当前，换流站和特高压变电站的数字化建设已经成为新时期电力数字化的焦点，如何结合先进技术手段实现数字站建设亟待探索。许继电气股份有限公司的张柯、李金旗在2023年第12期《电气技术》上撰文。基于当前数字化试点站的建设经验，围绕数字站的建设方案和技术进行探究，讨论建设过程中的“痛”点、难点，指出未来建设的目标、方向，为数字站的推广和优化升级提供参考。
当前，我国正处于能源转型发展和数字化革命交织叠加的关键时期，电网作为多能转换利用的枢纽，承载着资源大范围优化配置的重任。在“双碳”目标的驱动下，我国电网正在从“源随荷动”的传统电力系统向“源网荷储”四维互动的新型电力系统加速演进。
面对电力数字化的发展刚需，国家电网公司从全局和战略高度谋划和推动“数字新基建”，以数字化、网络化、智能化为电网赋能、赋值、赋智，着力提升电网绿色安全、泛在互联、高效互动和智能开放能力。其中，换流站和变电站作为变电领域的重要部分，是国家电网公司数字化转型的核心与关键所在。因此，如何充分应用“大云物移智链”等先进技术和手段积极推进换流站和变电站数字化建设，是本文分析和探讨的重点。
1 技术方案
数字站包括数字换流站和数字特高压变电站，是指统筹布局换流站/特高压变电站内信息化基础设施建设，运用先进的数字技术、信息技术和发展创新成果，建设具有数字化管理水平的换流站/特高压变电站。数字站系统是指综合应用软件、硬件与通信技术，将监控、运维、安防等多个应用集成为一个有机的整体。
数字站系统可以看成两个部分，即站端和云端。站端包含数据组件、业务组件和基础应用；云端包含省公司和总部侧的集成及应用。站端与云端的应用相互对应，其中站端以前、后端分离的方式部署各种应用，而省公司和总部侧仅部署应用前端或浏览器。
通过数据协同技术，在省公司和总部侧可调用各种应用的后端数据、内容和页面，从而保证站端、省公司、总部侧的一致体验。
图1所示为数字站系统结构，其中：数据协同是指通过数据协同组件，实现量测数据的上送及业务数据的下发；应用协同是指一些高级应用通过应用商店的部署下发到站端，再利用部署工具进行自动化部署；站端模型复用是指通过三维模型库将站端模型复用，从而支撑云端的应用；运维协同是指通过管理组件将站端平台软、硬件的监控与告警数据同步到总部运维平台，由总部进行统一运维监视与处理；智能协同是指一方面通过人工智能（artificial intelligence, AI）平台将视频类AI算法下发到视频组件，支撑设备智能巡检等功能，另一方面将站端视频与图片样本上传人工智能平台进行算法迭代训练。
图1 数字站系统结构
2 架构设计
数字站的建设遵循新一代设备智能管控系统总体架构，依托物联网、边缘计算、AI等新技术，实现对整个系统的自主可控。其中，站端采用三层架构设计，自下而上分别为基础平台、公共组件和应用层，其业务交互框架示意如图1所示。
2.1 基础平台
数字站基础平台是一个云平台，它的搭建充分利用站内自主可控的基础软、硬件资源，一方面为站内业务应用、公共组件提供虚拟机、容器、分布式存储、图形加速、AI推理等一系列基础设施服务；另一方面为业务功能应用的开发提供强大的直流操作系统支撑，实现了站内多业务应用间的便捷数据资源共享。
数字站基础平台为整个站提供最基本的软、硬件资源支撑，包括基础硬件和基础软件。基础平台及配套设施架构如图2所示。
基础硬件是指支撑各应用运行的硬件集合，它为数字站内所有软件和服务提供计算、存储和网络资源，包括存储计算融合节点（提供弹性的计算、存储融合资源池）、图形处理节点（提供三维图形渲染的算力）、显卡、节点互连交换机等。
基础软件依赖基础硬件的运行并整合调度硬件资源，它是受公共组件或应用软件调用和依赖的服务和资源，为整个数字站提供弹性、异构的计算资源池和存储资源池，包括虚拟化、容器管理、分布式存储、基础设施管理、操作系统等。
图2 基础平台及配套设施架构
2.2 公共组件
数字站公共组件由若干数据组件和业务组件组合而成。公共组件一方面访问数据并进行综合分析，实现业务功能的处理和响应；另一方面作为服务端，对外提供一系列接口，供应用调用。公共组件架构如图3所示。
数据组件为数字站系统的应用组件提供数据支撑，它一般与具体业务或应用功能无关，包括实时数据库、时序数据库、关系数据库、视频组件等。
业务组件用于站端应用和云端应用访问数字站业务功能，它是数字站系统对外数据交换的核心，包括设备管理、文件存储、数据服务、告警服务、权限管理、日志管理等。
图3 公共组件架构
2.3 应用层
数字站应用层由多种不同的应用模块构成，每种应用模块关联一种具体的实际业务需求，各种应用以前、后端分离的方式在站内部署，完成全站视频管理、全站三维呈现、设备状态总览、设备告警总览等基础应用，以及阀冷系统智能分析、换流阀智能分析等高级应用。应用层架构如图4所示。
图4 应用层架构
1）基础应用
（1）全站视频管理
基于三维地理信息系统（3 dimensional geogra- phic information system, 3D-GIS）实现对站端全域视频的管控，充分结合地理信息、三维模型和实时视频，紧密关联现实摄像机画面与地理信息数据，使站内运检人员可以通过摄像机区域列表、三维模型可视化点选、小地图导航定位等方式访问全站视频资源。
需要将站内视频资源在3D-GIS中完成各摄像机空间坐标的采集与标定，具体包括工业视频、全自动巡检、红外、无人机、机器人等系统视频数据。此外，支持站内视频巡检路线定制，可实现巡视计划设置、巡视点配置、巡视任务查询、巡视结果统计、关键生产数据弹出展示及数据预警等功能。
（2）全站三维呈现
通过设计工具、仿真技术、物联网、云三维等前沿数字化手段，实现对站端全域的三维建模。整合接入站端多维系统及其数据信息，以三维形式呈现站端全场景信息，具有态势全面感知、信息高效处理、应用便捷灵活等特点，可真实反映设备状态及其周围环境，可融合告警提示、监测数据、视频图像等实时信息，可融合作业记录、设备台账、设备检修、缺陷记录等数据资料，可对站内区域、设备、系统、建筑物等突出显示，可帮助站内运维人员针对站内设备、环境及作业的多维信息立体监视，实现多维度的智能研判和设备的精益化管理，提高运维工作效率。
（3）设备状态总览
基于数字站平台的全站数据汇聚，实现对换流变压器、站用变压器、气体绝缘金属封闭开关设备（gas insulated switchgear, GIS）、阀冷系统、光纤电流互感器（current transformer, CT）（光CT）、直流穿墙套管、直流分压器、直流开关、交流滤波器、换流阀等重要设备的状态总览。支持关键设备数据在日、周、月及自定义时间范围的比对分析、原始数据一键导出和异常信息标注提示等功能。
（4）设备告警总览
基于数字站平台全站数据汇聚，实现设备告警总览。支持告警信息在设备、等级、时间等维度的统计及信息展示；支持告警信息的实时刷新及过滤检索。当有告警推送时，可人工触发该项告警所属设备的联动功能，展示与该设备相关的数据信息。
（5）故障录波管理
基于数字站平台全站数据汇聚，实现故障录波管理。支持统一查询与检索平台接入的故障录波文件，并对文件进行在线解析，展示各通道波形、配置参数、故障报告等信息。
（6）智能报表管理
支持站端直流控制保护系统、在线监测系统、阀冷系统、红外测温系统等的数据统计；可按照运维需求，通过日报、周报、月报的形式展示进、出线路负荷、直流系统负荷、光CT、油色谱、阀冷系统、电量等历史数据、统计数据和分析数据；支持报表的任务制定、报表自动生成、报表导出及打印等功能。
（7）数字站区管理
基于数字站平台全站数据汇聚，以站区为主体，依托全站统一的三维底座，支持安防信息、消防信息和辅助监控信息的统一监控和管理。
2）高级应用
（1）阀冷系统智能分析
基于多源设备信息，精准开展设备状态监测分析、状态评估及趋势预测，可结合状态分析结果、同类设备数据、历史数据、缺陷案例等，诊断缺陷原因，定位缺陷部件，形成消缺建议。阀冷系统智能分析界面如图5所示。
图5 阀冷系统智能分析界面
（2）换流阀智能分析
显示换流阀（功率/电流/触发角）、阀冷（温度/流量/压力）及阀厅环境（温度/湿度）等数据及趋势变化；实时监测阀本体晶闸管及其冗余个数；自动弹出换流阀及阀控设备告警事件，根据内部专家库给出检修运维建议；自动完成报警及故障事件信息分类，实时统计；阀本体告警及故障可实现红外自动联动，并快速定位故障位置，辅助状态查看。换流阀智能分析界面如图6所示。
图6 换流阀智能分析界面
当换流阀本体元器件发生故障时，支持故障元器件自定位并指示故障状态，显示阀厅、阀塔、晶闸管等具体元器件的实时信息。三维定位功能界面如图7所示。
图7 三维定位功能界面
（3）开关设备智能分析
统合接入开关设备的在线监测数据、带电检测数据、运行数据和例行试验数据，实现对开关设备运行状态的分析及健康度预测，自动推送设备预警并开展重症监护；实现开关设备故障定位及故障诊断，推送相似案例并自动生成处置建议和故障报告。开关设备智能分析界面如图8所示。
图8 开关设备智能分析界面
3 接入系统
数字站平台建设在站内安全Ⅳ区，通过整合基础软硬件资源，强化边缘计算能力，实现Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ区的数据汇聚、标准数据模型转换、业务处理等站端功能。
数据接入方式的制定充分利用已有汇聚节点、接入节点，并将站内全量数据接入基础平台，完成站内控制保护、故障录波、一体化在线监测等全部子系统及传感数据的汇集接入，形成统一的数据底座供各级应用按需调用、集中获取。接入系统拓扑如图9所示。
图9 接入系统拓扑
3.1 接入子系统
子系统的构成通常包括交直流控制保护系统、交直流保信子站系统、故障录波系统、使用IEC 61850规约通信的辅助系统及使用其他规约的辅助系统。具体地，Ⅰ区子系统有直流控制保护系统、直流内置故障录波系统和光CT监测系统，涉及遥信、遥测、实践报警、故障录波信息等业务数据。
Ⅱ区子系统有故障测距系统、阀冷系统、电能计量系统、保信子站、故障录波系统，涉及交直流保护信息、故障录波信息等业务数据。Ⅳ区子系统有视频系统、阀厅红外测温系统、阀厅空调系统、室内空调系统、照明系统、消防系统、火灾自动报警系统、测温系统、网络型脉冲电子围栏系统、蓄电池系统等，涉及温度、湿度、风速、水浸、红外双鉴、红外对射、电子围栏、一次设备在线监测数据、门禁数据、锁控数据、照明开关、远程控制记录、空调状态、控制记录数据等业务数据。
3.2 数据接入
Ⅰ区数据接入节点接收网络安全Ⅰ区的系统数据后，经正向隔离装置上传到网络安全Ⅳ区边缘物联代理。系统内置故障录波文件采用文件传输协议经正向隔离装置上传到网络安全Ⅳ区边缘物联代理。
Ⅱ区数据接入节点接收网络安全Ⅱ区的系统数据（规定规约）后，经正向隔离装置上传到网络安全Ⅳ区边缘物联代理；规定规约以外的Ⅱ区系统数据，经汇聚节点进行规约转换后接入数据接入节点，后经正向隔离装置上传到网络安全Ⅳ区边缘物联代理。外置故障录波文件采用文件传输协议经正向隔离装置上传到网络安全Ⅳ区边缘物联代理。
Ⅳ区接入数据主要分两种类型：非结构化的视频数据可直接接入网络安全Ⅳ区边缘物联代理；红外监测、有线感知设备等结构化数据经汇聚节点进行规约转换后接入数据接入节点，后将数据上传到网络安全Ⅳ区边缘物联代理。
接入系统数据流向如图10所示，其中虚线箭头为具体流向标注。
图10 接入系统数据流向
4 建设难点
数字站的建设目标在于提升设备管理精益化和生产管控穿透力，以期实现“全数据设备监视、全过程技术监督、全场景风险防控、全业务工作管理、全流程作业管控、全寿命周期管理”。
具体地，“全数据”在于通过场景和数据信息，实现设备状态可观测、可分析、可掌控；“全过程”在于充分依托总部及属地省公司各单位技术力量，对设备状态进行分析，及时处置设备故障；“全场景”在于基于视频、三维等技术，实时掌控人、车、物情况，实现即时预警与风险处置；“全业务”在于通过流程再造，推动实现业务管理标准化，建立三级贯通业务管理体系；“全流程”在于固化现场检修、运维、试验、应急等工作流程，实现作业标准化、过程可追溯、风险可防控；“全寿命”在于通过项目管理实现设备成本归集，提供设备检修策略，指导设备检修、备品备件准备及技改大修等。
目前，已有泰州站、陕北站、武汉站、雁门关站、广固站等20座传统站完成数字站初步建设，实现站内原有子系统的有效数据（遥信、遥测、摄像头等）全接入，开发及部署视频融合、多维信息呈现、换流变分析诊断等应用，完成阀冷、视频监控、巡检监控、故障录波等子系统的数字化替代。
以陕北换流站为例，作为±800kV陕武特高压直流工程的送端站，在其数字化建设过程中面临的技术难点主要有：
①站内已建信息系统众多，各自拥有独立的软、硬件基础设施和人机终端设备，系统风格和操作方式各异，亟待整合统一；②站内系统各自形成信息孤岛，数据共享共通困难，没有统一总线及接口规范，挖掘数据价值、深化应用的工作量大，很难形成效益；③站内缺乏全景智能管控手段，无法及时汇聚多源数据进行全面准确的分析和预警，智能管控水平有待提升。
虽然不同站的数字化建设过程中遇到的具体问题不同，但是如何充分利用并调度站内原有软、硬件资源，合理汇聚各个子系统的数据进行分析处理是将传统站建设为数字站的关键一环，同时也是建设过程中的最大难点。
5 优势与不足
传统站经过数字化建设成为数字站后，其设备精益化水平及生产管控穿透力大大提升，具体体现在以下四个方面。
1）设备状态感知：依托设备状态分析与诊断、一体化在线监测等应用，全景掌控站内设备运行状态，辅助运检决策。
2）人工巡视替代：利用智能巡检、全景视频、人员定位等技术手段，优化运维巡视策略，辅助现场作业规范管控。
3）日常工作替代：基于日常统计、分析类工作数字化转型，实现数据抄录、状态分析等人工替代。
4）系统整合替代：通过平台优势完成内外置故障录波、一体化监测、日周月比对、巡检测温等系统整合替代，提升运检人员工作效率。
然而，数字化建设过程中难点众多，需要投入大量的人力、物力、财力，虽然已完成多个数字化试点站的建设，但与“场景孪生、云边协同、生态开放”的直流三级数字化体系还存在很大差距，仍需夯实数字站平台核心能力及基础功能，提升功能实用性、交互便捷性和系统稳定性，加速推进数据治理及自动校验，提升数据质量。
此外，还要聚焦省级全域直流平台和总部全域平台的建设，持续优化云端技术路线，夯实两级框架系统能力，推进云端数字站省侧接入，夯实关键数据基础服务，提升总部全域平台实用能力。
6 结论
本文聚焦新时期的数字站建设，思考如何充分结合先进技术和手段推进数字站建设，主要介绍了数字站的含义及数字化建设的意义，讨论了数字站建设过程中的技术方案、架构设计、建设难点，对引发大众关注与思考数字站建设具有积极作用。
未来数字站建设要着眼于协调与技术升级，一方面努力协调海量数据接入和资源冲突的问题，另一方面努力做好技术升级，夯实数字底座和综合保障能力，实现“最后一套系统”的远景目标。
本工作成果发表在2023年第12期《电气技术》，论文标题为“数字站建设方案及技术研究”，作者为张柯、李金旗。