數(shù)字孿生技術(shù)在城市軌道交通供電系統(tǒng)中的應(yīng)用場景分析

鄒 東 馮劍冰,2

(1. 廣州地鐵集團有限公司， 510330， 廣州； 2. 華南理工大學電力學院， 510641， 廣州∥第一作者， 正高級工程師)

數(shù)字孿生技術(shù)近年來已成為炙手可熱、被寄予極高期望的發(fā)展方向之一。國際上最具權(quán)威的IT(互聯(lián)網(wǎng)技術(shù))調(diào)研與咨詢服務(wù)公司Gartner，從2016年起連續(xù)5年將數(shù)字孿生技術(shù)列為未來十大戰(zhàn)略技術(shù)之一。

數(shù)字孿生技術(shù)其內(nèi)涵是構(gòu)建一個數(shù)字孿生體，其最終表現(xiàn)形式是對物理實體完整、精確的數(shù)字化描述，可用來對物理實體進行模擬、監(jiān)控、診斷、預(yù)測及控制，具有實時同步、忠實映射特性，是能夠?qū)崿F(xiàn)物理世界與信息世界交互、融合的技術(shù)手段。

數(shù)字孿生技術(shù)在各領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展迅速，而無論國內(nèi)還是國外，有關(guān)數(shù)字孿生技術(shù)在城市軌道交通供電系統(tǒng)的應(yīng)用大都處于探索階段。城市軌道交通供電系統(tǒng)是電力系統(tǒng)在城市軌道交通這一特定場景下的特殊系統(tǒng)，探索數(shù)字孿生技術(shù)在城市軌道交通供電系統(tǒng)的廣泛和深入應(yīng)用，可以給該系統(tǒng)及其設(shè)備，以及其上游的制造、下游的運維帶來革命性的改變。

1 數(shù)字孿生技術(shù)在城市軌道交通供電系統(tǒng)中的應(yīng)用方向分析

上海軌道交通、深圳地鐵、廣州地鐵等已開始探討將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于智能供電，如應(yīng)用于建設(shè)過程中對供電設(shè)備進行BIM(建筑信息模型)建模分析、運營過程中對供電設(shè)備進行智能運維等。但從目前國內(nèi)各城市地鐵公司的智能供電建設(shè)和智能運維情況來看，智能供電建設(shè)更側(cè)重于智能信息集成展示層面，往往是多個信息化系統(tǒng)、自動化系統(tǒng)的簡單堆積，各系統(tǒng)之間缺乏緊密聯(lián)系，很難從整體上、系統(tǒng)性上解決智能供電實施中存在的問題，對節(jié)能降耗、提質(zhì)增效的作用不強，偏離了智能供電的初衷，也很少通過智能供電建設(shè)推進管理模式變革，未真正做到提質(zhì)增效。

數(shù)字孿生技術(shù)在城市軌道交通供電系統(tǒng)的應(yīng)用，就是通過對供電系統(tǒng)的智能化改造，以自動化、數(shù)字化、信息化為基礎(chǔ)，充分發(fā)揮數(shù)字孿生技術(shù)強大的分析處理能力，實現(xiàn)供電設(shè)備全生命周期管理及壽命可視管控，解決供電系統(tǒng)運行故障預(yù)測與分析、線網(wǎng)級供電系統(tǒng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試，實現(xiàn)供電系統(tǒng)運維向狀態(tài)修轉(zhuǎn)變，提升供電系統(tǒng)運維管理能力，提高能源利用效率，推動節(jié)能減排。

2 數(shù)字孿生技術(shù)在城市軌道交通供電系統(tǒng)的應(yīng)用模式分析

數(shù)字孿生技術(shù)在城市軌道交通供電系統(tǒng)中的應(yīng)用，主要體現(xiàn)在數(shù)字空間構(gòu)建現(xiàn)實供電系統(tǒng)的映射模型，借助仿真、模型推演、數(shù)據(jù)分析、迭代優(yōu)化等手段，實現(xiàn)供電系統(tǒng)管理和服務(wù)的數(shù)據(jù)驅(qū)動、智能決策，最終達到現(xiàn)實供電系統(tǒng)和數(shù)字供電系統(tǒng)同步運轉(zhuǎn)、雙向互動， 實現(xiàn)供電系統(tǒng)綜合效能提升?；跀?shù)字孿生技術(shù)的城市軌道交通供電系統(tǒng)如圖1所示。

注：PI——美國OSI公司的實時數(shù)據(jù)； ERP——企業(yè)資源計劃。

首先，通過數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建一套虛擬的城市軌道交通供電系統(tǒng)，這是一個完整的、系統(tǒng)化的數(shù)字化系統(tǒng)；然后，對該虛擬系統(tǒng)中的設(shè)備及其設(shè)備內(nèi)部件進行數(shù)字建模，并建立所有設(shè)備的檔案資料，基于此，實現(xiàn)運行信息實時交互和對未來運行情況的超前預(yù)測。該虛擬系統(tǒng)囊括了所有設(shè)備及其部件在設(shè)計、工廠制造、工廠調(diào)試、現(xiàn)場安裝等運行前所有階段的歷史信息，以及運行階段的實時數(shù)據(jù)、交互信息、未來運行情況的預(yù)測數(shù)據(jù)，因此可形成虛擬系統(tǒng)與現(xiàn)實系統(tǒng)的鏡像對應(yīng)和數(shù)字化映射，最終形成可視、可控、可管的基于數(shù)字孿生技術(shù)的城市軌道交通供電系統(tǒng)。

其次，要實現(xiàn)智能供電系統(tǒng)的核心能力，需要充分應(yīng)用云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動應(yīng)用等先進信息技術(shù)，在現(xiàn)有的城市軌道交通供電通信系統(tǒng)、供電監(jiān)控系統(tǒng)、供電管理信息系統(tǒng)、供電輔助監(jiān)控系統(tǒng)等基礎(chǔ)上，進行數(shù)字孿生建模、信息物理融合、交換與協(xié)同。為促進數(shù)字孿生技術(shù)的落地應(yīng)用，必須抓住數(shù)字孿生技術(shù)的數(shù)據(jù)和模型這兩個核心，以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺、管理云平臺和綜合監(jiān)控數(shù)據(jù)庫為支撐，在智能設(shè)備層、智能控制層、智能監(jiān)管層和智能決策層構(gòu)建符合智能供電系統(tǒng)要求的模型，實現(xiàn)供電過程的全面感知、協(xié)同優(yōu)化、預(yù)測預(yù)警和科學決策。基于數(shù)字孿生技術(shù)的城市軌道交通智能供電系統(tǒng)體系架構(gòu)如圖2所示。

3 數(shù)字孿生技術(shù)在城市軌道交通供電系統(tǒng)中的應(yīng)用場景分析

數(shù)字孿生技術(shù)源于設(shè)備全壽命周期管理(PLM)，具備覆蓋全周期各階段的應(yīng)用基礎(chǔ)和向多領(lǐng)域拓展的能力：從設(shè)備的生命周期開始，到設(shè)備的數(shù)字化設(shè)計、設(shè)備的數(shù)字樣機、工廠的智能制造、設(shè)備安裝的BIM場景、設(shè)備運維的故障診斷、設(shè)備狀態(tài)維修等。除單機設(shè)備外，參照CPS(信息物理系統(tǒng))和ACP(平行系統(tǒng))的理念，還可以進一步應(yīng)用于整個系統(tǒng)級的孿生，對整個供電系統(tǒng)的控制進行平行模擬、故障推演、分析預(yù)測、系統(tǒng)優(yōu)化和仿真試驗。

3.1 數(shù)字化設(shè)計和虛擬制造

與城市電網(wǎng)的標準化和垂直管理不同，城市軌道交通的供電設(shè)備，通常因系統(tǒng)設(shè)計和用戶需求的差異，定制化設(shè)備較多，這就對設(shè)備的設(shè)計和性能提出更復(fù)雜的要求。采用數(shù)字孿生技術(shù)，對各類設(shè)備進行數(shù)字化設(shè)計，可將設(shè)備的設(shè)計信息、制造信息和其他附屬信息均定義至產(chǎn)品的數(shù)字化模型中，保障了數(shù)字孿生體在產(chǎn)品全生命周期中的唯一性和起始基礎(chǔ)。結(jié)合VMT(虛擬制造技術(shù))，可以在產(chǎn)品設(shè)計階段生成DMU(數(shù)字樣機)，對設(shè)備的制造過程、產(chǎn)品性能和定制化進行模擬和預(yù)測?；跀?shù)字孿生技術(shù)的城市軌道交通供電設(shè)備設(shè)計流程如圖3所示。圖4 為110 kV電力變壓器數(shù)字化設(shè)計樣機。圖5 為35 kV整流變壓器數(shù)字化設(shè)計樣機。

GB/T 26100—2010《機械產(chǎn)品數(shù)字樣機通用要求》中，將數(shù)字樣機定義為對機械產(chǎn)品的數(shù)字化描述，不僅反映產(chǎn)品的幾何屬性，還反映產(chǎn)品的功能和性能。數(shù)字樣機也將傳統(tǒng)的三維模型從靜態(tài)表達上升至反映功能和性能的動態(tài)表達。數(shù)字孿生技術(shù)正好全面承接了數(shù)字樣機這一未來趨勢。

注：ECMS——電氣監(jiān)控管理系統(tǒng)； PSCADA——電力監(jiān)控系統(tǒng)； ISCS——綜合監(jiān)控系統(tǒng)； GIS——氣體絕緣開關(guān)設(shè)備。

圖3 基于數(shù)字孿生技術(shù)的城市軌道交通供電設(shè)備設(shè)計流程

3.2 數(shù)字化工廠和智能制造

數(shù)字化工廠(DF)是針對設(shè)備制造環(huán)節(jié)的數(shù)字化融合。制造設(shè)備是制造過程的核心要素，實現(xiàn)制造設(shè)備的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化，可以將制造設(shè)備與擬造產(chǎn)品的數(shù)字模型進行有機結(jié)合。這不僅可以虛擬生產(chǎn)過程和監(jiān)督制造質(zhì)量，還可以對產(chǎn)品的數(shù)字孿生體進行修正和傳遞，并使其附著有生產(chǎn)環(huán)節(jié)的信息。在產(chǎn)品制造過程中，結(jié)合傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、5 G等技術(shù)與數(shù)字模型進行實時虛實互動，使制造過程更加智能化，同時也累積了制造過程中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)。圖6 為導(dǎo)入智能生產(chǎn)線的35 kV C-GIS數(shù)字化模型。

圖4 110 kV電力變壓器數(shù)字化設(shè)計樣機

圖5 35 kV整流變壓器數(shù)字化設(shè)計樣機

圖6 導(dǎo)入智能生產(chǎn)線35 kV C-GIS數(shù)字化模型

以某城市軌道交通電氣設(shè)備制造商的生產(chǎn)為例，其城市軌道交通用開關(guān)柜的生產(chǎn)，引入了全數(shù)字化智能生產(chǎn)線。直接輸入產(chǎn)品的數(shù)字化模型，可直接生成各組件的物料清單和規(guī)格參數(shù)；系統(tǒng)可根據(jù)設(shè)備的構(gòu)成生成產(chǎn)品制造工藝流程、質(zhì)量標準等并傳遞至生成線，生產(chǎn)線依據(jù)模型和工藝流程進行生成。該生產(chǎn)線可最大程度減少人工參與，整個制造過程是模型1.0向N.0的不斷演進過程。從設(shè)計階段開始直到制造階段完成，產(chǎn)品的數(shù)字孿生模型不斷附著元器件的規(guī)格型號、質(zhì)量標準等新增信息，為下一步的虛實同步交付奠定了基礎(chǔ)。圖7為數(shù)字化智能生產(chǎn)線管理平臺結(jié)構(gòu)體系。

圖7 數(shù)字化智能生產(chǎn)線管理平臺結(jié)構(gòu)體系

3.3 數(shù)字化應(yīng)用及智能運維階段

3.3.1 設(shè)備狀態(tài)維修和壽命管理

在向用戶交付設(shè)備的同時，如能向設(shè)備運維方交付設(shè)備的數(shù)字孿生體，則可在設(shè)備運維過程中繼續(xù)進行數(shù)字孿生體與實體設(shè)備的虛實映射，從而實現(xiàn)設(shè)備的狀態(tài)維修和壽命精準預(yù)測。

傳統(tǒng)的設(shè)備運維基本上處于計劃維修階段，對設(shè)備的狀態(tài)判斷大部分源于理論推導(dǎo)和經(jīng)驗積累，是對設(shè)備進行定期、定量的維護或檢修。如果獲得精準的設(shè)備數(shù)字孿生體，則可獲得設(shè)備及其各組成部分的精準狀態(tài)和維修需求，就可按設(shè)備的狀態(tài)安排針對性的維護或檢修。設(shè)備狀態(tài)維修，將會使設(shè)備運維發(fā)生革命性改變，可以使運維部門的人工成本、備件成本大幅度降低，并可使停電時間和備件庫存減少。同時，根據(jù)設(shè)備運行過程中的數(shù)據(jù)記錄和機理性預(yù)測，可以掌握設(shè)備的預(yù)期壽命。這樣，一方面可以進行相應(yīng)的設(shè)備壽命延長維護；另一方面可以在設(shè)備壽命終結(jié)時形成全壽命周期質(zhì)量總結(jié)報告，用以指導(dǎo)新的產(chǎn)品設(shè)計和質(zhì)量提升。

目前，廣州地鐵、上海地鐵等已開始在軌道交通供電系統(tǒng)中開展設(shè)備狀態(tài)評估和壽命管理，通過對供電設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)測，對其變化趨勢和易損件的重點預(yù)判，以及應(yīng)用數(shù)據(jù)驅(qū)動模型等手段，形成對供電系統(tǒng)設(shè)備進行全面、科學的判斷和狀態(tài)化維修管理。而對供電設(shè)備的全面狀態(tài)感知，是建立在設(shè)備的數(shù)字化孿生體基礎(chǔ)之上的。

在設(shè)備數(shù)字孿生技術(shù)基礎(chǔ)之上，設(shè)備的PHM(故障預(yù)測與健康管理)才能真正實現(xiàn)。圖8 為基于數(shù)字孿生技術(shù)的供電設(shè)備狀態(tài)修和壽命管理流程。圖9 為基于數(shù)字孿生技術(shù)的設(shè)備全壽命周期的虛實互動關(guān)系。

3.3.2 供電系統(tǒng)運行健康管理

通過對城市軌道交通供電系統(tǒng)進行整體的數(shù)字孿生(或者類似于平行系統(tǒng)的功能)，可以開發(fā)出大量系統(tǒng)性的高級應(yīng)用功能。

1) 高精度的實時潮流計算。依靠系統(tǒng)的數(shù)字孿生能力，可以將潮流計算的理論模型與實際(采集)量進行虛實互動，修正出高精度的數(shù)字孿生模型；通過高精度的數(shù)字孿生模型，可以對系統(tǒng)運行進行精確預(yù)測和診斷，以及在各類運行模式下的運行預(yù)判。

2) 健康管理和風險預(yù)測。擁有高精度的數(shù)字孿生系統(tǒng)，可以對系統(tǒng)運行進行全方位健康管理，特別是對各類極端故障情況下的系統(tǒng)災(zāi)備能力進行精準預(yù)判。城市軌道交通供電系統(tǒng)通常在設(shè)計時，按照既定的設(shè)計原則進行計算和配置，系統(tǒng)可運行在既定的工況下；但在實際運行時，為保障城市交通和社會秩序，運營部門通常將挖掘系統(tǒng)的極端供電能力，以在極端情況下盡可能向列車或車站進行供電。精準的系統(tǒng)數(shù)字孿生模型，將無需考慮既定工況，可對各類極端情況進行預(yù)測和災(zāi)備支撐

圖8 基于數(shù)字孿生技術(shù)的供電設(shè)備狀態(tài)修和壽命管理流程

圖9 基于數(shù)字孿生技術(shù)的設(shè)備全壽命周期的虛實互動關(guān)系

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3.3.3 系統(tǒng)虛擬試驗和系統(tǒng)優(yōu)化模擬

1) 系統(tǒng)虛擬試驗。系統(tǒng)涉及的大量聯(lián)動試驗、短路試驗和滿載試驗等，均可以通過在數(shù)字孿生模型中進行模擬。通過虛擬試驗，一方面可以驗證系統(tǒng)的閉鎖、整定值等的正確性和合理性；另一方面可以作為實體試驗的預(yù)演，以指導(dǎo)實體試驗的過程。

2) 系統(tǒng)優(yōu)化和經(jīng)濟運行。對供電系統(tǒng)的各角度優(yōu)化，以及經(jīng)濟性運行，都可以在系統(tǒng)數(shù)字孿生模型中進行預(yù)演和驗證；通過在虛體中對系統(tǒng)進行配置和模式切換，找到系統(tǒng)最佳的、最經(jīng)濟的運行方式，對降低成本、提高系統(tǒng)可靠性均有巨大意義。

4 結(jié)語

數(shù)字孿生技術(shù)為物理世界和數(shù)據(jù)世界建立了親密的橋梁，它們之間的虛實互動，將成為未來數(shù)字世界、智慧世界的基石。

數(shù)字孿生技術(shù)在城市軌道交通供電系統(tǒng)的應(yīng)用，還處于起步階段。盡管數(shù)字孿生技術(shù)的建模技術(shù)、傳感技術(shù)、數(shù)據(jù)驅(qū)動模型和模型的高保真性都處于百花齊放的前夜，但是可以肯定地預(yù)計，數(shù)字孿生技術(shù)將在城市軌道交通供電系統(tǒng)中得以全面應(yīng)用并推動顛覆性的技術(shù)變革。

本文探討了數(shù)字孿生技術(shù)在城市軌道交通供電系統(tǒng)的應(yīng)用場景，希望籍此推動數(shù)字孿生技術(shù)在城市軌道交通行業(yè)的全面應(yīng)用。