基于數(shù)字孿生的電網(wǎng)基礎(chǔ)資源運營場景可視化

張鵬飛 劉朋熙 章愛武 王尉

安徽省思極科技有限公司 安徽 合肥 230022

引言

隨著數(shù)字經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展，電網(wǎng)資源與數(shù)字經(jīng)濟的融合不斷深入，同時國家、工信部、國資委和國網(wǎng)公司層面分別出臺相關(guān)配套政策，鼓勵電信企業(yè)與電力企業(yè)的資源共享、合作共贏。

國網(wǎng)公司積極響應(yīng)國家戰(zhàn)略，積極培養(yǎng)、布局開拓新業(yè)務(wù)、新業(yè)態(tài)、新模式，明確了要圍繞資源增值復(fù)用、業(yè)務(wù)創(chuàng)新賦能、數(shù)據(jù)共享應(yīng)用、平臺建設(shè)運營等方面，實現(xiàn)公司新的增長極。傳統(tǒng)二維的電網(wǎng)基礎(chǔ)資源運營場景可視化系統(tǒng)和方法已經(jīng)不能適應(yīng)國網(wǎng)公司發(fā)展的新要求，迫切需要加快數(shù)字孿生技術(shù)在電網(wǎng)基礎(chǔ)資源運營的研究和應(yīng)用。

本課題運用“數(shù)字孿生”技術(shù)結(jié)合電網(wǎng)基礎(chǔ)資源運營業(yè)務(wù)，對基于數(shù)字孿生技術(shù)實現(xiàn)多站融合和共享桿塔三維建模與全景監(jiān)控，物聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)感知與數(shù)據(jù)可視化展示等典型業(yè)務(wù)場景進行深入研究，促進數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)的深度融合，提升電網(wǎng)基礎(chǔ)資源運營業(yè)務(wù)精益化管理水平[1]。目前本課題的研究成果已在安徽省思極科技有限公司示范應(yīng)用，為電網(wǎng)基礎(chǔ)資源運行和運營監(jiān)控提供技術(shù)保障。

本文的主要貢獻如下：①通過“數(shù)字孿生”技術(shù)，實現(xiàn)了多站融合和共享桿塔三維建模與全景監(jiān)控；②綜合運用物聯(lián)網(wǎng)與數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)感知與數(shù)據(jù)可視化展示。

1 相關(guān)工作

2020年，國家全面啟動實施“新基建”戰(zhàn)略，包括信息基礎(chǔ)設(shè)施、融合基礎(chǔ)設(shè)施和創(chuàng)新基礎(chǔ)設(shè)施三方面，涉及5G基建、特高壓、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等諸多領(lǐng)域，為貫徹國家“新基建”決策部署和國家電網(wǎng)公司新戰(zhàn)略，搶抓發(fā)展新機遇，各網(wǎng)省思極科技公司逐步開展電力桿塔、溝道、變電站等基礎(chǔ)資源開展運營。

在電網(wǎng)基礎(chǔ)資源運營數(shù)據(jù)可視化方面，目前應(yīng)用系統(tǒng)多是基于二維地理空間實現(xiàn)了部分業(yè)務(wù)場景的可視化，主要存在的問題包括：平臺管理界面仍以二維表單和二維的拓撲視圖為主，在復(fù)雜的運維場景中，缺乏直觀立體的方式將管理對象和實際的物理空間聯(lián)動起來輔助認知；平臺可視化運營的功能不夠完善和靈活，無法按照專業(yè)領(lǐng)域或應(yīng)用場景，把空間數(shù)據(jù)、資源信息、運維檢修和用戶信息進行組裝融合；缺少完整的電網(wǎng)資源運營成果與業(yè)務(wù)深化應(yīng)用的可視化集中展示。本文主要從這些方面入手，將“數(shù)字孿生”技術(shù)與電網(wǎng)基礎(chǔ)資源運營業(yè)務(wù)相結(jié)合，做電網(wǎng)基礎(chǔ)資源運營場景可視化平臺的研究與應(yīng)用。

2 需求分析

2.1 功能定位

主要以電網(wǎng)基礎(chǔ)資源實際運營的場景為基礎(chǔ)，通過場景建模和物聯(lián)感知結(jié)合運營信息，實踐了現(xiàn)實場景與虛擬場景融合，為電網(wǎng)基礎(chǔ)資源運行監(jiān)控和管理提供智能化手段，提高了各網(wǎng)省思極科技公司開展電網(wǎng)基礎(chǔ)資源運營業(yè)務(wù)的效率。

在業(yè)務(wù)上，選取典型多站融合和桿塔敷掛光纜以及附掛基站的共享資源運營場景進行三維實景建模，并融合物聯(lián)狀態(tài)感知信息，實現(xiàn)運營場景的全數(shù)字化映射，輔助重點項目的精準(zhǔn)運營與運行監(jiān)控[2]。

在技術(shù)上，通過在市縣公司層面開展的電網(wǎng)基礎(chǔ)資源運營業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)結(jié)合PMS2.0系統(tǒng)中的設(shè)備臺賬、位置和線路數(shù)據(jù)，為供電公司持續(xù)開展電網(wǎng)基礎(chǔ)資源運營場景可視化應(yīng)用提供技術(shù)實踐依據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)融合

電網(wǎng)基礎(chǔ)資源運營場景建模，需要和運行監(jiān)控相關(guān)的設(shè)備臺賬、電網(wǎng)拓撲、動環(huán)監(jiān)控、運營等數(shù)據(jù)，同時還需要集成了TMS系統(tǒng)、PMS2.0系統(tǒng)和電網(wǎng)基礎(chǔ)資源運營平臺運營數(shù)據(jù)，同時通過數(shù)據(jù)治理，實現(xiàn)海量、多源、異構(gòu)數(shù)據(jù)有效整合和數(shù)據(jù)質(zhì)量提升，從而為平臺建設(shè)提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

2.3 功能需求

根據(jù)基于數(shù)字孿生的電網(wǎng)基礎(chǔ)資源運營場景可視化平臺的功能定位，主要提供以下功能：

2.3.1 多站融合和共享桿塔三維建模與全景監(jiān)控。根據(jù)多站融合站點與桿塔周邊自然環(huán)境與電網(wǎng)設(shè)備進行三維建模，全方位展示多站融合站點建筑外貌、電力設(shè)備放置位置、設(shè)備外貌，桿塔的設(shè)備信息敷掛線路走向、附掛基站等信息。

2.3.2 物聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)感知與數(shù)據(jù)可視化展示。通過三維場景遞進式方式展示多站融合站房內(nèi)監(jiān)控攝像頭、室內(nèi)溫度與濕度、電力設(shè)備基本信息與運營信息。

3 平臺設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 技術(shù)架構(gòu)

本平臺在技術(shù)實現(xiàn)上遵循國家電網(wǎng)公司相關(guān)技術(shù)規(guī)范，進行架構(gòu)設(shè)計和實現(xiàn)，具體技術(shù)架構(gòu)設(shè)計參考如下圖所示：①數(shù)據(jù)層，實現(xiàn)海量、多源、異構(gòu)的電網(wǎng)基礎(chǔ)資源運營數(shù)據(jù)的接入、融合與治理；②平臺層，與電網(wǎng)基礎(chǔ)資源運營平臺互通，實現(xiàn)數(shù)據(jù)無縫銜接，實時更新展示，平臺接入跳轉(zhuǎn)的目的；③應(yīng)用層，通過可視化組件實現(xiàn)三維場景、租賃信息、機房監(jiān)控、線路運營可視化；④場景層，通過三維模型立體的展示運營場景。通過層層遞進的操作，展示合同信息、機房運維監(jiān)控信息和桿塔運營信息[3]。

3.2 功能架構(gòu)

根據(jù)基于數(shù)字孿生的電網(wǎng)基礎(chǔ)資源運營場景可視化的需求分析，功能架構(gòu)下圖所示：

圖1 功能架構(gòu)

3.3 多站融合和共享桿塔三維建模與全景監(jiān)控

3.3.1 建筑場景建模實現(xiàn)可視化。通過實地考察觀測多站融合與桿塔等電網(wǎng)資源所在環(huán)境，對建筑與周邊環(huán)境進行建模，實現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實環(huán)境一一對應(yīng)，立體的展示資源所在建筑或周邊建筑場景。

3.3.2 多站融合站房建模實現(xiàn)可視化。對多站融合站房進行實際測量，根據(jù)站房內(nèi)建筑結(jié)構(gòu)，房間高度，墻壁厚度，窗戶位置等諸多建筑特征進行建模，實現(xiàn)虛擬場景等比再現(xiàn)現(xiàn)實站房場景。

3.3.3 構(gòu)建電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)備數(shù)字孿生體。在建筑模型中存在大量電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)備，比如機柜、UPS、服務(wù)器等，為了能夠全方位展示設(shè)備運行狀態(tài)，設(shè)備運行數(shù)據(jù)，需要創(chuàng)建對應(yīng)的孿生體從而形象的表示物品的存在。

3.4 物聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)感知與數(shù)據(jù)可視化

3.4.1 動環(huán)監(jiān)控可視化。通過對分布在各多站融合機房的電源柜、UPS、空調(diào)、溫濕度、煙感等機房環(huán)境的各種參數(shù)進行遙測、遙信和遙控,實時監(jiān)測其運行參數(shù)，診斷故障，展示和分析相關(guān)數(shù)據(jù)，并對設(shè)備進行集中監(jiān)控。

3.4.2 視頻監(jiān)控可視化?；诙嗾救诤险痉亢碗娋W(wǎng)設(shè)備周邊監(jiān)控攝像頭將監(jiān)控視頻信息接入電網(wǎng)基礎(chǔ)資源運營場景可視化平臺，實現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實結(jié)合。

3.4.3 運營信息可視化。采用數(shù)字孿生技術(shù)，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)中心的虛擬仿真，讓運維管理人員可以清晰直觀地掌握實際運營中的電網(wǎng)基礎(chǔ)資源的有效信息，實現(xiàn)透明化與可視化管理，進而有效提升資產(chǎn)管理與監(jiān)控管理的效率。

3.5 關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點

首次運用數(shù)字孿生技術(shù)，實現(xiàn)多站融合和共享桿塔三維建模與全景監(jiān)控。選取典型多站融合和桿塔敷掛光纜以及附掛基站的共享資源運營場景進行三維實景建模，并融合物聯(lián)狀態(tài)感知信息，實現(xiàn)運營場景的全數(shù)字化映射，輔助重點項目的精準(zhǔn)運營與運行監(jiān)控。對多站融合示范站，實現(xiàn)站內(nèi)設(shè)備、環(huán)境布局、告警信息、視頻監(jiān)控、動環(huán)信息以及運營信息的三維全景可視化，全方位監(jiān)控示范站的運營和運行信息，提升運維服務(wù)水平[4]；對桿塔敷掛光纜及附掛基站，實現(xiàn)桿塔設(shè)備、敷掛線路走向、附掛基站和運營信息的三維全景可視化，實現(xiàn)共享桿塔運營場景的全方位示范展示。

實現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)感知與數(shù)據(jù)可視化。集成動環(huán)監(jiān)控的溫濕度感應(yīng)器、溫度、濕度、煙感、水浸、UPS等數(shù)據(jù)。綜合運用溫度云圖等可視化方法，實時、動態(tài)、直觀動態(tài)地展示運營場景中運行環(huán)境信息、負荷信息、監(jiān)控信息、告警信息，為電網(wǎng)基礎(chǔ)資源運行維護提供可視化支撐。

4 典型業(yè)務(wù)場景

根據(jù)平臺功能定位和功能需求，本文從中選擇多站融合和共享桿塔三維建模與全景監(jiān)控、物聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)感知與數(shù)據(jù)可視化展示兩個典型的業(yè)務(wù)場景進行重點論述。

4.1 多站融合和共享桿塔三維建模與全景監(jiān)控

4.1.1 分析需求。選擇典型的多站融合和桿塔敷掛光纜以及附掛基站的共享資源運營場景進行建模實現(xiàn)全景監(jiān)控。

4.1.2 分析方法。建筑物建模需要到達現(xiàn)場實際考察實體建筑，記錄建筑特征數(shù)據(jù)作為依據(jù)。通過3D場景制作引擎“CompusBuilder”與3D城市組件“CityBuilder”實現(xiàn)3D建模，并將模型放入3D模型庫“ThingDepot”用于加載使用。

4.1.3 分析結(jié)果。通過以上方法可實現(xiàn)多站融合和共享桿塔三維建模，將建好的模型加載到電網(wǎng)基礎(chǔ)資源運營場景可視化實現(xiàn)全景監(jiān)控。

4.1.4 業(yè)務(wù)成效。通過數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用，相比二維場景，為運營資源空間信息的展示提供了更豐富、逼真的平臺，方便運維人員根據(jù)信息提示和結(jié)合自己相關(guān)的經(jīng)驗，從而做出準(zhǔn)確而快速的判斷，高效穩(wěn)定的維護運營現(xiàn)場各類設(shè)備的正常運行。

4.2 物聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)感知與數(shù)據(jù)可視化展示

4.2.1 分析需求。通過溫度傳感器、濕度傳感器等智能物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娋W(wǎng)基礎(chǔ)資源運營場景可視化，實現(xiàn)站內(nèi)環(huán)境的持續(xù)監(jiān)控，通過溫度云圖等數(shù)據(jù)可視化展示方式，清晰地展現(xiàn)電網(wǎng)設(shè)備運行環(huán)境狀態(tài)。通過操作數(shù)字孿生體查看對應(yīng)電力設(shè)備的運營信息，實現(xiàn)運營信息可視化。

4.2.2 分析方法。物聯(lián)網(wǎng)對環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測進行有效數(shù)據(jù)采集提供了強大的技術(shù)保障，通過智能傳感器對表征事物或現(xiàn)象狀態(tài)的物理量進行變送和轉(zhuǎn)換，然后再通過數(shù)據(jù)可視化技術(shù)將其展示出來，實現(xiàn)電網(wǎng)設(shè)備運行環(huán)境的狀態(tài)感知與數(shù)據(jù)可視化展示。在建立的三維模型中根據(jù)實際場景情況存在大量與電力設(shè)備對應(yīng)是數(shù)字孿生體，從過點擊查看等操作展示該設(shè)備的基本信息與運營信息，實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化展示。

4.2.3 分析結(jié)果。將物聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)感知技術(shù)和數(shù)據(jù)可視化技術(shù)融合到三維場景中，可清晰立體地了解到場景中每個區(qū)域的溫度和濕度情況、UPS電壓電流情況。如果環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)在正

常范圍，則數(shù)值指示條顯示為綠色，接近臨界值顯示為黃色，超出臨界值顯示為紅色，可進行預(yù)警展示，對電力設(shè)備運維起到重要作用。

4.2.4 業(yè)務(wù)成效。通過三維場景，直觀動態(tài)地展示了運營現(xiàn)場的運行環(huán)境、動環(huán)信息，輔助運維人員快掌握和發(fā)現(xiàn)運營現(xiàn)場的實際情況，結(jié)合故障分析方法的使用，可以迅速排除相關(guān)故障，有效保障了電網(wǎng)運營資源運行穩(wěn)定性。

5 結(jié)束語

本文通過對電力運行與運營業(yè)務(wù)場景進行分析，結(jié)合經(jīng)典業(yè)務(wù)場景的特征，通過基于數(shù)字孿生的電網(wǎng)基礎(chǔ)資源運營場景可視化平臺的功能定位和功能需求進行深入分析，進行了設(shè)計與實現(xiàn)，通過動環(huán)監(jiān)測可視化展示、電網(wǎng)資源運行典型業(yè)務(wù)場景的研究過程、業(yè)務(wù)成效的深入闡述，表明基于數(shù)字孿生的電網(wǎng)基礎(chǔ)資源運營場景可視化平臺為電網(wǎng)基礎(chǔ)資源運行監(jiān)測與運營分析等方面效果顯著，具有重要的參考價值[5]。