数字孪生变电站框架设计与关键技术研究

数字孪生变电站框架设计与关键技术研究

张武焱

（湖北省电力规划设计研究院有限公司 湖北省武汉市 430040）

摘要：数字孪生技术是一种近年来迅速发展的技术，其基本原理是将现实世界中的物理对象、系统或进程进行数字化建模，并创建一个与之完全对应的“数字孪生”存储在计算机系统中。本文在论述数字孪生技术概述的基础上，提出了如何做好数字孪生变电站框架设计以及关键技术的分析以及研究。

关键词：数字孪生；变电站；框架设计；技术

引言

随着电力系统的不断发展，变电站的规模与复杂程度也不断提高，对变电站运行的安全性、可靠性要求也越来越高。然而，在变电站的运行过程中，故障的发生是不可避免的。目前，变电站的监测主要依赖于人力巡检，但人工在处理大量的数据时，可能会出现疏漏，不能及时发现并处理故障，从而给变电站的安全稳定运行带来隐患。另外，虽然变电站在建设的过程中已经采用了一些常用的监测手段，如跳线测温、超声波检测等，但这些手段往往只能针对单一的故障情况进行监测，而无法全面覆盖变电站所有可能的故障情况，变电站故障监测工作面临着严峻挑战。

数字孪生技术可以通过建模和仿真的方式对复杂的系统进行分析和预测，在保证安全性的同时，提高变电站的生产效率，提供更快、更准确的检测结果和决策支持。在变电站故障监测中，数字孪生技术可以通过对整个变电站的数据进行建模和仿真的方式来模拟变电站的运行环境，从而更好地识别和分析变电站中的故障情况。数字孪生技术的一大优势在于更加高效的数据处理能力，可以对大量数据进行高质量的预测和决策，确保变电站运行的稳定性和可靠性。

1、数字孪生技术简介

数字物理孪生关系模型技术主要功能是用于建立一组现有已知的实体，或一种将这些现有的存在状态由各种已知物理实体对象共同组成起来的物理相关状态数字模型，通过建立了相关有效的数值测量、仿真研究方法以及对于各种实验数据的相关分析计算手段等来如实地定量描述感知、诊断、预测等过程时所必然需要或针对需要控制它们的已知各相关物理实体对象可能存在着的或某些的真实相关物理状态，通过建立模型和优化计算程序及建立相关的指令程序等来精确调节或控制各相关的物理实体对象生命周期本身内的一些相对真实个体的进化行为,通过对各利益相关的实体数学模型对象生命周期之间相关数据信息的实时相互的分析及学习，以确保最终能达到改善进化模型的自身进化性能的一个最终技术目的，智慧变电站数字电力孪生技术系统是数字电力孪生的技术理念方法体系与新技术的应用模式在国内外和电力行业建设中的第一次成功应用落地。以人工智能技术分析为主要数据核心，通过系统深度智能的挖掘智能知识库系统和行业的定制化智能知识图谱，结合智能通信和利用5G技术，全面有效地加快推进智能化变电站界域内智能化变电站安全运维队伍的综合管理与技术应用智能化技术水平提升信息化与智能管理监控手段的现代化，全面高效大幅的提升了智能化变电站整体智能安全化生产智能化运行自动化的技术水平，提高了智能变电站整体优化的输变电设备变电站运维流程及变电站检修运行维护管理质量，大幅提升有效地减少了设备变电站日常运维的服务管理费用。

2、变电站数字化应用现状

20世纪90年代初，变电站自动化建设开启了变电站数字化雏形，变电站由有人值班逐步实现了无人值班。随着信息技术的发展，又由数字变电站过渡到智能变电站和智慧变电站，出现机器人巡检等智能化手段，变电站的数字化程度不断提高。目前，除了变电站自动化系统，在变电站还有应用于安防、消防、视频和环境监测等智能辅助设备集控系统，各种设备状态在线监测系统，用于实时图像监控的统一视频监控系统，用于现场安全管控的安全管控平台等。各个应用系统自成体系，如调度D5000、生产管理、无人机巡检和机器人巡检等系统的自动关联度不高，无法实现各类信息实时共享交互，数字化应用分散化、局部化。

变电站三维建模应用方面，目前已建设的三维数字孪生体基本还处于效果展示阶段，仅实现了一些初级应用。变电站设计阶段的GIM/BIM建模和运行阶段的激光扫描建模不能互访共享，重复建设和数据不能共享复用。变电设备智能运检缺乏全景化智能交互技术装备及技术手段，不能有效支撑智能运检所需的信息实时互联及远程专业协助。运检人员通常采用智能手机或平板开展运检作业，很难进行高度体验感的全景化、全息化显示；无法实时上传红外、紫外和局部放电等运检信息，从而形成巡检信息孤岛，无法实现远程专家实时诊断。

3、变电站数字孪生技术研究与应用分析

3.1、总体框架设计

利用红外测距传感器的跟踪方式可进行对巡检机器人位置的自动跟随算法优化和远程实时的跟踪和计算，可以精确地控制被巡检的机器人位置,并快速获取实际巡检工作情况。结合数字智能巡检系统孪生平台，系统还会通过将机器人巡检系统数据信息远程或自动实时传输和反馈传送给机器人巡检管理系统智能终端，智能终端则会自动接收反馈到机器人管理巡检系统数据中对待将人工进行巡检任务时记录的各相关工作设备、时间、频次方面的相关信息数据等进行智能统一和集合，巡检机器人定位是一种以跟踪测距定位的定位方式，通过计算机对基站和待巡检测的机器人标签之间存在的角度关系以及与基站距离信息关系等情况进行深度化的跟踪定位分析，则机器人可自动向右移动，当等于其余所有的角度数值之值时，则该机器便可始终保持直行。

3.2、三维建模

三维建模技术从实现手段可以概括为测绘建模和图样参数建模两大类。测绘建模技术是以实景实物为对象，通过倾斜摄影、近景摄影或三维激光扫描等同步定位与建图（SimultaneousLocalizationAndMapping,SLAM）方法建立对应模型。图样参数化建模是将二维的图样或参数转化为三维的模型。基于SLAM方法的测绘建模三维模型能反映变电站设备外观和位置，真实描绘设备外观；但不能反映设备内部部件之间装配接口、电气连接等逻辑关系。图样参数化建模反映模型的参数、装配和电气接线等逻辑关系，但模型外观不能反映实物形态。为增加可视化效果，模型应尽量体现物理实体真实情况。要达到模型逼真效果和动态反映设备状态，需要将测绘建模和参数建模结合起来，满足数字孪生变电站智能运维要求。对于建成的变电站，通常在测绘建模的基础上，用BIM/GIM文件对模型进行结构化标注、部件分解，使三维模型在高逼真的效果上结构化、层次化。通常用激光雷达现场扫描变电站，配合使用计算机视觉标记技术，构建场站全局激光点云，达到厘米级的三维重建准确度；按照《输变电工程三维设计模型交互规范》，GIM模型对变压器、断路器和隔离开关等电气设备进行部件拆解、标注，构造设备模型部件之间电气、连接逻辑关系；根据变电站最新的SCD文件，按IEC61850协议将变电站的一二次设备与变电站的三维重建模型形成对应关系。

4、结语

数字孪生变电站作为数字孪生电网的关键组成部分，是电网实现数字化转型的落脚点。如何将变电站数字化改革打造成为能源电力行业的标志性示范项目，从而更好地推动整个能源电力行业的数字化转型，亟需进一步的研究。

参考文献

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[2]刘海峰,池威威,贾志辉等.变电站数字孪生系统的设计与应用[J].河北电力技术,2021,40(03):8-14.

[3]高赛.数字孪生的变电站巡检系统数字化模型[D].华北电力大学,2022.

作者简介：张武焱（1985.6-），男，汉，湖北孝感人，本科。