配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)數(shù)字孿生技術(shù)的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用研究

杜曉東,王立斌,趙建利,劉成龍,陳 澤

(1.國網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學(xué)研究院,河北 石家莊 050021;2.國網(wǎng)河北省電力有限公司,河北 石家莊 050021)

0 引言

配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)位于電網(wǎng)末端,是配電網(wǎng)的重要組成部分,其負(fù)責(zé)直接為電力用戶供電。配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)的運(yùn)維管理水平不但關(guān)系到電力用戶的滿意度,而且還與電網(wǎng)安全以及供電企業(yè)的運(yùn)營成本密切相關(guān)。因此,做好配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)的管理工作,保證配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)保持良好的狀態(tài),既是供電企業(yè)的社會(huì)責(zé)任,也是其降本增效的有效途徑。目前,由于配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)具有數(shù)量眾多且分布廣泛、感知設(shè)備配置不足、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)質(zhì)量較差、各類信息融合不充分等特點(diǎn)[1-2],導(dǎo)致其運(yùn)維管理工作存在以下不足:不能準(zhǔn)確掌握配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)的狀態(tài),運(yùn)維管理工作帶有較強(qiáng)的主觀盲目性;不能及時(shí)識(shí)別配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)的各類異常,運(yùn)維管理工作效率低下且缺乏主動(dòng)性;不能精準(zhǔn)預(yù)測配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)的發(fā)展趨勢。

數(shù)字孿生技術(shù)為解決上述問題提供了新的思路。數(shù)字孿生是物理實(shí)體在信息空間的數(shù)字化映射,可用來監(jiān)測、診斷、預(yù)測物理實(shí)體在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的狀態(tài)和行為[3]。目前,對(duì)數(shù)字孿生的研究應(yīng)用多集中在航空航天、智能制造等領(lǐng)域[410],文獻(xiàn)[11]對(duì)數(shù)字孿生電網(wǎng)的技術(shù)架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究,文獻(xiàn)[12]對(duì)數(shù)字孿生電力系統(tǒng)的框架設(shè)計(jì)與潛在應(yīng)用方向進(jìn)行了研究。數(shù)字孿生技術(shù)在配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)領(lǐng)域的研究與應(yīng)用還比較鮮見。本文基于電網(wǎng)數(shù)字化建設(shè)成果,提出了實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)數(shù)字孿生的技術(shù)架構(gòu)和關(guān)鍵要素,為配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)數(shù)字孿生的技術(shù)實(shí)現(xiàn)提供參考依據(jù)。基于配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)數(shù)字孿生的特點(diǎn),結(jié)合配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)的運(yùn)維管理工作需求,提出了配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)數(shù)字孿生的典型應(yīng)用場景,為利用數(shù)字孿生技術(shù)提升配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)的運(yùn)維管理工作水平提供了思路。

1 數(shù)字孿生技術(shù)

數(shù)字孿生是一種高度集成的多物理場、多尺度、多概率的仿真模型,并能夠利用傳感器數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)等反映物理實(shí)體的實(shí)時(shí)狀態(tài)及演變趨勢等[1315]。數(shù)字孿生體系由物理實(shí)體、數(shù)字孿生以及兩者之間的雙向交互通道三部分組成[16-17],如圖1所示。數(shù)字孿生通過接收來自物理實(shí)體的狀態(tài)信息而同步演化,基于數(shù)字孿生可以進(jìn)行診斷及預(yù)測等一系列計(jì)算分析,并將分析結(jié)果反饋給物理實(shí)體,從而推動(dòng)物理實(shí)體優(yōu)化調(diào)整。

圖1 數(shù)字孿生體系

數(shù)字孿生技術(shù)架構(gòu)大致可分為物理層、數(shù)據(jù)層、模型層、功能層以及展現(xiàn)層等5層[18-20]。其中,物理層由物理實(shí)體構(gòu)成;數(shù)據(jù)層中的各類數(shù)據(jù)是實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生的基礎(chǔ);模型層中的各類計(jì)算分析模型是數(shù)字孿生的核心;功能層集成了描述、診斷、預(yù)測等各類功能應(yīng)用,基于功能層可實(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)體的精益管理和優(yōu)化調(diào)整;展現(xiàn)層則負(fù)責(zé)通過VR/AR、3D模型、GIS等將功能層的相關(guān)信息進(jìn)行輸出。

2 配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)數(shù)字孿生的技術(shù)實(shí)現(xiàn)

2.1 配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)數(shù)字孿生的技術(shù)架構(gòu)

為提升電網(wǎng)的數(shù)字化水平,電網(wǎng)公司已經(jīng)建成了用電信息采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)中臺(tái)、電網(wǎng)GIS平臺(tái)等數(shù)字化建設(shè)成果,這為配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)數(shù)字孿生的建設(shè)奠定了良好的基礎(chǔ)。

基于國家電網(wǎng)有限公司數(shù)字化建設(shè)成果的配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)數(shù)字孿生技術(shù)架構(gòu)如圖2所示。配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)的配電變壓器、配電線路、分布式光伏等物理設(shè)備構(gòu)成了數(shù)字孿生架構(gòu)中的物理層;采集裝置、傳輸網(wǎng)絡(luò)以及數(shù)據(jù)中臺(tái)的數(shù)據(jù)集成層,分別負(fù)責(zé)配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)數(shù)據(jù)的采集、傳輸以及存儲(chǔ),構(gòu)成了數(shù)字孿生架構(gòu)中的數(shù)據(jù)層;數(shù)據(jù)中臺(tái)的分析服務(wù)層中封裝了一系列計(jì)算分析模型,構(gòu)成了數(shù)字孿生架構(gòu)中的模型層;面向不同功能開發(fā)的微應(yīng)用群構(gòu)成了數(shù)字孿生架構(gòu)中的功能層;電網(wǎng)GIS、臺(tái)區(qū)拓?fù)鋱D以及相關(guān)信息系統(tǒng)用戶界面構(gòu)成了數(shù)字孿生架構(gòu)中的展現(xiàn)層。

圖2 配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)數(shù)字孿生技術(shù)架構(gòu)

2.2 實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)數(shù)字孿生的關(guān)鍵要素

基于上述技術(shù)架構(gòu),實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)數(shù)字孿生的關(guān)鍵要素如下。

a.必要且準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。與配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)相關(guān)的各類數(shù)據(jù)是實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)數(shù)字孿生的基礎(chǔ),因此必須安裝必要的采集裝置,以盡可能全面實(shí)現(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)關(guān)鍵物理量的采集,如配電變壓器溫度、低壓斷路器的通斷、電力用戶用電信息等,同時(shí),還應(yīng)有足夠的存儲(chǔ)空間,用于存儲(chǔ)配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)全壽命周期的數(shù)據(jù)。采集裝置、網(wǎng)絡(luò)通道應(yīng)穩(wěn)定可靠,以確保采集到的數(shù)據(jù)真實(shí)準(zhǔn)確,另外,還應(yīng)加強(qiáng)業(yè)務(wù)流程管理,以確保檔案類數(shù)據(jù)(如設(shè)備檔案、拓?fù)潢P(guān)系等)的詳實(shí)準(zhǔn)確。

b.科學(xué)合理的分析模型?？茖W(xué)合理的分析模型是實(shí)現(xiàn)監(jiān)測、診斷、預(yù)測等配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)數(shù)字孿生核心功能的前提。因此,應(yīng)基于電力學(xué)的基本知識(shí),充分研究配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)的物理特征,同時(shí),還應(yīng)深入分析各類歷史數(shù)據(jù),提煉配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)的演變規(guī)律,以確保所構(gòu)建分析模型的科學(xué)合理。

c.高性能的計(jì)算能力。因配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)數(shù)量眾多,要基于配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)數(shù)字孿生實(shí)現(xiàn)監(jiān)測、診斷、預(yù)測等分析,計(jì)算量相當(dāng)龐大,且部分計(jì)算分析對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高,如停電研判,因此,必須要有充足的硬件資源與合理的部署架構(gòu),以提供高性能的計(jì)算能力。

3 配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)數(shù)字孿生的應(yīng)用場景

基于配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)數(shù)字孿生的特點(diǎn),結(jié)合工作人員的實(shí)際業(yè)務(wù)需求,本文分析其在配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)運(yùn)維工作的典型應(yīng)用場景。

3.1 臺(tái)區(qū)狀態(tài)評(píng)價(jià)

配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)不但數(shù)量眾多、地域分散,且工作人員缺乏準(zhǔn)確及時(shí)評(píng)估配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)狀態(tài)的有效手段,從而導(dǎo)致配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)的運(yùn)維工作效率難以有效提升。已有部分文獻(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)狀態(tài)綜合評(píng)價(jià)進(jìn)行了研究[12],其均以獲取配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)的相關(guān)檔案數(shù)據(jù)和運(yùn)營指標(biāo)數(shù)據(jù)為前提,因上述數(shù)據(jù)分布于多個(gè)信息系統(tǒng)中,造成對(duì)配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)狀態(tài)進(jìn)行全面綜合評(píng)價(jià)的難度較大。

配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)數(shù)字孿生具有精準(zhǔn)反映配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)的拓?fù)潢P(guān)系、設(shè)備參數(shù)、運(yùn)營指標(biāo)及配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)下各電力用戶信息的特點(diǎn),因此,可以便捷準(zhǔn)確地獲取各類檔案信息及運(yùn)營指標(biāo),以實(shí)現(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)狀態(tài)的快速準(zhǔn)確評(píng)價(jià),提升配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)的運(yùn)維工作效率。某區(qū)域內(nèi)配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)的狀態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果如圖3所示。

圖3 配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)狀態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果

3.2 可開放容量分析

為保障電網(wǎng)的健康運(yùn)行和長遠(yuǎn)發(fā)展,供電公司需對(duì)配電網(wǎng)接入點(diǎn)的可開放容量進(jìn)行評(píng)估,為業(yè)擴(kuò)報(bào)裝工作提供科學(xué)依據(jù)[21]。目前,由于不掌握配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)的設(shè)備參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài),工作人員只能憑經(jīng)驗(yàn)對(duì)配電網(wǎng)接入點(diǎn)的可開放容量進(jìn)行主觀估計(jì),準(zhǔn)確度往往不高。

基于配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)數(shù)字孿生的精準(zhǔn)反映能力,根據(jù)接入點(diǎn)的具體位置以及配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)的拓?fù)潢P(guān)系,推算出配電變壓器到接入點(diǎn)的電能傳輸途徑,再根據(jù)配電變壓器的容量、負(fù)載情況以及電能傳輸路徑上每條供電線路的允許載流量和負(fù)載情況,計(jì)算出接入點(diǎn)的可開放容量。某配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)各接入點(diǎn)的可開放容量如圖4所示。

圖4 配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)各接入點(diǎn)的可開放容量

3.3 線損精益管理

受現(xiàn)有技術(shù)條件的限制,目前僅能將配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)作為一個(gè)整體進(jìn)行線損計(jì)算,當(dāng)某配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)的線損值出現(xiàn)異常后,則無法確定異常的具體位置,嚴(yán)重影響了線損治理工作的效率。

由于配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)數(shù)字孿生可精準(zhǔn)反映電網(wǎng)臺(tái)區(qū)的設(shè)備參數(shù)和用戶信息,實(shí)現(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)線損的分段計(jì)算,如圖5中配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)可以分成5個(gè)分段,分別進(jìn)行線損的計(jì)算。配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)線損實(shí)現(xiàn)分段計(jì)算后,細(xì)化了線損管理的顆粒度,可快速定位線損異常區(qū)域,進(jìn)而將大幅提升配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)的線損定位水平。

圖5 配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)統(tǒng)計(jì)線損分段

3.4 停電范圍研判

長期以來,供電公司主要依靠電力用戶的報(bào)修電話來獲得配電網(wǎng)的故障信息,且無法準(zhǔn)確研判故障范圍與故障地點(diǎn),導(dǎo)致故障搶修工作效率不高、用戶停電時(shí)間較長,容易引起用戶投訴。

配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)數(shù)字孿生可實(shí)時(shí)反映運(yùn)行狀態(tài),即實(shí)時(shí)反映配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)下各線路的電流、各節(jié)點(diǎn)的電壓信息,以及各電力用戶的用電負(fù)荷、停上電等信息。上述信息的更新頻度取決于電能表、集中器等采集設(shè)備的采集頻度,隨著用電信息采集系統(tǒng)的建設(shè)和HPLC技術(shù)的應(yīng)用,電壓、電流等信息可15 min更新一次,停電信息可實(shí)時(shí)更新。配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)數(shù)字孿生實(shí)時(shí)反映運(yùn)行狀態(tài)的能力可及時(shí)獲得電力用戶的停電信息,同時(shí),結(jié)合配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)的拓?fù)浼坝脩舻刂沸畔?可準(zhǔn)確研判出故障范圍及故障地點(diǎn),進(jìn)而可有效提升搶修工作效率、縮短停電時(shí)間,避免用戶投訴。

通過電網(wǎng)GIS展示的停電范圍如圖6所示。

圖6 停電范圍

3.5 異常識(shí)別診斷

配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)具有數(shù)量眾多、地域分散的特點(diǎn),工作人員很難及時(shí)發(fā)現(xiàn)配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)中的各類異常。配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)數(shù)字孿生可依據(jù)各類異常研判模型,實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)在接線、拓?fù)涞确矫娴漠惓ＷR(shí)別診斷。

如某單相電力用戶(未安裝分布式光伏)的用電負(fù)荷如圖7所示,該電力用戶的用電負(fù)荷始終為負(fù)值,配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)數(shù)字孿生可以基于配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)拓?fù)潢P(guān)系、設(shè)備參數(shù),以及各電力用戶的電壓、電流信息,建立配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)的異常診斷模型,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)各類異常狀態(tài)的準(zhǔn)確診斷和識(shí)別,即判斷出該電力用戶的電能表接線存在異常,并能給出電力用戶的具體地址,工作人員可趕赴現(xiàn)場對(duì)接線進(jìn)行校正。

圖7 某單相電力用戶用電負(fù)荷

3.6 過載風(fēng)險(xiǎn)預(yù)判

迎峰度夏、迎峰度冬期間,配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)所承載的用電負(fù)荷將大幅度升高,配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)內(nèi)各設(shè)備在高負(fù)載的情況下將存在較大的潛在風(fēng)險(xiǎn)。由于受現(xiàn)有技術(shù)手段制約,工作人員無法提前預(yù)測配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)各設(shè)備在迎峰度夏期間的負(fù)載率,從而無法對(duì)其過載風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)判,導(dǎo)致因設(shè)備過載引起的故障頻發(fā),這將大幅降低配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)供電可靠性與電力用戶的用電體驗(yàn),容易引起電力用戶的投訴。

基于電網(wǎng)臺(tái)區(qū)數(shù)字孿生的趨勢預(yù)測能力,可對(duì)配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)在迎峰度夏、迎峰度冬期間的負(fù)載率進(jìn)行預(yù)測,進(jìn)而提前發(fā)現(xiàn)存在過載風(fēng)險(xiǎn)的設(shè)備。某配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)中部分設(shè)備在迎峰度夏期間的負(fù)載率預(yù)測曲線如圖8所示。

圖8 負(fù)載率預(yù)測曲線

由圖8可知,供電線路L1存在過載的風(fēng)險(xiǎn),應(yīng)在迎峰度夏之前對(duì)其進(jìn)行更換;供電線路L2不存在過載風(fēng)險(xiǎn);供電線路L4雖然不存在過載的風(fēng)險(xiǎn),但其負(fù)載率也較重,應(yīng)加強(qiáng)對(duì)其關(guān)注力度。

3.7 三相不平衡治理

由于電力用戶用電行為的隨機(jī)性和波動(dòng)性,極易導(dǎo)致配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)出現(xiàn)三相負(fù)荷不平衡的問題,目前,人工離線調(diào)整相間負(fù)荷的方式仍是治理配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)三相負(fù)荷不平衡的主要方式,為指導(dǎo)電力工作人員的離線調(diào)整工作,已有部分文獻(xiàn)開展了相應(yīng)的研究工作[22-23],由于上述文獻(xiàn)受限于技術(shù)手段,無法精準(zhǔn)掌握配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)拓?fù)湫畔⒑碗娏τ脩舻呢?fù)荷數(shù)據(jù),導(dǎo)致其應(yīng)用范圍具有一定的局限性或應(yīng)用效果欠佳。

由于配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)數(shù)字孿生可優(yōu)化運(yùn)行策略,自動(dòng)給出配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)的相間負(fù)荷優(yōu)化調(diào)整決策。同時(shí)基于配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)數(shù)字孿生還可對(duì)調(diào)整后的效果進(jìn)行提前推演驗(yàn)證。某配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)在相間負(fù)荷優(yōu)化調(diào)整前的配電變壓器電流如圖9所示,經(jīng)配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)數(shù)字孿生推演出的相間負(fù)荷優(yōu)化調(diào)整后的配電變壓器電流如圖10所示,經(jīng)對(duì)比可發(fā)現(xiàn),相間負(fù)荷優(yōu)化調(diào)整后,該配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)的三相負(fù)荷不平衡現(xiàn)象有了明顯改善。

圖9 相間負(fù)荷優(yōu)化調(diào)整前配電變壓器三相電流

圖10 相間負(fù)荷優(yōu)化調(diào)整后配電變壓器三相電流

4 結(jié)束語

本文提出了配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)數(shù)字孿生的技術(shù)架構(gòu),以及配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)數(shù)字孿生的典型應(yīng)用場景,為配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)數(shù)字孿生的建設(shè)與應(yīng)用提供了思路。隨著電網(wǎng)數(shù)字化建設(shè)工作的開展,部分與配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)數(shù)字孿生建設(shè)相關(guān)的工作已經(jīng)起步,如HPLC通信模塊、TTU的推廣應(yīng)用以及計(jì)量異常研判規(guī)則、停電范圍研判規(guī)則的研究等,但下列工作仍將是配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)數(shù)字孿生建設(shè)中的重點(diǎn)。

a.配套傳感裝置的推廣應(yīng)用。隨著智能電能表的推廣,已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)電力用戶用電信息以及配電變壓器電流、電壓等信息的采集,但當(dāng)前仍無法獲取配電變壓器觸頭溫度、分支線路電流以及戶外變壓器拓?fù)潢P(guān)系等信息,因此有必要在配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)內(nèi)安裝配套傳感裝置,以獲取上述信息,進(jìn)而全面地對(duì)配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)進(jìn)行反映與分析。

b.多維度數(shù)據(jù)的融合與共享。目前,配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)相關(guān)的檔案類數(shù)據(jù)與量測類數(shù)據(jù)分散在設(shè)備、營銷、財(cái)務(wù)等多個(gè)專業(yè)的信息化系統(tǒng)中,這給配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)數(shù)字孿生配套計(jì)算分析模型的構(gòu)建與應(yīng)用帶來了不利影響。因此,基于數(shù)據(jù)中臺(tái)開展配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)相關(guān)數(shù)據(jù)的融合共享工作,是建設(shè)配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)數(shù)字孿生的基礎(chǔ)。

c.高效計(jì)算分析模型的開發(fā)。配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)數(shù)字孿生的各類功能應(yīng)用,均基于計(jì)算分析模型實(shí)現(xiàn),因此高效計(jì)算分析模型的開發(fā)是建設(shè)配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)數(shù)字孿生的核心。隨著物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)等先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展迭代與推廣應(yīng)用,配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)數(shù)字孿生落地應(yīng)用的速度勢必將進(jìn)一步加快。