新型电力系统背景下的输变电数字化转型

微信扫码，打开到小程序

第 48 卷 第 1 期：1-10 高电压技术 Vol.48, No.1: 1-10 2022 年 1 月 31 日 High Voltage Engineering January 31, 2022 DOI: 10.13336/j.1003-6520.hve.20211649 2022 年 1 月 31 日第 48 卷 January 新型电力系统背景下的输变电数字化转型 江秀臣，许永鹏，李曜丞，狄凌芳，刘亚东，盛戈皞 （上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海 200240） 摘 要：由于我国独特的新能源分布特性，新能源丰富地区与高负荷地区相关性低。电网企业通过加大高压输变 电工程建设，将新能源产生的清洁电力向高负荷地区输送，可以有效缓解供需矛盾。因此，电网企业为保证以新 能源为主体的新型电力系统的可靠运行，提高输变电设备的缺陷预警水平，对输变电的数字化转型需求迫切。为 此首先介绍新能源为主体的新型电力系统和输变电数字化转型特点及发展方向；然后以变电站(换流站)、架空输 电线路、电缆隧道、气体绝缘金属封闭输电线路(gas-insulated transmission line, GIL)管廊等场景进行数字化具体分 析；最后，探讨现阶段影响输变电数字化转型的关键技术，即芯片化多物理量融合集成的精准感知技术、多源时 空数据耦合的缺陷智能识别技术和高保真动态多维数字孪生的状态异常预警技术，并对未来输变电数字化转型进 行了展望。 关键词：新型电力系统；输变电；数字化转型；数字孪生；异常预警 Digitalization Transformation of Power Transmission and Transformation Under the Back- ground of New Power System JIANG Xiuchen, XU Yongpeng, LI Yaocheng, DI Lingfang, LIU Yadong, SHENG Gehao (School of Electronic Information and Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China) Abstract：Due to the unique distribution characteristics of new energy in China, there is a low correlation between new-energy-rich areas and high load areas.Power grid enterprises can effectively alleviate the contradiction between sup- ply and demand by increasing the construction of high-voltage power transmission and transformation projects and transmitting clean power generated by new energy to high load areas. Therefore, in order to ensure the reliable operation of the new power system with new energy as the main body and to improve the defect early-warning level of power transmission and transformation equipment, power grid enterprises urgently need the digitalization transformation of power transmission and transformation. Firstly, in this paper, the characteristics and development direction of the new power system with new energy as the main body and the digitalization transformation of power transmission and trans- formation are introduced. Then, the substation (converter station), overhead transmission line, cable tunnel, and gas-insulated transmission line (GIL) gallery, etc, are taken as examples to perform the digitalization analysis. Finally, the key technologies affecting the digitalization transformation of power transmission and transformation at this stage are discussed, namely, applying the accurate sensing technology of chip multi-physical quantity integration, the defect intel- ligent identification technology of multi-source spatio-temporal data coupling, and the state anomaly early-warning technology of high fidelity dynamic multi-dimensional digital twin. Moreover, the future prospects in digitalization trans- formation of power transmission and transformation are put forward. Key words：new power system; power transmission and transformation; digital transformation; digital twins; anomaly warning 0 引言1 碳达峰、碳中和的国家战略目标把新型电力系 统的发展推向了新高度，新型电力系统是实现双碳 目标的主要组成部分。国网曾提出电能替代、清洁 替代战略规划[1]与双碳目标具有很强的相关性，发、 输、变、配、用各个环节都要随之改变。传统的煤 ——————— 基金资助项目：国家重点研发计划(2019YFE0102900)。 Project supported by National Key R&D Program of China (2019YFE0102900). 炭火力发电将向风、光、核电、水电、氢、生物质 等为主体的发电系统转型。电力系统将向强不确定 性系统演变，向电力电子装备主导演变，向全局智 能化、数字化转变。 以新能源为主体的新型电力系统面临诸多新 挑战。如电力电子化程度的快速上升，会引发系统 宽频振荡、谐波、谐振等事故风险[2]。国家积极推 进的源网荷储一体化和多能互补，使多时间、多空 2 高电压技术 2022, 48(1) 间尺度的协调控制变得更加复杂。供电经济性和可 靠性问题进一步凸显，需配套新增调节性电源、抽 水蓄能和新型储能以应对[3-4]。 在新型电力系统的建设过程中，输变电一次设 备的更新换代受诸多因素制约，十余年内都不可能 发生革命性变化来替换现有电力系统。但可以通过 芯片化多物理量融合集成的精准感知、多源时空数 据耦合的缺陷智能识别和高保真动态多维数字孪生 的状态异常预警等关键技术，实现输变电设备数字 化。需要注意的是，输变电设备本身性能复杂、物 理量繁多、涉及学科广泛。因此，针对不同电压等 级、不同材质和不同结构都需要不同的数字化表征 参数、技术指标、智能化评估和判断标准[5-6]。 1 新型电力系统背景下输变电数字化转型 现状 1.1 新能源为主体的新型电力系统 新能源为主体的新型电力系统架构如图 1 所 示。其中，发电端不确定的一个因素是核能。日本 福岛核事故客观上延缓了核能发展的预期和规划。 据有关单位预测，2030 年前后，我国核电装机规模 应达到 1.5 亿千瓦[7-8]。另一不确定的因素是储能， 目前应用在电网调节的主要是抽水蓄能，装机规模 可达上百万千瓦，但对选址要求较高，建设周期长。 按国家能源局规划，2025 年抽水蓄能投产总规模达 6 200 万千瓦以上；2030 年，投产总规模为 1.2 亿千 瓦。全球电化学储能容量已达到 5.2%，且仍保持着 上升态势。目前，中国已有多座百兆瓦级电化学储 能电站成功投运，未来将推进吉瓦级建设[9]。氢能 仍处于研发和试点应用阶段，目前全过程转换效率 低，仅为 40%左右[10-11]。在电网端，交流电网、直 流电网和交直流混合电网并存的局面会长期存在。 在负荷端，需求侧管理和响应是未来减少电网投资、 促进电网更加灵活消纳新能源的重要因素。 在新能源为主体的新型电力系统中，数字化输 变电设备将承担重要角色。输变电设备在生产时预 安装或投运后加装各类芯片化多物理量融合集成传 感器等，通过多源时空数据耦合和高保真动态多维 GIL—气体绝缘金属封闭输电线路 图 1 新能源为主体的新型电力系统示意图 Fig.1 Schematic diagram of new power system with new energy as the main body 主体： 不同场景装机可占 51%~ 90%，发电量可占 51%~ 80% 相较其他实施技术路线，目前最快、最经济实现上述目标的技术路线是实施电网的数字 化。电力电子化、超导化等技术路线有待新的技术突破。 江秀臣，许永鹏，李曜丞，等：新型电力系统背景下的输变电数字化转型 3 数字孪生等技术，进行输变电设备缺陷识别和状态 异常预警等功能，实现数字化转型。 1.2 输变电数字化转型 国资委非常重视央企的数字化转型，印发《关 于加快推进国有企业数字化转型工作的通知》，明确 了央企数字化转型的方向与重点。国家电网发布《国 家电网公司能源互联网规划》，要求提升智能采集感 知能力，提高电网可观可控和实时交互水平，支撑 一体化大电网监控预警和分析决策[12]。南方电网也 积极推进数字化转型，对电网建设工作进行详细的 部署[13-14]。国家能源、中国华能、中国石化等能源 央企也纷纷提出数字化转型战略，均强调海量数据 与广泛连接是数字化的最基本特征[15-17]。 电网企业的数字化建设提供海量的监测数据 和时空数据，人工智能技术的发展则为数据价值萃 取提供有效手段[18-20]。综合运用各类海量智能传感 器等，能够使数字电网的全息感知水平得到有效的 提升，利于更全面地掌握数字电网的总体状态[21]。 由于我国独特的新能源分布特性，新能源丰富 地区与高负荷地区相关性低。电网企业通过加大高 压输变电工程建设，将新能源产生的清洁电力向高 负荷地区输送，可以有效缓解供需矛盾。而且高压 输变电的理念，由传统电力系统发输配用同时完成 的概念和运行模式，正在一步一步地向源网荷储协 调互动的非完全实时平衡转变。中电联预计“十四 五”期间全社会用电量年均增速超 4.8%，但是随着 新能源为主体的新型电力系统逐渐建设完善，电力 平衡的压力却显著增加[22]。 电网企业通过大力建设高压输变电工程等，全 面支持各类新能源的开发利用，实现绝大部分新能 源有效和便捷的并网，满足跨区域电力输送的需要。 “十四五”期间，500 kV 及以上电网建设投资约 1 万亿元，仅特高压工程开工数量或达 13 项。电网企 业为保证以新能源为主体的新型电力系统的可靠运 行、提高输变电设备的缺陷预警水平，对输变电的 数字化转型需求迫切[23]。 2 输变电数字化主要场景 2.1 变电站(换流站)数字化 以国家电网为例，按照运维模式，变电站模式 先后经历了有人值守变电站、无人值守变电站和集 中监控变电站等模式。其按照智能化水平，先后经 历了智能变电站、第二代智能变电站和第三代智能 变电站(即智慧变电站)等类型。导致不同来源、不 同类型的变电设备状态信息急剧增长，并逐渐呈现 出典型的复杂数据特征。如何有效利用各类监测数据 也为变电站、换流站状态感知数字化建设带来新的挑 战[24-25]。 变电站、换流站状态感知数字化建设架构如图 2、图 3 所示，由非接触式智能感知终端(集成红外 热像、特高频局放、可见光图像、声音等)、接触式 智能传感器(高频局放、超声局放、暂态地电压、接 地电流、振动等)、光声光谱油中溶解气体监测装置 和辅助系统(温湿度、烟感、水位、气体、水浸、风 机/空调控制等)构成，实现全天候、全时段、全方 位巡视等[26-28]。如对主变压器(换流变)、高抗、站 用变的本体、油枕、套管等温度、各类绝缘缺陷、 异物、外部锈蚀、渗漏油、套管破损等进行智能监 测；对换流阀的温度等进行智能监测；对气体绝缘 组合电器(gas insulated switchgear, GIS)本体及套管 TEV—暂态地电压 图 2 变电站状态感知数字化建设架构 Fig.2 Digital construction framework of state perception for substation 图 3 换流站状态感知数字化建设架构 Fig.3 Digital construction framework of state perception for converter station 4 高电压技术 2022, 48(1) 等温度、各类绝缘缺陷、异物识别、外部锈蚀、套 管破损、异响等进行智能监测，其中，尤其需要加 强对换流变套管的全方位状态感知[29-31]。 如图 4(a)所示的非接触式多物理量智能感知终 端和图 4(b)所示的接触式多物理量智能感知终端， 在变电站(换流站)等场景能够有效监测设备状态。 接触式传感器含暂态地电压(transient earth voltage, TEV)、超声波、温度等功能。非接触式智能感知终 端含可见光图像、红外热像、局部放电、声音、温 湿度等功能，能够多角度全时段实时监测，有效汇 聚各类接触式传感器的数据，并进行边缘计算。 运维数字化未来的发展模式是物理系统与数 字系统的完美结合，整个变电站除物理系统外，还 有一个相应的数字系统即数字孪生。物理系统的任 何信息都会在数字系统体现。数字孪生系统对设备 进行实时态势感知和超实时虚拟推演，能够实现缺 陷预警、寿命评估和故障预演等功能[32]。以变电设 备为例，未来变电设备制造厂商不仅提供物理变电 设备，还将提供一个数字变电设备，输电设备同理。 2.2 架空输电线路数字化 架空输电线路监测对象之间的物理空间跨度 大，供电和通信问题突出。杆塔上的低功耗、微功 耗传感器通过无线通信将数据汇集到边缘计算设 备。对于通道监测、无人机巡检数据，通过无线专 网回传数据，实现所有线路全部工况全覆盖。输电 线路状态感知数字化建设架构如图 5 所示。 架空输电线路数字化的雏形在智慧架空线路 建设标准中体现，包括对杆塔、绝缘子、导线、环 境、通道等监测，监测类型包括杆塔相关的杆塔倾 斜、鸟窝、损伤、地基变形，绝缘子相关的污秽、 泄漏电流、劣质绝缘子，导线相关的导线断股、接 头测温、导线测温、测张力以动态增容、分布式故 障定位、雷电定位等，环境通道相关的覆冰、山火、 施工等异常状态监测。目前形成以通道视频监控、 线路分布式故障定位为主要模式的数字化思路，辅 以巡检无人机、载人直升机等手段进行线路状态感 知[33-35]。 目前需要大力提高图像识别的准确率，特别是 巡检无人机、载人直升机的巡检图像。如缺陷图像 识别，采用基于改进快速区域卷积神经网络算法的 无人机巡检架空线路销钉缺陷检测方法。如通道异 物识别，采用考虑密度变化的 3 层地面随机体散射 模型的输电走廊植被高度检测方法。目前也有提出 (a) 非接触式 (b) 接触式 图 4 多物理量智能感知终端 Fig.4 Multi physical intelligent sensing terminal 图 5 架空输电线路状态感知数字化建设架构 Fig.5 Digital construction framework of state perception for overhead transmission lines 空中采用遥感卫星实现对输电线路山火等较大缺陷 的高效监测[36-38]。理想的深度学习训练样本是均匀 分布的，可以有良好的识别准确率，但实际中各类 缺陷的数量很少，因此需要扩充缺陷样本。目前图 像缺陷扩充的方法，一种是对已有的图像进行数字 图像处理，包括裁剪、尺寸变换、颜色变换、旋转、 图像滤波等；另一种是结合已有图像的特点生成相 似的新图片，比如将不同的图片融合，或创造出全 新的图片[39-40]。 2.3 电缆隧道、GIL 管廊数字化 对于运行电缆的状态感知主要以温度、局部放 电、护层电流等方式为主。电缆是目前故障率高、 实施数字化难、诊断效果急需提高的领域。目前， 停电的移动式振荡波检测可发现的电缆缺陷较多[41]， 但未来的发展方向仍然是在线式和移动式的不停电 检测技术。直埋、排管电缆除生产时安装传感器， 运行中很难再安装传感器，仅能监测井盖、出地等 部分的问题。 电缆隧道状态感知数字化建设架构如图 6 所 示。其由非接触式智能感知终端、接触式智能传感 器和辅助系统构成，可实现电缆全天候、全时段、 全方位巡视等，同时也能对电缆本体、中间接头和 终端接头的异常温度、各类绝缘缺陷、异响、异物、 锈蚀、破损等进行智能监测[42-43]。可通过分布式光 纤监测路面施工等情况，并进行定位，避免电缆隧 江秀臣，许永鹏，李曜丞，等：新型电力系统背景下的输变电数字化转型 5 道被外力破坏。 对于 GIL 的状态感知主要以温度、局部放电、 宽频电压等方式为主[44-45]。GIL 管廊状态感知数字 化建设架构如图 7 所示。其由非接触式智能感知终 端、接触式智能传感器和辅助系统构成，实现 GIL 全天候、全时段、全方位巡视等，同时