基于數(shù)字孿生的數(shù)字電力設(shè)備思考與展望

彭在興，王頌，陳佳莉，張曦，錢海，邱建，王帥兵，趙林杰，李銳海

（1.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院， 廣州 510663；2.中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司生產(chǎn)技術(shù)部， 廣州 510663；3.中國南方電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心， 廣州 510663）

0 引言

我國對數(shù)字電網(wǎng)技術(shù)的系統(tǒng)性研究已有近2年時(shí)間，但對于數(shù)字電網(wǎng)組成部分的數(shù)字電力設(shè)備，在數(shù)字電網(wǎng)中應(yīng)具有什么樣的功能和性能，數(shù)字電網(wǎng)中的數(shù)字電力設(shè)備和智能電網(wǎng)中的智能電力設(shè)備有何區(qū)別，數(shù)字電力設(shè)備的基本組成、質(zhì)量特性、試驗(yàn)驗(yàn)證等問題，未見相關(guān)報(bào)道。分析并研究上述問題，對于我國數(shù)字電網(wǎng)的研究和建設(shè)具有重要意義。

數(shù)字電力設(shè)備是數(shù)字電網(wǎng)的組成部分［1］，在基本理念上是一脈相承的。因此，數(shù)字電力設(shè)備同樣是以數(shù)字技術(shù)為核心驅(qū)動(dòng)力，以數(shù)據(jù)為關(guān)鍵生產(chǎn)要素，以新一代信息網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，通過數(shù)字技術(shù)與電力設(shè)備全生命周期的相關(guān)業(yè)務(wù)、管理深度融合，不斷提高數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化水平，而形成的新型電力設(shè)備的生態(tài)系統(tǒng)。

本文根據(jù)質(zhì)量管理體系理論結(jié)合電力設(shè)備的發(fā)展歷程揭示了電力設(shè)備質(zhì)量特性的發(fā)展規(guī)律，通過梳理電力設(shè)備數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化技術(shù)現(xiàn)狀結(jié)合電力設(shè)備質(zhì)量特性的發(fā)展規(guī)律，提出了數(shù)字電力設(shè)備的基本組成、質(zhì)量特性、數(shù)字孿生模型、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)模型及試驗(yàn)驗(yàn)證方法，根據(jù)提出的數(shù)字電力設(shè)備基本理念，明確了數(shù)字電力設(shè)備的發(fā)展路徑。

1 電力設(shè)備的發(fā)展歷程

電力設(shè)備是電力系統(tǒng)的組成部分，當(dāng)電力系統(tǒng)對電力設(shè)備的需求發(fā)生變化時(shí)，即要求電力設(shè)備承受的應(yīng)力在發(fā)生變化，電力設(shè)備的質(zhì)量特性也在發(fā)生變化［2-3］。在GJB9001C—2017《質(zhì)量管理體系要求》［4］中，把這種質(zhì)量特性稱之為專用質(zhì)量特性。這一類特性是一種確定性的特性，可在物理空間獨(dú)立存在。另一方面，隨著電力設(shè)備的應(yīng)用，在制造、安裝和使用等全生命周期全過程中將產(chǎn)生諸多業(yè)務(wù)，這些業(yè)務(wù)對電力設(shè)備提出了新的需求。在GJB9001C《質(zhì)量管理體系要求》中，把這種質(zhì)量特性稱之為通用質(zhì)量特性。這一類質(zhì)量特性不能在物理空間獨(dú)立存在的就是時(shí)間的特性，它用來度量產(chǎn)品的專用特性與時(shí)間有關(guān)的特性。電力設(shè)備的發(fā)展歷程是質(zhì)量特性的發(fā)展過程，首先由于電力系統(tǒng)的發(fā)展而對電力設(shè)備提出需求引起電力設(shè)備專用質(zhì)量特性的發(fā)展變化，然后緊接著是電力系統(tǒng)在使用等全生命周期過程中業(yè)務(wù)對電力設(shè)備提出需求引起電力設(shè)備的通用質(zhì)量特性的發(fā)展變化，兩種特性發(fā)展相互影響、相互促進(jìn)，螺旋式上升推動(dòng)電力設(shè)備的發(fā)展。

2 電力設(shè)備數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化現(xiàn)狀

電力設(shè)備數(shù)字化是指利用數(shù)字技術(shù)將電力設(shè)備許多復(fù)雜多變的信息轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢远攘康臄?shù)字、數(shù)據(jù)，成為可計(jì)算的對象；網(wǎng)絡(luò)化指利用信息通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享；從感覺到記憶再到思維這一過程稱為“智慧”，智慧的結(jié)果產(chǎn)生了行為和語言，將行為和語言的表達(dá)過程稱為“能力”，兩者合稱“智能”［5］。

近年來，在電力設(shè)備數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化方面的研究和應(yīng)用上取得了一些可喜的成果，但智能電力設(shè)備的實(shí)用化、商業(yè)化程度還不夠，其主要原因有3條。

1）電力設(shè)備數(shù)據(jù)收集不全面或數(shù)字化程度不高，主要表現(xiàn)為：（1）電力設(shè)備的外部施加應(yīng)力如自然環(huán)境、運(yùn)行工況等數(shù)據(jù)收集不全面或數(shù)字化程度不高；（2）電力設(shè)備內(nèi)部特性數(shù)據(jù)如結(jié)構(gòu)尺寸和內(nèi)部特性如材料性能等數(shù)據(jù)收集不全面或數(shù)字化程度不高；（3）電力設(shè)備的外部可觀測數(shù)據(jù)如開關(guān)管理人員五官感知、試驗(yàn)檢測和在線監(jiān)測的數(shù)據(jù)收集不全面或數(shù)字化程度不高。

2）電力設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化程度不夠。主要表現(xiàn)為：（1）通過SCADA系統(tǒng)收集了部分的電力設(shè)備運(yùn)行工況數(shù)據(jù)，但由于網(wǎng)絡(luò)安全問題，大部分運(yùn)行工況數(shù)據(jù)還不能通過網(wǎng)絡(luò)共享；（2）電力設(shè)備通過在線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)收集一部分電力設(shè)備外部可觀測數(shù)據(jù)和自然環(huán)境，但電力設(shè)備全生命周期各個(gè)環(huán)節(jié)的大量人機(jī)交互終端、設(shè)計(jì)工具、測試和試驗(yàn)裝置所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)未能通過網(wǎng)絡(luò)化收集；（3）電力設(shè)備數(shù)據(jù)共享的安全性問題未徹底解決，電力設(shè)備數(shù)據(jù)共享的機(jī)制未解決，電力設(shè)備與社會(huì)公共知識(shí)數(shù)據(jù)、公共氣象數(shù)據(jù)未能較好地通過網(wǎng)絡(luò)化進(jìn)行收集。

3）電力設(shè)備的內(nèi)部狀態(tài)不夠透明，即電力設(shè)備的內(nèi)部狀態(tài)不能在數(shù)字空間全面、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)更新。主要表現(xiàn)為：即使通過物聯(lián)網(wǎng)等收集了電力設(shè)備的外部施加應(yīng)力數(shù)據(jù)和電力設(shè)備的外部可觀測數(shù)據(jù)，但由于缺乏有效的狀態(tài)評估模型，內(nèi)部狀態(tài)不能在數(shù)字空間實(shí)時(shí)更新，或更新不全、或不夠準(zhǔn)確、或不夠及時(shí)，造成電力設(shè)備的內(nèi)部狀態(tài)無法實(shí)現(xiàn)全面、實(shí)時(shí)的“可觀測”，進(jìn)而無法有效地實(shí)現(xiàn)其預(yù)期的“可控制”和“自動(dòng)化”等功能。

綜上所述，數(shù)字化是網(wǎng)絡(luò)化和智能化的基礎(chǔ)，網(wǎng)絡(luò)化是數(shù)字化和智能化的提質(zhì)增效工具，智能化是數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化的目標(biāo)。電力設(shè)備全生命周期管理的業(yè)務(wù)需求以及數(shù)字化技術(shù)的現(xiàn)狀，決定了電力設(shè)備數(shù)字化的內(nèi)容和規(guī)模，電力設(shè)備數(shù)字化的內(nèi)容和規(guī)模決定了網(wǎng)絡(luò)化的規(guī)模以及電力設(shè)備智能化的實(shí)現(xiàn)程度。

因此，電力設(shè)備數(shù)字化是基礎(chǔ)，其關(guān)鍵是電力設(shè)備數(shù)據(jù)的高效收集及數(shù)字化，在電力設(shè)備數(shù)字化還未實(shí)現(xiàn)的當(dāng)下，一味追求網(wǎng)絡(luò)化和智能化，只會(huì)本末倒置，這也是數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的電力設(shè)備稱之為“數(shù)字電力設(shè)備”的原因；電力設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化是工具，其關(guān)鍵是建立安全的、支持?jǐn)?shù)據(jù)交易與共享的物聯(lián)網(wǎng)；電力設(shè)備智能化是終極目標(biāo)，其關(guān)鍵是全面、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)狀態(tài)評估，在現(xiàn)有的條件下，通過產(chǎn)品設(shè)計(jì)、型式試驗(yàn)、工藝測試、出廠試驗(yàn)、現(xiàn)場試驗(yàn)及預(yù)防性試驗(yàn)等基本可以獲得較為完整的電力設(shè)備狀態(tài)評估所需的數(shù)據(jù)，因此對于數(shù)字電力設(shè)備來說，傳感技術(shù)不是關(guān)鍵，電力設(shè)備內(nèi)部狀態(tài)全面、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的狀態(tài)評估是關(guān)鍵。

3 數(shù)字電力設(shè)備

3.1 數(shù)字電力設(shè)備的基本組成

數(shù)字電力設(shè)備可以簡單理解為基于數(shù)字孿生的電力設(shè)備。數(shù)字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過程。數(shù)字孿生是一種超越現(xiàn)實(shí)的概念，可以被視為一個(gè)或多個(gè)重要的、彼此依賴的裝備系統(tǒng)的數(shù)字映射系統(tǒng)［6］。數(shù)字電力設(shè)備在物理上是傳統(tǒng)電力設(shè)備和其數(shù)字映射系統(tǒng)組成，該數(shù)字映射系統(tǒng)（或稱之為數(shù)字孿生裝置、或稱之為狀態(tài)評估裝置、或稱之為數(shù)字接口）實(shí)現(xiàn)的功能包括數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的獲取、傳輸、存儲(chǔ)、分析和展示等。同時(shí)，數(shù)字電力設(shè)備在邏輯上是數(shù)字電力設(shè)備的物理實(shí)體和虛擬實(shí)體組成，虛擬實(shí)體存在于數(shù)字空間即數(shù)字映射系統(tǒng)中，其最終的目的是實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)字化可觀測，支撐全生命周期各項(xiàng)業(yè)務(wù)的提質(zhì)增效。

3.2 數(shù)字電力設(shè)備的質(zhì)量特性

在引言中已經(jīng)明確了數(shù)字電力設(shè)備的概念，但未明確數(shù)字電力設(shè)備的功能和性能，即數(shù)字電力設(shè)備的質(zhì)量特性。在梳理電力設(shè)備發(fā)展過程中可以發(fā)現(xiàn)，電力設(shè)備的質(zhì)量特性可以分為專用特性和通用質(zhì)量特性，專用質(zhì)量特性是由于電力系統(tǒng)的發(fā)展而發(fā)展的，而通用質(zhì)量特性是電力設(shè)備全生命周期業(yè)務(wù)需求的發(fā)展而發(fā)展。隨著數(shù)字電網(wǎng)的發(fā)展，電網(wǎng)要求能夠?qū)崟r(shí)的獲取電力設(shè)備的數(shù)字化狀態(tài)，因此對電力設(shè)備提出了專用質(zhì)量特性要求，數(shù)字電力設(shè)備的核心功能為自身狀態(tài)的數(shù)字映射，即實(shí)時(shí)獲得電力設(shè)備自身狀態(tài)的數(shù)字化信息。因此描述數(shù)字電力設(shè)備的專用質(zhì)量特性指標(biāo)分別為以下3個(gè)：數(shù)字化顆粒度、數(shù)字映射誤差、數(shù)字映射時(shí)間。數(shù)字化顆粒度是指能夠映射設(shè)備的空間層級，如類別級，設(shè)備級，單元級、元件級、部件級、零件級、材料級等；數(shù)字映射誤差即電力設(shè)備在物理空間與數(shù)字空間之間偏差；數(shù)字映射時(shí)間是指在物理空間的實(shí)體發(fā)生變化后，在相關(guān)觀測數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好開始到在電力設(shè)備數(shù)字孿生體在數(shù)字空間同步更新的時(shí)間。數(shù)字電力設(shè)備同樣存在通用質(zhì)量特性，這個(gè)與傳統(tǒng)電力設(shè)備一致，不再贅述。

數(shù)字電力設(shè)備的專用質(zhì)量特性技術(shù)指標(biāo)跟具體電力設(shè)備的應(yīng)用場景和需求密切相關(guān)，如數(shù)字化顆粒度對于某些電力設(shè)備需要的是設(shè)備級，有些電力設(shè)備需要的是材料級；另外還跟電力設(shè)備的性能相關(guān)，如要求數(shù)字化僅為設(shè)備級的絕緣性能，材料級的機(jī)械性能等。又如數(shù)字映射誤差，對于大部分電力設(shè)備用戶均希望能夠?qū)崟r(shí)識(shí)別設(shè)備內(nèi)部狀態(tài)變量分別處于正常、注意、異常和嚴(yán)重的狀態(tài)，有些場景可能僅需要識(shí)別正常和嚴(yán)重狀態(tài)，這些均跟數(shù)字映射誤差有著密切的聯(lián)系。又如數(shù)字映射時(shí)間，受電力設(shè)備觀測周期和觀測時(shí)間的影響，對于電力設(shè)備暫態(tài)過程的觀測要求觀測連續(xù)、觀測時(shí)間短，對電力設(shè)備的數(shù)字映射時(shí)間要求較高，而對電力設(shè)備緩慢劣化過程，對電力設(shè)備的數(shù)字映射時(shí)間要求不高。

數(shù)字電力設(shè)備和以往的智能電力設(shè)備的專用質(zhì)量特性存在本質(zhì)區(qū)別，智能電力設(shè)備的專用質(zhì)量特性在于電力設(shè)備外部特性的檢測精度，如溫度監(jiān)測系統(tǒng)的測量精度為±1 ℃等，智能電力設(shè)備的專用質(zhì)量特性在某種程度上其實(shí)質(zhì)為在線監(jiān)測系統(tǒng)的專用質(zhì)量特性，跟電力設(shè)備的本體關(guān)系不大，因此，從根本上說，智能電力設(shè)備目前還未提出其專用質(zhì)量特性，因此智能電力設(shè)備并未發(fā)生質(zhì)的飛躍。而數(shù)字電力設(shè)備的專用質(zhì)量特性數(shù)字化顆粒度、數(shù)字映射誤差和數(shù)字映射時(shí)間等專用質(zhì)量特性指標(biāo)跟電力設(shè)備本體密切相關(guān)，是電力設(shè)備專用質(zhì)量特性新的補(bǔ)充，是電力設(shè)備新的質(zhì)的飛躍，因此數(shù)字電力設(shè)備相對于傳統(tǒng)電力設(shè)備來說是一種新型的電力設(shè)備。這也是本文提出“數(shù)字電力設(shè)備”以區(qū)別于“智能電力設(shè)備”的根本原因。

3.3 電力設(shè)備的數(shù)據(jù)孿生模型

電力設(shè)備的數(shù)字孿生模型，也稱之為電力設(shè)備基于數(shù)字孿生的狀態(tài)評估模型。電力設(shè)備的數(shù)字孿生模型描述如圖1所示。

圖1 電力設(shè)備的數(shù)字孿生模型Fig.1 Digital twin model of power equipment

依據(jù)現(xiàn)代控制理論［7］，電力設(shè)備的數(shù)字孿生模型可用式（1）所示系統(tǒng)動(dòng)態(tài)方程來描述［8］。

式中：AA、BB、CC、DD為系數(shù)矩陣；x˙為狀態(tài)向量；x、uu為輸入向量；yy為輸出向量。

依據(jù)可靠性工程理論可知，針對電力設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)評估，xx表示電力設(shè)備內(nèi)部狀態(tài)，包括電力設(shè)備的幾何尺寸和內(nèi)部特性如材料性能等，uu表示電力設(shè)備的外部施加應(yīng)力，包括電力設(shè)備的工作條件和環(huán)境條件等，yy表示電力設(shè)備的外部可觀測量，由反映電力設(shè)備內(nèi)部狀態(tài)的特征參量組成。電力設(shè)備狀態(tài)評估的本質(zhì)即為首先建立uu、xx和yy之間一一映射關(guān)系，然后在進(jìn)行狀態(tài)評估時(shí)根據(jù)已知的輸入向量和輸出向量，通過事先建立好的一一映射關(guān)系反推xx的情況，即獲得電力設(shè)備的內(nèi)部狀態(tài)［9-13］。

因此數(shù)字電力設(shè)備要具備實(shí)用價(jià)值最關(guān)鍵的是建立電力設(shè)備輸入向量、輸出向量和狀態(tài)向量之間的一一映射關(guān)系，即電力設(shè)備的數(shù)字孿生模型，然后通過收集外部的輸入向量和輸出向量，即可獲得電力設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)變化［14-18］。以下針對GIS設(shè)備內(nèi)部過熱的數(shù)字孿生模型，詳細(xì)說明如下。

GIS設(shè)備內(nèi)部過熱故障在電網(wǎng)頻繁發(fā)生［9］，如何提前獲得GIS內(nèi)部導(dǎo)體的溫升狀態(tài)是亟待解決的難題［12］。本文將GIS內(nèi)部導(dǎo)體溫升差（即導(dǎo)體故障部位的溫升與正常部位的溫升之差）θc設(shè)為狀態(tài)向量x=[θc]，GIS的運(yùn)行電流I、環(huán)境溫度T，空氣壓強(qiáng)P組成的向量設(shè)為輸入向量u=[I，T，P]，將GIS的外殼溫升差θs設(shè)為輸出向量y=[θs]，本文事先針對不同型號的GIS在設(shè)計(jì)時(shí)建立GIS的數(shù)字孿生模型，即建立輸出向量在不同的輸入向量下，內(nèi)部狀態(tài)向量和輸出向量之間的映射關(guān)系，在現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行時(shí)即可利用上述數(shù)字孿生模型通過外殼的溫度而獲得GIS的內(nèi)部導(dǎo)體溫度，具有良好的應(yīng)用價(jià)值。

3.4 電力設(shè)備的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)模型

電力設(shè)備的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)模型，是在電力設(shè)備的數(shù)字孿生模型基礎(chǔ)上增加相關(guān)的管理數(shù)據(jù)發(fā)展而來，其主要目的是支撐電力設(shè)備全生命周期管理的提質(zhì)增效。電力設(shè)備的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)模型框架如圖2所示。

根據(jù)電力設(shè)備在空間維度觀測到的存在形式及數(shù)據(jù)應(yīng)用需要將電力設(shè)備分解到類別、設(shè)備、單元、元件、部件和零件各個(gè)層級不同空間顆粒度的數(shù)據(jù)描述對象。根據(jù)電力設(shè)備在時(shí)間維度觀測到的存在形式及數(shù)據(jù)應(yīng)用需要將電力設(shè)備按照全生命周期分解為設(shè)計(jì)、制造、安裝、運(yùn)行和退役各個(gè)階段不同時(shí)間顆粒度的數(shù)據(jù)描述過程。按照電力設(shè)備在邏輯維度觀測到的存在形式及數(shù)據(jù)應(yīng)用需求將電力設(shè)備分解為數(shù)據(jù)、信息、知識(shí)、策略、方案、決策、計(jì)劃等從數(shù)據(jù)產(chǎn)生到數(shù)據(jù)應(yīng)用的全部邏輯環(huán)節(jié)。

將所述電力設(shè)備的所觀測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化，分為輸入向量、輸出向量和狀態(tài)向量，并從數(shù)據(jù)中提取輸入向量、輸出向量和狀態(tài)向量的中特征參量，即獲得信息；建立輸入向量、輸出向量和狀態(tài)向量之間的關(guān)系，記為狀態(tài)評估模型；獲得設(shè)備狀態(tài)評估模型各參量及各參量之間關(guān)系在全生命周期內(nèi)的變化規(guī)律，記為相關(guān)知識(shí)；當(dāng)現(xiàn)實(shí)客觀世界出現(xiàn)變化時(shí)，更新設(shè)備的輸入向量、輸出向量或狀態(tài)向量，并調(diào)整設(shè)備的工作狀態(tài)使其符合預(yù)期，形成策略；將策略傳遞給輸入向量的主體，所述主體根據(jù)自身的狀態(tài)對策略進(jìn)行響應(yīng)；將信息傳遞給所述電力設(shè)備，所述電力設(shè)備根據(jù)傳遞的信息對方案進(jìn)行優(yōu)選；根據(jù)方案優(yōu)選的結(jié)果傳遞給責(zé)任主體進(jìn)行決策，形成最終方案；將確定的最終方案從時(shí)間維度上進(jìn)行安排形成計(jì)劃。

數(shù)據(jù)描述對象和過程數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)可以分解為輸入向量、狀態(tài)向量和輸出向量，信息及以上邏輯環(huán)節(jié)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)均通過數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)邏輯推理或計(jì)算獲得。

電力設(shè)備所有空間層級、時(shí)間階段和邏輯環(huán)節(jié)共同組成了電力設(shè)備全息數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)模型，能夠統(tǒng)一電力設(shè)備全生命周期管理全過程的數(shù)據(jù)建模方法，便于電力設(shè)備數(shù)據(jù)的管理。

3.5 數(shù)字電力設(shè)備的試驗(yàn)驗(yàn)證

由于數(shù)字電力設(shè)備的主要功能是自身狀態(tài)的實(shí)時(shí)數(shù)字化映射，因此重點(diǎn)是3個(gè)指標(biāo)：數(shù)字化顆粒度、數(shù)字映射誤差、數(shù)字映射時(shí)間。因此數(shù)字電力設(shè)備的試驗(yàn)方法主要模擬數(shù)字電力設(shè)備不同顆粒度空間層級狀態(tài)的各種變化，施加在全生命周期過程中電力設(shè)備受到的各種應(yīng)力，通獲取電力設(shè)備的外部輸出數(shù)據(jù)，映射展示出電力設(shè)備的實(shí)時(shí)內(nèi)部狀態(tài)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。記錄映射的時(shí)間，同時(shí)記錄模擬的狀態(tài)數(shù)據(jù)與實(shí)際映射的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，計(jì)算數(shù)字映射誤差。由于測試的指標(biāo)均為專用質(zhì)量特性指標(biāo)，指標(biāo)試驗(yàn)驗(yàn)證可以在獨(dú)立的空間進(jìn)行［19-20］。以下針對GIS設(shè)備內(nèi)部過熱的數(shù)字孿生模型數(shù)字映射誤差的試驗(yàn)方法詳細(xì)說明如下。

在試驗(yàn)室搭建GIS設(shè)備溫升試驗(yàn)平臺(tái)，通過改變觸頭尺寸和（或）材料模擬觸頭過熱故障，開展溫升試驗(yàn)，通過調(diào)節(jié)試驗(yàn)電流，使GIS設(shè)備內(nèi)部導(dǎo)體溫升差（GIS內(nèi)部正常導(dǎo)體和故障導(dǎo)體之間的溫升差）在0～40 K之間變化，用紅外成像儀或在線監(jiān)測裝置測試GIS外殼的溫升差，用熱電偶方式測量GIS內(nèi)部導(dǎo)體的溫升，獲得GIS內(nèi)部導(dǎo)體溫升差的實(shí)測值，通過前期建立好的數(shù)字孿生模型以及GIS外殼溫升差的實(shí)測值計(jì)算GIS內(nèi)部導(dǎo)體溫升差的數(shù)字映射值，GIS內(nèi)部導(dǎo)體溫升差映射值與實(shí)測值的偏差，即為數(shù)字映射誤差。數(shù)字映射誤差可以分級，如5%、10%，按照運(yùn)維的實(shí)際需要一般至少為10%。

4 數(shù)字電力設(shè)備的發(fā)展路徑

電力設(shè)備類別眾多，從數(shù)字電網(wǎng)的需求來看，均應(yīng)成為數(shù)字電力設(shè)備，但不同的電力設(shè)備可以采取不同的數(shù)字化顆粒度。對于那些結(jié)構(gòu)簡單、可靠性、故障率影響較小的設(shè)備，基于技術(shù)經(jīng)濟(jì)原則，建議其顆粒度較粗，達(dá)類別級或設(shè)備級即可；而對于開關(guān)、變壓器和換流器等在電網(wǎng)起到至關(guān)重要的作用，且故障率較高，基于技術(shù)經(jīng)濟(jì)原則，建議其顆粒度較細(xì)，可達(dá)零件級甚至材料級。

數(shù)字電力設(shè)備牽涉的全生命周期各個(gè)環(huán)節(jié)的需求較多［21-26］，但最核心的需求是運(yùn)行環(huán)節(jié)的需求，因此應(yīng)從運(yùn)行環(huán)節(jié)的狀態(tài)評估需求為核心開展數(shù)字電力設(shè)備的技術(shù)研究，然后再逐步擴(kuò)展至全生命周期各個(gè)環(huán)節(jié)的需求。而對于運(yùn)行環(huán)節(jié)的狀態(tài)評估需求，應(yīng)以目前電力設(shè)備的典型故障模式為研究重點(diǎn)，開展基于數(shù)字孿生的故障預(yù)警技術(shù)研究。

開展數(shù)字電力設(shè)備的研究，首先應(yīng)從技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究著手，先建立某幾類典型電力設(shè)備的數(shù)字孿生模型，開展試點(diǎn)應(yīng)用，再不斷進(jìn)行優(yōu)化升級。

5 結(jié)語

本文根據(jù)質(zhì)量管理體系理論、可靠性工程理論、現(xiàn)代控制理論等，通過理論分析的方法結(jié)合電力設(shè)備的發(fā)展歷程得出以下結(jié)論。

1）電力設(shè)備的發(fā)展歷程是質(zhì)量特性的發(fā)展過程，通用質(zhì)量特性和專用質(zhì)量特性發(fā)展相互影響、相互促進(jìn)，螺旋式上升推動(dòng)電力設(shè)備的發(fā)展。

2）對于數(shù)字電力設(shè)備來說，數(shù)字化是網(wǎng)絡(luò)化和智能化的基礎(chǔ)，網(wǎng)絡(luò)化是數(shù)字化和智能化的提質(zhì)增效工具，智能化是數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化的目標(biāo)；傳感技術(shù)不是關(guān)鍵，電力設(shè)備內(nèi)部狀態(tài)全面、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的狀態(tài)評估是關(guān)鍵。

3）數(shù)字電力設(shè)備在物理上是傳統(tǒng)電力設(shè)備和其數(shù)字映射系統(tǒng)組成；在邏輯上是數(shù)字電力設(shè)備的物理實(shí)體和虛擬實(shí)體組成。

4）數(shù)字電力設(shè)備基于數(shù)字孿生的狀態(tài)評估模型用狀態(tài)空間方程來建模，是實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備數(shù)字化的關(guān)鍵。

5）數(shù)字電力設(shè)備的主要專用質(zhì)量特性指標(biāo)包括數(shù)字化顆粒度、數(shù)字映射誤差、數(shù)字映射時(shí)間，指標(biāo)的試驗(yàn)驗(yàn)證可以在獨(dú)立的空間進(jìn)行。