變電站數(shù)字孿生系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

劉海峰,池威威,賈志輝,李志雷,孫文凱

(國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司雄安新區(qū)供電公司,河北 雄安新區(qū) 071000)

0 引言

在數(shù)字經(jīng)濟(jì)、能源革命、國(guó)家戰(zhàn)略多重浪潮的疊加之下,身處能源行業(yè)核心樞紐地位的電網(wǎng)企業(yè)實(shí)施數(shù)字化轉(zhuǎn)型已是大勢(shì)所趨。根據(jù)《河北雄安新區(qū)規(guī)劃綱要》,雄安新區(qū)堅(jiān)持?jǐn)?shù)字城市與現(xiàn)實(shí)城市同步規(guī)劃、同步建設(shè),打造具有深度學(xué)習(xí)能力、全球領(lǐng)先的數(shù)字城市。當(dāng)前,雄安新區(qū)正處在大規(guī)模集中建設(shè)階段,“十四五”期間電網(wǎng)設(shè)備規(guī)?？焖僭鲩L(zhǎng),現(xiàn)狀電網(wǎng)、過(guò)渡電網(wǎng)、目標(biāo)電網(wǎng)三張網(wǎng)將長(zhǎng)期交織共存,傳統(tǒng)運(yùn)檢管理模式下需要配置大量運(yùn)檢人員,必須通過(guò)數(shù)字化轉(zhuǎn)型化解電網(wǎng)快速發(fā)展與運(yùn)檢人員配置不足之間的矛盾。國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司雄安新區(qū)供電公司落實(shí)國(guó)家電網(wǎng)有限公司和國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司數(shù)字化轉(zhuǎn)型工作部署,順應(yīng)能源革命和數(shù)字革命相融并進(jìn)大趨勢(shì),全力打造雄安數(shù)字化主動(dòng)電網(wǎng),利用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)、人工智能、區(qū)塊鏈(簡(jiǎn)稱“大云物移智鏈”)等現(xiàn)代信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)電網(wǎng)進(jìn)行全方位、全角度、全鏈條的改造[1]。

當(dāng)前,雄安新區(qū)正處在大規(guī)模建設(shè)階段,電網(wǎng)將長(zhǎng)期處于現(xiàn)狀電網(wǎng)、過(guò)渡電網(wǎng)、目標(biāo)電網(wǎng)交織共存狀態(tài),傳統(tǒng)運(yùn)檢管理模式下需要配備大量運(yùn)檢人員,必須采用新的技術(shù)手段化解電網(wǎng)大規(guī)?？焖僭鲩L(zhǎng)和運(yùn)檢人員不足之間的矛盾。

1 數(shù)字孿生變電站的概念

數(shù)字孿生是以數(shù)字化方式為物理對(duì)象創(chuàng)建的虛擬模型,來(lái)模擬其現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的行為,從而反映相對(duì)應(yīng)的實(shí)體設(shè)備的全壽命周期過(guò)程。

數(shù)字孿生變電站是基于數(shù)字化標(biāo)識(shí)、自動(dòng)化感知、網(wǎng)絡(luò)化連接、普惠化計(jì)算、智能化控制、平臺(tái)化服務(wù)的信息技術(shù)體系和電網(wǎng)信息模型,在數(shù)字空間再造一個(gè)與物理電網(wǎng)匹配對(duì)應(yīng)的數(shù)字變電站,全息模擬、動(dòng)態(tài)監(jiān)控、實(shí)時(shí)診斷、精準(zhǔn)預(yù)測(cè)電網(wǎng)物理實(shí)體在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的狀態(tài),推動(dòng)電網(wǎng)全要素?cái)?shù)字化和虛擬化、全狀態(tài)實(shí)時(shí)化和可視化、電網(wǎng)運(yùn)行管理協(xié)同化和智能化,實(shí)現(xiàn)物理電網(wǎng)與數(shù)字電網(wǎng)協(xié)同交互、平行運(yùn)轉(zhuǎn)[2-3]。其核心價(jià)值在于通過(guò)建立高度集成的數(shù)據(jù)閉環(huán)賦能體系,使電網(wǎng)運(yùn)行、管理和服務(wù)由實(shí)入虛,并通過(guò)在虛擬空間建模、仿真、演繹、操控,以虛控實(shí),促進(jìn)物理空間中電網(wǎng)資源要素優(yōu)化配置,開辟新型智能變電站的建設(shè)和管理模式。

2 技術(shù)方案

2.1 技術(shù)路線

變電站數(shù)字孿生系統(tǒng)以全息多維感知、遠(yuǎn)程智能巡檢來(lái)轉(zhuǎn)變?cè)O(shè)備狀態(tài)獲取方式;以大數(shù)據(jù)分析、人工智能技術(shù)來(lái)轉(zhuǎn)變?cè)O(shè)備狀態(tài)管控方式;以三維數(shù)字孿生、移動(dòng)互聯(lián)來(lái)轉(zhuǎn)變運(yùn)檢業(yè)務(wù)管控模式。全面推進(jìn)雄安數(shù)字電網(wǎng)建設(shè),提升電網(wǎng)智能化水平,提高安全風(fēng)險(xiǎn)防控能力和精益運(yùn)檢能力,實(shí)現(xiàn)數(shù)字化運(yùn)維和智能化管控,保障大電網(wǎng)安全運(yùn)行。

變電站數(shù)字孿生體系按場(chǎng)景應(yīng)用分為設(shè)備層、電網(wǎng)層、業(yè)務(wù)層及管理層。其基礎(chǔ)是圍繞設(shè)備管理和評(píng)估開展的設(shè)備層,核心是圍繞電網(wǎng)安全運(yùn)行管理和決策開展的電網(wǎng)層,關(guān)鍵支撐是圍繞設(shè)備及電網(wǎng)的安全運(yùn)行開展的業(yè)務(wù)層,頂層框架是圍繞物(設(shè)備及電網(wǎng))和人(作業(yè)人員、管理人員)開展的管理層。

數(shù)字孿生變電站通過(guò)三維圖形引擎、3D GIS、傳感器、視頻監(jiān)測(cè)、視頻融合、大數(shù)據(jù)等技術(shù),在數(shù)字孿生系統(tǒng)中構(gòu)建與現(xiàn)實(shí)變電站孿生的虛擬變電站,實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站設(shè)備狀態(tài)全感知、故障預(yù)測(cè),進(jìn)一步提升輸變電工程的可視化、精細(xì)化管理水平和智能決策能力。

雄安新區(qū)變電站數(shù)字孿生系統(tǒng)滿足公司統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型(SG-CIM)要求和微應(yīng)用微服務(wù)建設(shè)技術(shù)要求,遵從業(yè)務(wù)架構(gòu)、應(yīng)用架構(gòu)、數(shù)據(jù)架構(gòu)、技術(shù)架構(gòu)、安全架構(gòu)5大架構(gòu)設(shè)計(jì)原則。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

2.2.1 總體架構(gòu)

雄安變電站數(shù)字孿生系統(tǒng)分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺(tái)層、應(yīng)用層,見圖1。

感知層(變電站端)采用標(biāo)準(zhǔn)化傳感技術(shù),對(duì)變電站主設(shè)備及環(huán)境量進(jìn)行全面采集,實(shí)現(xiàn)變電站主設(shè)備狀態(tài)和環(huán)境全面感知。感知層由各類物聯(lián)網(wǎng)傳感器、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成,分為傳感器層與數(shù)據(jù)匯聚層兩部分,實(shí)現(xiàn)傳感信息采集和匯聚。

網(wǎng)絡(luò)層由電力無(wú)線專網(wǎng)、電力APN通道、電力光纖網(wǎng)等通信通道及相關(guān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成,為電力設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)提供高可靠、高安全、高帶寬的數(shù)據(jù)傳輸通道。

平臺(tái)層利用公司一體化“國(guó)網(wǎng)云”、全業(yè)務(wù)統(tǒng)一數(shù)據(jù)中心、物聯(lián)管理中心等平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享交互。物聯(lián)管理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)各類傳感器及網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)裝備的管理、協(xié)調(diào)與監(jiān)控,承擔(dān)數(shù)據(jù)獲取、狀態(tài)分析和實(shí)時(shí)預(yù)警等任務(wù),對(duì)物聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算算法進(jìn)行遠(yuǎn)程配置,實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的開放式接入和海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)視、統(tǒng)計(jì)分析、三維視頻融合、作業(yè)管理、虛擬巡視、模擬演練功能,融合于全景監(jiān)視、統(tǒng)計(jì)分析、環(huán)境監(jiān)視、作業(yè)管理、缺陷管理、實(shí)時(shí)告警、設(shè)備管理、技術(shù)監(jiān)督8個(gè)子模塊。

2.2.2 應(yīng)用架構(gòu)

變電站數(shù)字孿生系統(tǒng)支撐運(yùn)檢人員進(jìn)行變電站全壽命周期運(yùn)維管理。系統(tǒng)應(yīng)用架構(gòu),見圖2。

圖2 系統(tǒng)應(yīng)用架構(gòu)

a.全景監(jiān)視:實(shí)現(xiàn)在三維場(chǎng)景中以全景視角查看環(huán)境狀態(tài)、設(shè)備分布、詳細(xì)信息、變電站大事記、天氣情況,并可以選擇不同時(shí)間對(duì)變電站場(chǎng)景進(jìn)行回溯。

b.設(shè)備管理:實(shí)現(xiàn)按照不同方式查看設(shè)備信息,查看拆解的設(shè)備部件,對(duì)設(shè)備進(jìn)行透視。

c.巡視作業(yè):實(shí)現(xiàn)各類巡視過(guò)程及報(bào)告查看,包括機(jī)器人巡視、虛擬巡視、遠(yuǎn)程巡視。

d.檢修作業(yè):實(shí)現(xiàn)對(duì)檢修過(guò)程及報(bào)告進(jìn)行查看,并支持檢修預(yù)演。

e.輔控系統(tǒng):實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器及監(jiān)控信息查看。

f.實(shí)時(shí)告警:實(shí)現(xiàn)對(duì)告警信息的查看。

g.設(shè)備一生畫像:實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備從規(guī)劃到退役的信息追溯。

h.應(yīng)急管理:實(shí)現(xiàn)對(duì)在線監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)查看,并在出現(xiàn)消防或安防問(wèn)題時(shí),自動(dòng)尋優(yōu)逃生路線。

i.技術(shù)監(jiān)督:實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)督指標(biāo)的查看,并判斷設(shè)備對(duì)應(yīng)階段的數(shù)據(jù)是否達(dá)標(biāo)。

2.2.3 技術(shù)架構(gòu)

雄安變電站數(shù)字孿生系統(tǒng)采用C/S架構(gòu),前端使用UE4圖形渲染引擎,采用藍(lán)圖、C++語(yǔ)言開發(fā)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn);后端基于SG-UAP 3.1.8平臺(tái)開發(fā),遵循組件化開發(fā)模式,滿足“國(guó)網(wǎng)云”的部署和遷移要求。各功能模塊通過(guò)定義的接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互通和功能調(diào)用。關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)采用MySQL 5.7,文檔數(shù)據(jù)庫(kù)采用MongoDB 3.6.13。系統(tǒng)采用微服務(wù)架構(gòu)以及前后端分離的方式進(jìn)行開發(fā),保證平臺(tái)的高可用性、高可靠性及灰度發(fā)布。系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu),見圖3。

圖3 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

2.2.4 安全架構(gòu)

依據(jù)GB/T 22240—2008《信息系統(tǒng)安全等級(jí)保護(hù)定級(jí)指南》和國(guó)家電網(wǎng)有限公司《關(guān)于深化管理信息系統(tǒng)安全等級(jí)保護(hù)定級(jí)與備案相關(guān)工作的通知》,雄安變電站數(shù)字孿生系統(tǒng)的業(yè)務(wù)信息安全保護(hù)等級(jí)(S)定為二級(jí),系統(tǒng)服務(wù)安全保護(hù)等級(jí)(A)定為二級(jí),整體安全保護(hù)等級(jí)定為二級(jí)(S2A2G2)。系統(tǒng)安全架構(gòu),見圖4。

圖4 系統(tǒng)安全架構(gòu)

3 技術(shù)創(chuàng)新性

3.1 數(shù)字建模

傳統(tǒng)三維建模方法制作繁復(fù)、計(jì)算復(fù)雜、耗時(shí)耗力、效果欠佳、信息易缺失[4]。針對(duì)變電站設(shè)備種類及數(shù)量多、環(huán)境復(fù)雜等情況,提出不同模式組合建模的策略,實(shí)現(xiàn)變電站可視信息快速高精度建模還原。

利用激光掃描技術(shù)對(duì)變電站整體進(jìn)行全方位掃描,快速獲取變電站整體模型,將得到的粗略模型進(jìn)行細(xì)節(jié)優(yōu)化算法計(jì)算,達(dá)到高精度模型標(biāo)準(zhǔn),適用于大場(chǎng)地外景和現(xiàn)成場(chǎng)地的情況,具有結(jié)構(gòu)精確、建模迅速的特質(zhì),非常適合室外變電站1∶1無(wú)誤差高精度還原[5]。利用變電站建設(shè)時(shí)固有的GIM模型,包括設(shè)備、地臺(tái)基礎(chǔ)、建筑等高精細(xì)模型的內(nèi)外部結(jié)構(gòu)與多維度信息,對(duì)其進(jìn)行模型簡(jiǎn)化計(jì)算,得到高精度模型,適用于帶有GIM模型的所有情況,特別用于未完工變電站,具有結(jié)構(gòu)細(xì)致、建模迅速的特質(zhì),非常適合室內(nèi)變電站1∶1高精度建模。高精度變壓器設(shè)備數(shù)字建模示例,見圖5。

圖5 高精度變壓器設(shè)備數(shù)字建模

3.2 “虛-實(shí)”映射

基于設(shè)備傳感器、物聯(lián)網(wǎng)與云平臺(tái)技術(shù)的飛躍發(fā)展,通過(guò)廣泛布置先進(jìn)的設(shè)備傳感器對(duì)全專業(yè)設(shè)備進(jìn)行全面狀態(tài)信息感知,經(jīng)物聯(lián)網(wǎng)匯集至云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)智能分析處理,將結(jié)果反饋至孿生系統(tǒng)客戶端,實(shí)現(xiàn)虛擬計(jì)算機(jī)世界與現(xiàn)實(shí)變電站的高效交互映射,實(shí)時(shí)感知數(shù)據(jù)“虛-實(shí)”空間快速同步更新和數(shù)字孿生體的快速動(dòng)態(tài)生長(zhǎng),解決復(fù)雜動(dòng)態(tài)作業(yè)環(huán)境下,變電站設(shè)備的信息時(shí)空互聯(lián)不全面、更新集成效率低等問(wèn)題。

3.3 互聯(lián)融合

基于數(shù)字孿生體“虛-實(shí)”映射與動(dòng)態(tài)生長(zhǎng),將設(shè)備狀態(tài)信息數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)孿生設(shè)備在虛擬計(jì)算機(jī)世界進(jìn)行1∶1匹配,客戶端中以“AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)”技術(shù)可視化呈現(xiàn),實(shí)現(xiàn)可視化數(shù)據(jù)與實(shí)景三維模型的信息互聯(lián)融合,提升“虛-實(shí)”信息時(shí)空互聯(lián)全面性和信息融合深度。可視化數(shù)據(jù)互聯(lián)示例,見圖6。

圖6 設(shè)備可視化數(shù)據(jù)互聯(lián)示例

3.4 虛擬仿真

基于變電站設(shè)備的高精度內(nèi)外部結(jié)構(gòu)建模與部件級(jí)拆解,將拆解技術(shù)運(yùn)用于設(shè)備檢修作業(yè)、知識(shí)講解、模擬演練以及設(shè)備部件級(jí)可視化數(shù)據(jù)互聯(lián)融合,可在計(jì)算機(jī)世界對(duì)設(shè)備進(jìn)行模擬檢修與拆解練習(xí),實(shí)現(xiàn)變電專業(yè)人員對(duì)于設(shè)備知識(shí)與操作技能的快速學(xué)習(xí)與無(wú)成本模擬演練。

3.5 管控系統(tǒng)

基于變電站各管控系統(tǒng)的高度集成,采用數(shù)字孿生技術(shù)作為核心技術(shù)底層,通過(guò)引入數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)體系,建立智慧變電站信息化標(biāo)準(zhǔn)體系,打破各系統(tǒng)業(yè)務(wù)壁壘,使變電站各項(xiàng)業(yè)務(wù)有效關(guān)聯(lián),實(shí)現(xiàn)變電站系統(tǒng)全面的高質(zhì)量、高效率綜合管控。

4 應(yīng)用實(shí)踐

4.1 三維建模

基于劇村變電站數(shù)字化移交的RVT模型或GIM模型進(jìn)行模型處理和優(yōu)化,包括減面、輕量化、增加材質(zhì)和配色等,對(duì)變電站27類設(shè)備進(jìn)行部件級(jí)拆分和設(shè)備臺(tái)賬圖屬關(guān)聯(lián),重點(diǎn)對(duì)劇村變電站變壓器和開關(guān)柜三維模型進(jìn)行深層分組和部件級(jí)顆粒度拆分,將變壓器三維模型拆分為本體箱體、鐵心、繞組、各套管、分接開關(guān)、儲(chǔ)油柜、各類非電量保護(hù)裝置、冷卻系統(tǒng)、接地裝置等,并對(duì)各個(gè)位置繼續(xù)細(xì)化。將開關(guān)柜拆分為真空斷路器、電流互感器、電壓互感器、熔斷器和避雷器等,使設(shè)備三維模型的動(dòng)作狀態(tài)可以與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的動(dòng)作狀態(tài)實(shí)時(shí)同步,實(shí)現(xiàn)設(shè)備機(jī)械狀態(tài)實(shí)時(shí)仿真。

4.2 三維可視化

建立可視化平臺(tái),用于集中展示所有三維模型信息、數(shù)據(jù)信息、環(huán)境信息以及人員信息,包括設(shè)備數(shù)模、建筑外形與室內(nèi)、周邊地形、人員動(dòng)態(tài)、天氣、時(shí)間等。

4.2.1 場(chǎng)景孿生

根據(jù)變電站模型在計(jì)算機(jī)世界1∶1還原變電站的GIS信息和全專業(yè)設(shè)備信息,實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)變電站場(chǎng)景的孿生。系統(tǒng)中可對(duì)變電站及周邊環(huán)境進(jìn)行全方位觀察,對(duì)全專業(yè)設(shè)備進(jìn)行三維信息和全專業(yè)數(shù)據(jù)信息觀察。

4.2.2 實(shí)時(shí)天氣

通過(guò)接入高精度氣象信息獲取變電站所在區(qū)域環(huán)境的實(shí)時(shí)天氣情況,例如雨、雪、晴、陰、風(fēng)、雷等,并在孿生系統(tǒng)進(jìn)行模擬,可以推演天氣變化趨勢(shì),實(shí)現(xiàn)變電站氣象信息孿生。

4.2.3 自動(dòng)定位

獲取場(chǎng)地內(nèi)變電設(shè)備、作業(yè)人員、巡檢機(jī)器人、巡檢無(wú)人機(jī)的地理位置,實(shí)現(xiàn)對(duì)上述設(shè)備、設(shè)施和人員的快速定位。

4.2.4 路徑導(dǎo)航

對(duì)場(chǎng)地內(nèi)全專業(yè)設(shè)備GIS地理信息存儲(chǔ),可根據(jù)變電設(shè)備位置進(jìn)行三維可視化路徑導(dǎo)航,方便尋找設(shè)備具體位置;根據(jù)設(shè)計(jì)的智能巡檢路線,對(duì)巡檢機(jī)器人和無(wú)人機(jī)進(jìn)行三維可視化導(dǎo)航,實(shí)現(xiàn)快捷路徑設(shè)置便于高效作業(yè)。

a.將三維可視化與VR相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端控制中心指揮人員身臨其境監(jiān)視并指揮現(xiàn)場(chǎng)人員操作目標(biāo)設(shè)備。

b.應(yīng)用AR技術(shù)可大大降低運(yùn)維班組人員的專業(yè)門檻,有效避免操作失誤。

4.3 三維視頻融合

針對(duì)雄安所轄變電站開發(fā)運(yùn)檢管控系統(tǒng)三維實(shí)時(shí)視頻融合和人員異動(dòng)智能識(shí)別模塊,在三維場(chǎng)景中進(jìn)行變電站內(nèi)環(huán)境巡視,通過(guò)三維視頻融合技術(shù),實(shí)現(xiàn)三維模型與環(huán)境、人員動(dòng)態(tài)信息的無(wú)縫融合,實(shí)時(shí)查看變電站環(huán)境狀態(tài),實(shí)現(xiàn)變電站重點(diǎn)安防區(qū)域監(jiān)控視頻、重要儀表表計(jì)讀數(shù)、重要開關(guān)狀態(tài)等視頻可視化信息與真三維場(chǎng)景的無(wú)縫融合,實(shí)現(xiàn)站內(nèi)人員異動(dòng)實(shí)時(shí)偵測(cè)與告警、站內(nèi)運(yùn)行重點(diǎn)表計(jì)示數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控,進(jìn)一步提高站所管理的智能化水平以及突發(fā)事件處理的效率。

4.4 人工智能應(yīng)用

基于多種檢測(cè)/監(jiān)控手段的綜合管控平臺(tái),統(tǒng)籌融合了一次、二次設(shè)備數(shù)據(jù)資源,基于大數(shù)據(jù)和人工智能算法實(shí)現(xiàn)面向精益運(yùn)維、精益檢修與精益管控的各類應(yīng)用場(chǎng)景,有效增強(qiáng)了變電站設(shè)備全狀態(tài)量感知力與管控力,增強(qiáng)了變電站安全生產(chǎn)保障能力,進(jìn)一步提高了運(yùn)檢精益管理水平,賦能基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的智能變電站運(yùn)維管理發(fā)展與效能提升。變電站巡檢中的人工智能設(shè)備,見圖7。

圖7 變電站巡檢中的人工智能設(shè)備

4.4.1 智能聯(lián)合巡檢

平臺(tái)與機(jī)器人巡檢系統(tǒng)對(duì)接,實(shí)時(shí)調(diào)取巡檢任務(wù),在孿生變電站內(nèi)直觀展示機(jī)器人巡檢路線,對(duì)接機(jī)器人實(shí)時(shí)畫面和熱成像畫面。由于設(shè)備自身高度以及遮擋,站端的巡檢機(jī)器人難以做到全面檢測(cè),結(jié)合虛擬巡檢,針對(duì)于室內(nèi)高空進(jìn)行巡檢,從空中各角度進(jìn)行全方位檢測(cè),完美解決了這一難題,通過(guò)虛擬巡檢與站端機(jī)器人“空地結(jié)合”的巡檢方式,可以真正實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)變電站設(shè)備的全面檢測(cè)。

4.4.2 智能監(jiān)控

采用先進(jìn)的AI攝像頭,通過(guò)對(duì)設(shè)備進(jìn)行圖像識(shí)別,自動(dòng)對(duì)圖像進(jìn)行智能分析,可精確分析設(shè)備狀態(tài)、作業(yè)操作動(dòng)態(tài)、周邊界控狀況等[6]。

4.4.3 智能門禁

通過(guò)與智能門禁系統(tǒng)對(duì)接,實(shí)時(shí)了解門禁狀態(tài),對(duì)變電站人員考勤、人員進(jìn)出等信息全面了解,并可通過(guò)孿生系統(tǒng)遠(yuǎn)程對(duì)一鍵門禁開關(guān)控制,實(shí)現(xiàn)變電站門禁無(wú)人值守。

4.5 虛擬仿真應(yīng)用

通過(guò)構(gòu)建三維數(shù)字孿生場(chǎng)景和設(shè)備的高精度內(nèi)外部結(jié)構(gòu)模型,開發(fā)設(shè)備部件級(jí)拆解系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)設(shè)備檢修過(guò)程仿真、設(shè)備部件信息仿真、設(shè)備拆解演練仿真、仿真設(shè)備知識(shí)講解。變電設(shè)備虛擬仿真模型,見圖8。

圖8 變電設(shè)備虛擬仿真

4.5.1 設(shè)備檢修過(guò)程仿真

在虛擬場(chǎng)景中放置與設(shè)備同比例的人、物模型,并設(shè)置設(shè)備檢修規(guī)則與情景提示,通過(guò)觀察與系統(tǒng)計(jì)算模型間的空間距離識(shí)別風(fēng)險(xiǎn),實(shí)現(xiàn)設(shè)備檢修過(guò)程仿真模擬,以幫助作業(yè)人員熟悉現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、掌握作業(yè)流程、提升作業(yè)質(zhì)量、優(yōu)化作業(yè)預(yù)案、降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

4.5.2 設(shè)備部件信息仿真

通過(guò)對(duì)仿真設(shè)備的部件級(jí)拆解,將設(shè)備各部件全專業(yè)信息孿生化,采用部件級(jí)“數(shù)模一體”方式呈現(xiàn),全面精確地表達(dá)設(shè)備信息,給檢修作業(yè)、知識(shí)講解提供更加精準(zhǔn)的設(shè)備信息。

4.5.3 設(shè)備拆解演練仿真

通過(guò)將設(shè)備拆解虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于變電專業(yè)學(xué)員的仿真演練,達(dá)到快速高效的模擬練習(xí),節(jié)省演練時(shí)間與成本。

4.5.4 仿真設(shè)備知識(shí)講解

通過(guò)對(duì)設(shè)備部件級(jí)全專業(yè)信息的解讀講解,清晰直觀地了解變電設(shè)備的機(jī)組構(gòu)成、安裝拆解步驟與詳細(xì)信息,幫助變電專業(yè)學(xué)員更高效、更全面的掌握設(shè)備知識(shí)。

4.5.5 沉浸式安全培訓(xùn)

為滿足安全培訓(xùn)需要,結(jié)合人身傷亡事故典型案例,搭建典型安全事故場(chǎng)景數(shù)字模型,建立沉浸式安全教育體驗(yàn)?zāi)K,打造機(jī)械傷害、高處墜落、人身觸電等虛擬培訓(xùn)場(chǎng)景。培訓(xùn)場(chǎng)景中模擬震動(dòng)、墜落失重、觸電等違章后的物理效果,最大限度還原事故發(fā)生經(jīng)過(guò)、體驗(yàn)事故過(guò)程及嚴(yán)重后果,便于提升一線運(yùn)檢作業(yè)人員自我安全意識(shí)。

4.6 全面感知

結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、智能終端與先進(jìn)傳感器,實(shí)現(xiàn)感知信息多樣化協(xié)同采集,通過(guò)統(tǒng)一采集匯聚,實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)整合與共享,形成全站覆蓋、三維立體的全面數(shù)據(jù)采集布局,對(duì)各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行全專業(yè)采集,就地分析、就地處理,并優(yōu)化結(jié)果、上傳交互,得到精確的設(shè)備狀態(tài)信息、環(huán)境狀態(tài)信息和周邊界控信息。

4.7 智能分析

大數(shù)據(jù)模型通過(guò)全專業(yè)數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)模型的提煉挖掘、比對(duì)分析,發(fā)現(xiàn)各系統(tǒng)、各終端的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)流程和工單數(shù)據(jù)之間有效鏈接關(guān)系,不同業(yè)務(wù)的執(zhí)行決策、沖突、反饋、修正過(guò)程中的關(guān)鍵元數(shù)據(jù),多維度認(rèn)識(shí)變電系統(tǒng)特征,實(shí)現(xiàn)設(shè)備監(jiān)測(cè)、異常告警、壽命預(yù)測(cè)、遠(yuǎn)程調(diào)度、維修規(guī)則、故障預(yù)警,以及人員和設(shè)備的健康評(píng)估功能。

4.7.1 設(shè)備監(jiān)測(cè)

將設(shè)備各項(xiàng)實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)的狀態(tài)檢測(cè)模型進(jìn)行比對(duì),及時(shí)捕捉發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常狀態(tài)。

4.7.2 自動(dòng)告警

當(dāng)設(shè)備狀態(tài)檢查出現(xiàn)異常狀況時(shí),系統(tǒng)依托提前植入邏輯判據(jù),獲得狀態(tài)檢測(cè)模型反饋,及時(shí)發(fā)出告警,大幅減少人工監(jiān)控工作量。

4.7.3 故障預(yù)警

設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)與大數(shù)據(jù)故障預(yù)測(cè)模型進(jìn)行比對(duì),實(shí)現(xiàn)對(duì)全專業(yè)設(shè)備可能會(huì)發(fā)生的故障精準(zhǔn)預(yù)測(cè)。

4.7.4 維修規(guī)則

遠(yuǎn)程診斷模型不斷匯集各類設(shè)備問(wèn)題及解決方案,形成一套行之有效的維修規(guī)則,當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí),系統(tǒng)將自動(dòng)推送維修方案,快速、高效處理設(shè)備故障。

4.7.5 設(shè)備壽命預(yù)測(cè)

將設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)、使用時(shí)間、損耗、維護(hù)等信息與設(shè)備健康管理模型進(jìn)行對(duì)比,對(duì)設(shè)備壽命做出大數(shù)據(jù)合理預(yù)測(cè)。

4.7.6 遠(yuǎn)程調(diào)度

統(tǒng)計(jì)各變電站全專業(yè)設(shè)備信息,通過(guò)大數(shù)據(jù)模型分析,得知各變電站的理想設(shè)備型號(hào),完成各電站設(shè)備調(diào)度利益最大化。

4.7.7 健康評(píng)估

通過(guò)與大數(shù)據(jù)設(shè)備健康管理模型進(jìn)行比對(duì),得出全專業(yè)設(shè)備目前的生命周期階段,實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備使用率的準(zhǔn)確掌控。

4.8 室內(nèi)變電站應(yīng)用

針對(duì)室內(nèi)變電站多樓層、多房間的特征,通過(guò)應(yīng)用鷹眼地圖、透視模式、分層管理以及漫游操作改進(jìn)等方式,更好地實(shí)現(xiàn)室內(nèi)變電站孿生系統(tǒng)的合理性、易用性和可操作性。室內(nèi)站設(shè)備模型,見圖9。

圖9 室內(nèi)站設(shè)備模型

4.8.1 鷹眼地圖

應(yīng)用鷹眼地圖完成對(duì)變電站各樓層的720°觀察,將變電站建筑整體按樓層進(jìn)行平面解剖,得到各樓層模型,可單獨(dú)進(jìn)行縮放與旋轉(zhuǎn)查看,并結(jié)合各樓層平面地圖,清晰直觀了解樓層房間與全專業(yè)設(shè)備分布。

4.8.2 設(shè)備透視模式

應(yīng)用透視模式對(duì)變電站建筑體進(jìn)行隱藏設(shè)置,只顯示本層設(shè)備孿生模型,方便查看各樓層全專業(yè)設(shè)備。

4.8.3 分層管理

應(yīng)用分層管理對(duì)變電站設(shè)備進(jìn)行樓層劃分,結(jié)合透視模式,能夠直觀有效地對(duì)各層全專業(yè)設(shè)備進(jìn)行管理。

4.8.4 漫游操作改進(jìn)

應(yīng)用多模式漫游方式,解決室內(nèi)漫游需求,設(shè)置行走漫游與飛行漫游結(jié)合方式,滿足不同情況的漫游需要,實(shí)現(xiàn)各個(gè)房間全專業(yè)設(shè)備與室內(nèi)結(jié)構(gòu)的全方位、無(wú)死角查看。行走漫游巡視模式,見圖10。

圖10 行走漫游巡視

4.9 技術(shù)監(jiān)督

通過(guò)設(shè)置技術(shù)監(jiān)督功能模塊,可以掃碼調(diào)閱變電站總體情況信息與全專業(yè)設(shè)備各項(xiàng)信息,包括監(jiān)督指標(biāo)、規(guī)劃可研、工程設(shè)計(jì)、設(shè)備采購(gòu)、設(shè)備制造、設(shè)備驗(yàn)收、設(shè)備安裝、設(shè)備調(diào)試、竣工驗(yàn)收、運(yùn)維檢修、退役報(bào)廢等,實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站主輔設(shè)備的技術(shù)監(jiān)督。

4.10 應(yīng)急管理

對(duì)變電站內(nèi)煙感、消防設(shè)施以及門禁數(shù)據(jù)進(jìn)行三維動(dòng)態(tài)渲染,基于三維孿生場(chǎng)景的仿真功能建立消防預(yù)案庫(kù),并可通過(guò)視頻融合的方式對(duì)虛擬的數(shù)字孿生場(chǎng)景進(jìn)行現(xiàn)實(shí)增強(qiáng),還原真實(shí)場(chǎng)景,提高現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急管控能力。通過(guò)集成站端消防系統(tǒng)、站端門禁系統(tǒng)以及物聯(lián)感知平臺(tái),對(duì)站內(nèi)消防設(shè)施、煙感、門禁數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行三維化的呈現(xiàn),并將達(dá)到告警的數(shù)值進(jìn)行動(dòng)態(tài)的三維渲染,讓監(jiān)視人員更直觀地注意到這些緊急情況指標(biāo),提高應(yīng)急情況下的處理效率。

支持在三維數(shù)字孿生場(chǎng)景中設(shè)定一個(gè)起火點(diǎn),進(jìn)行火災(zāi)情況模擬,可對(duì)發(fā)生火災(zāi)時(shí)站內(nèi)消防設(shè)施的啟動(dòng)和消防人員、車輛的進(jìn)場(chǎng)路線和現(xiàn)場(chǎng)工作人員逃生路線等進(jìn)行模擬規(guī)劃。根據(jù)火災(zāi)應(yīng)急流程,有序規(guī)劃遭遇火災(zāi)的應(yīng)急方案,提升現(xiàn)場(chǎng)人員火災(zāi)應(yīng)急掌控能力,優(yōu)化火災(zāi)應(yīng)急流程,降低火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn),提高變電站現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急安全管控能力。

5 結(jié)束語(yǔ)

變電站數(shù)字孿生系統(tǒng)作為數(shù)字孿生電網(wǎng)的關(guān)鍵組成部分,能夠?yàn)樘嵘冸娬驹O(shè)備及環(huán)境全景實(shí)時(shí)感知能力、在線診斷設(shè)備健康狀態(tài)、推動(dòng)提升設(shè)備隱患故障定位和檢修效率、實(shí)現(xiàn)設(shè)備全生命周期管理等提供有力支撐[8]?；跀?shù)字孿生系統(tǒng)的運(yùn)維模式,可有效提升設(shè)備運(yùn)維精益化管理水平,減少現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)頻度,降低現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)誤操作風(fēng)險(xiǎn);通過(guò)對(duì)設(shè)備狀態(tài)的精準(zhǔn)評(píng)估,延長(zhǎng)設(shè)備壽命周期,實(shí)現(xiàn)資產(chǎn)增值。管理上,能為變電站的運(yùn)行管理、作業(yè)管理、安全管理、施工管理帶來(lái)全新的業(yè)務(wù)決策模式變革;業(yè)務(wù)上,以數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用落地,通過(guò)信息系統(tǒng)分析決策,數(shù)字孿生變電站實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)的反饋,支撐變電站內(nèi)業(yè)務(wù)仿真與實(shí)時(shí)智能控制,真正由預(yù)防性檢修向預(yù)測(cè)性檢修轉(zhuǎn)變,使運(yùn)維管理更高效、生產(chǎn)作業(yè)更精準(zhǔn)、成本開支更精益、安全防御更主動(dòng)、人員配置更集約。