數(shù)字孿生技術(shù)在智能變電站內(nèi)的應(yīng)用

國核電力規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司 晏 鋒 王 林 任 重 徐海龍 徐 麗

隨著我國用電量的不斷加大，對變電站容量和穩(wěn)定性要求也越來越高?；趥鞲衅骱蛦纹瑱C的在線監(jiān)測技術(shù)，實現(xiàn)了傳統(tǒng)變電站的智能化升級。智能變電站實現(xiàn)了站內(nèi)電力設(shè)備監(jiān)測智能化、采集信號數(shù)字化、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)化。在線監(jiān)測逐漸也替代了傳統(tǒng)的離線檢修，減少了大量沒必要的設(shè)備檢修，提高了運維水平[1]。

隨著科技的發(fā)展，變電站智能化發(fā)展成為新的方向。智能變電站在線監(jiān)測技術(shù)實現(xiàn)了電力設(shè)備的實時在線監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)可以在后臺服務(wù)器上進行顯示，對保證變電站安全穩(wěn)定運行起到了重大的作用。隨著數(shù)字孿生技術(shù)的出現(xiàn)，將虛擬技術(shù)和現(xiàn)實聯(lián)系到一起。數(shù)字孿生技術(shù)在智能變電站內(nèi)的應(yīng)用，可以將虛擬電力設(shè)備和現(xiàn)實運行中的電力設(shè)備有機結(jié)合起來。在發(fā)生故障時，能夠?qū)崟r定位故障點和故障設(shè)備，為檢修提供可靠的技術(shù)支撐。對提高智能變電站智能化水平具有重大的意義。智能變電站通過后臺顯示單元對監(jiān)測結(jié)果進行顯示，用戶可以通過后臺獲取現(xiàn)場設(shè)備運行情況。數(shù)字孿生技術(shù)是近些年被提出的概念，通過進行實體建模將現(xiàn)實設(shè)備和虛擬模型進行映射對應(yīng)，利用傳感器采集電力設(shè)備運行參數(shù)，然后在虛擬模型中進行實時顯示。孿生技術(shù)實現(xiàn)了對現(xiàn)實設(shè)備的全周期過程監(jiān)測和顯示，在智能變電站內(nèi)將變電站內(nèi)運行的變壓器、互感器、斷路器、套管等電力設(shè)備進行數(shù)字孿生建模，就能在后臺虛擬演示出現(xiàn)場電力設(shè)備的運行情況[2]，對保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行具有重大的意義。

1 數(shù)字孿生技術(shù)在智能變電站內(nèi)應(yīng)用架構(gòu)

數(shù)字孿生技術(shù)是近年快速發(fā)展起來的，前期只是停留在概念階段。隨著計算機技術(shù)和模擬映射技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字孿生技術(shù)得以成功應(yīng)用。數(shù)字孿生技術(shù)是利用物理模型、智能傳感器技術(shù)將采集到的數(shù)據(jù)在虛擬模型中進行顯示。涉及到的學科較多，具有眾多物理變量，屬于一種多尺度、多概率的仿真過程[3]。數(shù)字孿生技術(shù)的核心是在虛擬空間中與現(xiàn)實事物完成數(shù)字映射關(guān)系，從而通過虛擬反映現(xiàn)實事物的變化。在技術(shù)實現(xiàn)上，需要對系統(tǒng)進行建模，并利用繪圖軟件將虛擬事物根據(jù)現(xiàn)實事物進行圖形繪制。利用計算機技術(shù)將二者通過數(shù)字映射系統(tǒng)關(guān)聯(lián)起來。數(shù)字孿生技術(shù)被廣泛應(yīng)用在建筑、醫(yī)學、電力等眾多領(lǐng)域。

智能變電站分為三個層次，分別為過程層、間隔層和站控層，數(shù)字孿生系統(tǒng)在站控層。其中間隔層主要是通過傳感器和監(jiān)測終端實現(xiàn)對電力設(shè)備電氣特性參數(shù)的采集，并就地進行數(shù)字化處理。然后通過現(xiàn)場總線將采集數(shù)據(jù)傳送到過程層智能電子設(shè)備IED，智能電子設(shè)備IED對數(shù)據(jù)進行匯總，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送到站控層服務(wù)器。服務(wù)器對數(shù)據(jù)進行接收并顯示。數(shù)字孿生系統(tǒng)也是在后臺顯示系統(tǒng)基礎(chǔ)上進行開發(fā)，同樣調(diào)用傳感器采集的數(shù)據(jù)，將其顯示在虛擬的模型當中。

2 數(shù)字孿生技術(shù)在變電站內(nèi)的應(yīng)用實現(xiàn)

數(shù)字孿生系統(tǒng)構(gòu)建。數(shù)字孿生技術(shù)在智能變電站內(nèi)的應(yīng)用，主要是在站控層網(wǎng)絡(luò)內(nèi)根據(jù)站內(nèi)電力設(shè)備種類構(gòu)建虛擬系統(tǒng)，并使其與真實電力設(shè)備通過映射關(guān)聯(lián)在一起。虛擬系統(tǒng)運行情況與真實設(shè)備相同，操作人員通過虛擬平臺就能形象的獲知現(xiàn)場設(shè)備運行狀態(tài)[4]。也就是通過數(shù)字孿生技術(shù)，構(gòu)建了處在虛擬世界和現(xiàn)實世界中的兩個相同智能變電站（圖1）。

圖1 數(shù)字孿生系統(tǒng)設(shè)計方案

2.1 孿生模型建立

孿生技術(shù)在智能變電站內(nèi)實現(xiàn)過程中重點是完成孿生模型的建立，孿生模型要具備現(xiàn)實中電力設(shè)備的所有特點。模型設(shè)計包括工程模型、物理模型、組合模型、幾何模型以及邏輯模型。這些模型要通過輕量化設(shè)計，同時要具有三維模型效果，以便對電氣設(shè)備全方位的展示。其中幾何模型是對電力設(shè)備幾何機構(gòu)的模型建立，物理模型是對現(xiàn)實設(shè)備具體實現(xiàn)功能的模型建立（圖2）。

圖2 孿生模型組成

2.2 設(shè)計效果

數(shù)字孿生技術(shù)在智能變電站內(nèi)的應(yīng)用主要是通過建立模擬智能變電站，且監(jiān)測的數(shù)據(jù)可以在模擬變電站內(nèi)的電力設(shè)備上進行實時顯示，包括電力設(shè)備的運行時間、出廠參數(shù)以及運行狀態(tài)等。在完成模型構(gòu)建后，通過映射服務(wù)對數(shù)據(jù)進行映射分配。在站控層服務(wù)器上進行數(shù)據(jù)庫的配置和數(shù)據(jù)流設(shè)計，最終完成數(shù)字孿生系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)。從圖3中可看到，基于數(shù)字孿生技術(shù)虛擬出的動畫圖形和現(xiàn)實智能變電站電氣設(shè)備布局相同。通過虛擬的變電站，就可知道當前站內(nèi)電氣設(shè)備的運行情況，無需到現(xiàn)場進行巡檢。在設(shè)備出現(xiàn)異常時可以準確形象的定位故障設(shè)備和故障點位，并可以調(diào)取設(shè)備的參數(shù)信息，方便故障的排查。

3 結(jié)語

本設(shè)計是數(shù)字孿生技術(shù)在智能變電站內(nèi)的應(yīng)用，將智能變電站在線監(jiān)測技術(shù)和數(shù)字孿生技術(shù)進行有機結(jié)合。首先對數(shù)字孿生技術(shù)進行介紹，給出數(shù)字孿生技術(shù)在智能變電站內(nèi)應(yīng)用的架構(gòu)，并對數(shù)字孿生系統(tǒng)進行設(shè)計，建立系統(tǒng)模型。通過映射技術(shù)將虛擬變電站和現(xiàn)實中的變電站進行映射，工作人員可通過孿生虛擬變電站了解現(xiàn)實中變電站內(nèi)電力設(shè)備運行情況。數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用，對提高智能變電站智能化水平、保證智能變電站的安全運行具有重大意義。