方面的效益评价：

其一，有健全的新旧信息系统数据迁移和业务切换机制。对于整个电网工程而言，新旧信息系统的数据迁移和业务切换是极其复杂的。在三维全景电网数字化系统建成交付使用时，需要重点关注电网数字化数据的迁移审核、共享管理，规范使用数据共享及其服务接口，科学合理规避可能出现的信息孤岛。

其二，有完善的系统运行质量报告制度。虽然三维全景电网数字化系统是依据电网数字化标准和规范建设的，为了保障系统能安全可靠的运行，在系统运行阶段应依据相关规范建立完善的系统运行质量报告制度。针对系统运行质量异常事件，要及时开展异常分析诊断，给出对应的整改意见，并积极对系统进行优化迭代升级改造，确保系统更好的保障电网输变电设备安全稳定运行和各项电网业务正常开展。

其三，有规范的系统业务扩展技术手册。在确保系统建成投运时已有典型应用业务全部正常使用的同时，三维全景电网数字化系统还需要有通过拓展业务模块来满足未来增量应用场景的能力，并提供规范统一完备的业务扩展技术手册。

3 三维全景电网数字化建设需要注意的问题

全球能源互联网发展合作组织发布的《中国“十四五”电力发展规划研究》，明确指出“十四五”电网发展应以安全为基础。

3.1 三维全景电网数字化的隐私安全

现阶段电力系统数据开放共享法律法规并不完善，缺少成熟的隐私保护技术方案，造成了电力数据开放共享流程不够细致和规范。电力数据天然具有公共属性，但电力数据在法律意义上存在特殊性和复杂性，三维全景电网数字化系统在使用电力用户数据时一定要合法合规，明确规定电力数据开放共享的具体范围和禁区，并要格外注意规范用户电力数据隐私保护。

电网安全更需要加强自身的防护机制，形成覆盖数据流通全过程的隐私保护。从三维全景电网数字化系统管理上将关键数据放在更为安全的地方，对外传送数据要经过相应的检查，要对敏感数据有完备的甄别检查机制，建立包含技术补救等措施在内的应急防护机制，形成分层级、差异化的全过程隐私数据保护体系。

3.2 三维全景电网数字化人才培养

三维全景电网数字化系统的建设和运行，需要更多高素质专业化的人才，电网企业既要充分利用好已有信息化人才队伍，也要结合工程实际来招聘三维全景数字化人才。积极营造科技创新环境，积极建立完善三维全景电网数字化技术教育培训机制，确保在职员工有自我提升的渠道。

3.3 三维全景电网数字化的芯片安全

随着语音处理、视频图像识别、知识图谱、大数据分析等技术在三维全景电网数字化系统的调度、运维和营销等电网业务中大规模应用，为保护电网安全还要持续加强传感器、通信、控制与计算处理、先进存储等关键芯片研究，积极推动我国电力高端芯片设计和产品化能力提升。

4 三维全景电网数字化建设的展望

三维全景电网数字化建设的展望主要包括三个方面：一是推动电网转型升级，通过三维全景电网数字化技术为电网向更高层次的智能化赋能。通过海量数据的跨业务、扩区域、跨层级的实时应用和业务过程的智能化，驱动公司管理和业务变更，促进公司提质增效。二是推动建立协同多元的能源供应体系，形成对外开放的价值链整合和能源生态系统服务体系，引导各类能源产销协调发展，促进能源绿色生产和消费，助力形成能源节约型社会。三是践行国家发展战略，提高可再生能源开发和消纳水平，优化能源结构，全面践行国家“四个革命、一个合作”的能源安全新战略。