數(shù)字孿生技術(shù)架構(gòu)及在輸變電設(shè)備運(yùn)維中的應(yīng)用

張曉剛, 王 策, 龍 娜, 田 鉞, 李建康, 王道累

(1.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司 信息中心, 貴州 貴陽(yáng) 550003; 2.上海電力大學(xué) 能源與機(jī)械工程學(xué)院, 上海 200090)

認(rèn)知電力系統(tǒng)就是要實(shí)時(shí)精確地獲知電力系統(tǒng)當(dāng)前所處的狀態(tài),并對(duì)電力系統(tǒng)未來(lái)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。只有正確認(rèn)知電力系統(tǒng),才能保證整個(gè)電力系統(tǒng)的安全平穩(wěn)運(yùn)行[1]。由于電力系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性和隨機(jī)性,所以認(rèn)知電力系統(tǒng)有一定的困難[2]。目前,認(rèn)知電力系統(tǒng)所面臨的困難主要有:整個(gè)系統(tǒng)是隨機(jī)的,具有不確定性和非線性,并且整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行是關(guān)聯(lián)在一起的;電力系統(tǒng)是復(fù)雜多變的,并且系統(tǒng)所處的環(huán)境也是時(shí)刻變化的;在輸變電過(guò)程中,由于外界的影響,可能會(huì)導(dǎo)致獲取數(shù)據(jù)的缺失或者存在大量的異常數(shù)據(jù)。

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,整個(gè)電力系統(tǒng)的規(guī)模也越來(lái)越大,對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)的認(rèn)知就顯得尤為重要,建立一個(gè)數(shù)字化、智能化的感知系統(tǒng)的需求更加迫切。

數(shù)字孿生技術(shù)是一個(gè)集成人工智能、5G技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析的新型技術(shù),也是一個(gè)集成的跨科學(xué)、多物理、多維度的模擬過(guò)程[3]。作為一種高新技術(shù),數(shù)字孿生技術(shù)為電力系統(tǒng)的正確認(rèn)知提供了一個(gè)全新的思路,把顯示的物理空間反映到虛擬空間,使整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)得到感知。目前，該技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到航天技術(shù)[4]、無(wú)人駕駛技術(shù)[5]、智能制造、工業(yè)自動(dòng)化、設(shè)備故障診斷與評(píng)估、醫(yī)療等多個(gè)方面。

電力系統(tǒng)是由發(fā)電廠、電網(wǎng)、用戶所組成的一個(gè)整體。電網(wǎng)作為整個(gè)系統(tǒng)的輸送電能的網(wǎng)絡(luò),是整個(gè)系統(tǒng)的樞紐,連接著電廠和用戶?；跀?shù)字孿生技術(shù)對(duì)電網(wǎng)的正確認(rèn)知和評(píng)估也是電力數(shù)字孿生最重要的部分。對(duì)于發(fā)電廠和用戶而言,數(shù)字孿生技術(shù)主要用于構(gòu)建智能電廠和對(duì)用戶的行為進(jìn)行分析。

1 數(shù)字孿生技術(shù)概述

1.1 數(shù)字孿生技術(shù)含義

數(shù)字孿生思想是由美國(guó)密歇根大學(xué)的教授GRIEVES M提出的,稱為“鏡像模型”,后被定義為“數(shù)字孿生”[6]。數(shù)字孿生是基于MBD(Model Based Definition)深度開發(fā)的,是在大量的數(shù)學(xué)、物理模型的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的,主要由物理空間的實(shí)體產(chǎn)品、虛擬空間的虛擬產(chǎn)品以及物理空間和虛擬空間的數(shù)據(jù)和信息交互接口3個(gè)部分組成。在2011年數(shù)字孿生技術(shù)首先被應(yīng)用于航天工業(yè),美國(guó)航天局將該技術(shù)用于航天器的健康維護(hù)和狀態(tài)監(jiān)測(cè)。2012年NASA解釋了數(shù)字孿生的概念:數(shù)字孿生技術(shù)是一種虛擬空間對(duì)物理空間實(shí)體的鏡像空間模型,是集成了多科學(xué)、多物理量、多尺度的用于反映物理空間實(shí)體整個(gè)生命周期的仿真過(guò)程。

1.2 數(shù)字孿生框架

整個(gè)數(shù)字孿生體系包括物理實(shí)體(物理世界)、虛擬模型(數(shù)字世界)以及物理實(shí)體與虛擬模型之間的信息交互通道。其框架如圖1所示。

圖1 數(shù)字孿生框架

(1) 物理實(shí)體,既包含物理元素,又包含各實(shí)體間的相互運(yùn)行邏輯關(guān)系、生產(chǎn)流程等規(guī)則。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中主要是指研發(fā)階段、生產(chǎn)階段、維護(hù)階段包含的物理實(shí)體,如工作人員、設(shè)備、材料、產(chǎn)品、用戶等,以及各物理實(shí)體間存在的邏輯關(guān)系。

(2) 虛擬模型,是指對(duì)物理實(shí)體的高度仿真建模,建立對(duì)象、模型、數(shù)據(jù)一體的數(shù)字空間,能夠?qū)崟r(shí)地反映物理實(shí)體的狀態(tài)信息、全息感知和模擬物理實(shí)體。

(3) 信息交互通道,采用物理網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、仿真工具、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù),使物理實(shí)體和虛擬模型保持實(shí)時(shí)聯(lián)系,實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確映射。將傳感器獲取的物理實(shí)體的實(shí)時(shí)狀態(tài)傳輸?shù)教摂M模型,并將數(shù)字世界的數(shù)據(jù)回饋給物理實(shí)體,形成閉環(huán)。

電力數(shù)字孿生就是使數(shù)據(jù)流充分發(fā)揮作用,通過(guò)虛擬推演以及實(shí)時(shí)態(tài)姿感知,達(dá)到認(rèn)知電力系統(tǒng)的目的。

2 數(shù)字孿生電網(wǎng)

2.1 數(shù)字孿生電網(wǎng)概述

數(shù)字孿生電網(wǎng)就是把物理實(shí)體電網(wǎng)的狀態(tài)信息映射到虛擬空間,在虛擬空間建立一個(gè)與物理電網(wǎng)相匹配的數(shù)字電網(wǎng),基于物理電網(wǎng)的狀態(tài)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)診斷、預(yù)測(cè),并將評(píng)估結(jié)果反饋給物理電網(wǎng),從而達(dá)到物理電網(wǎng)的平穩(wěn)運(yùn)行。它是一個(gè)閉環(huán)體系,具體如圖2所示。

圖2 數(shù)字孿生電網(wǎng)示意

數(shù)字孿生電網(wǎng)與物理電網(wǎng)同步建設(shè):從物理電網(wǎng)的規(guī)劃階段就開始建模,在建設(shè)階段導(dǎo)入數(shù)據(jù);在電網(wǎng)運(yùn)行階段,物理電網(wǎng)與數(shù)字電網(wǎng)進(jìn)行虛實(shí)互動(dòng)、用虛控實(shí),成為一個(gè)平衡的系統(tǒng)。

2.2 數(shù)字孿生電網(wǎng)層次

數(shù)字孿生電網(wǎng)框架主要由基礎(chǔ)設(shè)施層、平臺(tái)層和應(yīng)用層3個(gè)層次構(gòu)成,如圖3所示。

圖3 數(shù)字孿生電網(wǎng)框架

(1) 基礎(chǔ)設(shè)施層主要包括端側(cè)的測(cè)量感知設(shè)備、網(wǎng)側(cè)的網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備和云端的智能計(jì)算設(shè)備。

(2) 平臺(tái)層主要包括管理調(diào)控層、數(shù)據(jù)匯聚層、孿生模型層。管理調(diào)控層包括物聯(lián)設(shè)備平臺(tái)和電網(wǎng)資源調(diào)控平臺(tái),用于對(duì)基礎(chǔ)設(shè)備和電網(wǎng)側(cè)的資源進(jìn)行統(tǒng)一的調(diào)控和管理。數(shù)據(jù)匯聚層,就是匯聚全部的數(shù)據(jù)。孿生模型層由設(shè)備數(shù)字孿生模型、子系統(tǒng)數(shù)字孿生模型和電網(wǎng)數(shù)字孿生模型組成,功能是與數(shù)據(jù)匯聚層結(jié)合起來(lái),建立一個(gè)與實(shí)體對(duì)應(yīng)的數(shù)字孿生模型,是整個(gè)平臺(tái)層的核心。

(3) 應(yīng)用層按其作用與不同的場(chǎng)景可分為設(shè)備層、電網(wǎng)層、業(yè)務(wù)層、運(yùn)營(yíng)管理層。設(shè)備層主要是用于設(shè)備狀態(tài)的管理和評(píng)估、故障診斷以及全壽命周期的管理,是整個(gè)應(yīng)用層的基礎(chǔ)。電網(wǎng)層主要用于電網(wǎng)調(diào)度、運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)分析和全壽命周期管理,是應(yīng)用層的核心。業(yè)務(wù)層主要是圍繞基建、生產(chǎn)、調(diào)度、營(yíng)銷、培訓(xùn)等部門協(xié)同支撐業(yè)務(wù)開展,是應(yīng)用層的關(guān)鍵支撐。運(yùn)營(yíng)管理層的主要功能是優(yōu)化企業(yè)的資產(chǎn)管理、運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)管理、投資決策,是應(yīng)用層的頂層應(yīng)用。

3 數(shù)字孿生技術(shù)在輸變電設(shè)備運(yùn)維中的應(yīng)用

輸變電設(shè)備是電網(wǎng)中的核心部分。其正常運(yùn)行是電網(wǎng)安全的根本保證[7]。輸變電設(shè)備在實(shí)際運(yùn)行中會(huì)受到外界環(huán)境、設(shè)備老化、負(fù)荷過(guò)大等因素的影響,導(dǎo)致其運(yùn)行狀態(tài)出現(xiàn)異常。這就要求要實(shí)時(shí)掌握輸變電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),保證電網(wǎng)的平穩(wěn)運(yùn)行。數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于電網(wǎng)運(yùn)行非常重要的一點(diǎn)就是對(duì)輸變電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估,而評(píng)估輸變電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)是確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要措施[8]。

3.1 發(fā)展背景

輸變電設(shè)備的運(yùn)行條件特殊,無(wú)法在設(shè)備狀況出現(xiàn)惡化時(shí)及時(shí)進(jìn)行停電維護(hù)。將用于獲取反應(yīng)設(shè)備狀態(tài)的傳感裝置安裝在輸變電設(shè)備上,然后根據(jù)獲得的狀態(tài)數(shù)據(jù)建立設(shè)備評(píng)估模型,以實(shí)時(shí)獲取輸變電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。這是目前用來(lái)評(píng)估輸變電設(shè)備能否安全運(yùn)行的主要方式[9]。但是這種采用單一系統(tǒng)的部分設(shè)備信息來(lái)進(jìn)行檢測(cè)的方式,在實(shí)際的使用過(guò)程中會(huì)存在一定的問(wèn)題,比如:用于測(cè)量輸變電設(shè)備全景狀態(tài)信息的傳感裝置較少,而且目前新型智能傳感器還面臨準(zhǔn)確度和可靠性不夠的問(wèn)題,成熟度未能達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)使用的條件。只能通過(guò)不同類別的傳感器分別采集不同類型的狀態(tài)信息加以彌補(bǔ)。但各類傳感器獲取的數(shù)據(jù)具有一定的差異性,無(wú)法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行高效融合。此外,構(gòu)建的評(píng)估輸變電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的模型不可靠。目前主要是通過(guò)專家的經(jīng)驗(yàn)和一些通用的算法來(lái)建立評(píng)估模型,但是這種方式缺少對(duì)輸變電設(shè)備個(gè)性化的考慮。

鑒于以上傳統(tǒng)的評(píng)估輸變電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的方法存在感知全景信息的傳感裝置較少、數(shù)據(jù)融合性差、評(píng)估模型可靠性差等問(wèn)題,數(shù)字孿生技術(shù)被逐漸應(yīng)用于輸變電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估中。相比于傳統(tǒng)技術(shù),數(shù)字孿生技術(shù)打破了實(shí)體、感知、建模、應(yīng)用之間的獨(dú)立格局,將它們?nèi)诤掀饋?lái),用各類傳感裝置全面獲取輸變電設(shè)備的各種運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù),并根據(jù)獲得的精準(zhǔn)數(shù)據(jù),應(yīng)用數(shù)據(jù)融合技術(shù)進(jìn)行融合,應(yīng)用大數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘等現(xiàn)代信息技術(shù)構(gòu)建輸變電設(shè)備數(shù)字孿生模型,對(duì)輸變電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估和預(yù)測(cè)。數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用,為保證輸變電設(shè)備的安全平穩(wěn)運(yùn)行提供了新的思路。

3.2 輸變電設(shè)備運(yùn)維中的數(shù)字孿生技術(shù)

隨著人工智能技術(shù)和數(shù)字電網(wǎng)的大力發(fā)展,輸變電設(shè)備的檢修方式由傳統(tǒng)的按照計(jì)劃日期檢修發(fā)展為基于數(shù)字孿生技術(shù)的比較靈活的檢修方式[10]。基于數(shù)字孿生技術(shù)的輸變電設(shè)備狀態(tài)評(píng)估的主要實(shí)現(xiàn)過(guò)程為:首先由傳感裝置獲得輸變電設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù);然后應(yīng)用大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)對(duì)狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,利用處理好的狀態(tài)量數(shù)據(jù)建立數(shù)字孿生模型[11];最后對(duì)該模型進(jìn)行一系列的優(yōu)化,以提高模型的可靠性,更準(zhǔn)確地反映輸變電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

輸變電設(shè)備運(yùn)維中的數(shù)字孿生技術(shù)架構(gòu)由數(shù)字孿生電網(wǎng)框架展開而來(lái):將數(shù)字孿生電網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施層展開成物理層和感知層;將數(shù)字孿生電網(wǎng)的平臺(tái)層展開成數(shù)據(jù)層和模型層。

在實(shí)際的運(yùn)行過(guò)程中,數(shù)字孿生技術(shù)的物理層包括變壓器、電纜、電容器、避雷器、線路等。其后是感知層,感知層的作用是將傳感裝置獲取的輸變電設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)與設(shè)備自身的生產(chǎn)數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)和檢修數(shù)據(jù)結(jié)合起來(lái),全方位地感知輸變電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。輸變電設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜多變,感知層獲取的數(shù)據(jù)包含很多無(wú)用數(shù)據(jù),就需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,以提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量。這個(gè)過(guò)程就是輸變電設(shè)備狀態(tài)評(píng)估數(shù)字孿生技術(shù)的數(shù)據(jù)層。根據(jù)數(shù)據(jù)層處理后的數(shù)據(jù)和實(shí)際的功能需求構(gòu)建數(shù)字孿生模型。該模型與所需功能是相對(duì)應(yīng)的,可用于對(duì)輸變電設(shè)備的狀態(tài)評(píng)估、故障診斷和未來(lái)一段時(shí)間運(yùn)行狀態(tài)的預(yù)測(cè)。這就是輸變電設(shè)備運(yùn)維中數(shù)字孿生模型的模型層。模型層之后是輸變電設(shè)備評(píng)估中數(shù)字孿生模型的應(yīng)用層,主要功能包括:輸變電設(shè)備的檢修、壽命評(píng)估、指導(dǎo)設(shè)備和裝置的升級(jí)、資產(chǎn)管理等。輸變電設(shè)備運(yùn)維中的數(shù)字孿生技術(shù)架構(gòu)如圖4所示。

圖4 輸變電設(shè)備運(yùn)維中的數(shù)字孿生技術(shù)

3.2.1 全面感知技術(shù)

在輸變電設(shè)備上安裝傳感裝置可以獲取輸變電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù),全面感知設(shè)備的各種狀態(tài)量。常用的傳感裝置有油中溶解氣體傳感裝置、壓力傳感裝置、油中電場(chǎng)傳感裝置、特高頻傳感裝置等。

溶解氣體傳感裝置主要包括基于氫離子火焰?zhèn)鞲衅?、基于熱?dǎo)檢測(cè)器以及基于光學(xué)技術(shù)的油中氣體傳感裝置等。基于光纖結(jié)構(gòu)的壓力傳感裝置,用于測(cè)量變壓器內(nèi)部的壓力,在高溫復(fù)雜的電磁環(huán)境下,能夠直接對(duì)變壓器內(nèi)部各個(gè)位置的壓力進(jìn)行測(cè)量。油中電場(chǎng)傳感裝置用于測(cè)量變壓器內(nèi)部的電場(chǎng)情況,實(shí)現(xiàn)復(fù)雜電場(chǎng)的非接觸測(cè)量。對(duì)輸變電設(shè)備變壓器的狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估的一個(gè)重要手段就是對(duì)變壓器的局部放電進(jìn)行監(jiān)測(cè)。目前,基于特高頻信號(hào)的局部放電監(jiān)測(cè)裝置在監(jiān)測(cè)變壓器的局部放電信號(hào)領(lǐng)域已得到應(yīng)用,其穩(wěn)定性和靈敏度較高?；诠鈱W(xué)技術(shù)的局部放電監(jiān)測(cè)裝置也是當(dāng)今研究的重點(diǎn)。

各類傳感裝置感知到設(shè)備的各種狀態(tài)量后,再結(jié)合設(shè)備的工藝制造數(shù)據(jù)、運(yùn)行環(huán)境、設(shè)備的運(yùn)維檢修數(shù)據(jù)和以前的故障案例,就可以實(shí)現(xiàn)多元數(shù)據(jù)融合,對(duì)輸變電設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行全面的深度感知。

3.2.2 數(shù)據(jù)處理技術(shù)

通過(guò)輸變電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的全面感知技術(shù),獲得了輸變電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù),而這些數(shù)據(jù)中會(huì)存在一些噪聲數(shù)據(jù)、異常數(shù)據(jù)等,影響了狀態(tài)數(shù)據(jù)的質(zhì)量。為了提高狀態(tài)數(shù)據(jù)的質(zhì)量,就需要用數(shù)據(jù)處理技術(shù)對(duì)獲得的狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗,去除異常數(shù)據(jù)。

對(duì)輸變電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,首先是對(duì)傳感裝置進(jìn)行評(píng)估,找到異常傳感裝置。由于輸變電設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境多變,導(dǎo)致傳感裝置的穩(wěn)定性和可靠性得不到保證,容易發(fā)生故障。這種異常傳感裝置的存在,就會(huì)使獲得的狀態(tài)數(shù)據(jù)中混雜著較多的異常數(shù)據(jù),影響數(shù)字孿生模型的構(gòu)建,從而影響對(duì)輸變電設(shè)備的評(píng)估。

傳統(tǒng)的異常傳感裝置評(píng)估方法通常是構(gòu)建智能分類器,進(jìn)行模式識(shí)別,或者從異常數(shù)據(jù)中提取關(guān)鍵的統(tǒng)計(jì)量,根據(jù)統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行判斷。這種方式需要進(jìn)行離線標(biāo)定實(shí)驗(yàn)、離線數(shù)據(jù)和在線數(shù)據(jù)相互校驗(yàn)的方法來(lái)進(jìn)行評(píng)估,但是輸變電設(shè)備傳感裝置一般都要保持持續(xù)運(yùn)行,不能進(jìn)行離線實(shí)驗(yàn)。由于較少的異常數(shù)據(jù)以及異常數(shù)據(jù)與正常數(shù)據(jù)的邊界并不清晰,構(gòu)建可靠的分類器也是一個(gè)很大的難題,所以基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的異常特征對(duì)傳感裝置進(jìn)行評(píng)估成為一種有效的方法。該方法具體過(guò)程如圖5所示。

圖5 基于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的異常特征值評(píng)估方法流程

基于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的異常特征值評(píng)估方法的基本原理是基于滑動(dòng)窗口的流量控制作用,從實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)流中選取評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)集,然后通過(guò)異常標(biāo)記值、連續(xù)相同值、變化率和變異系數(shù)等判據(jù)進(jìn)行評(píng)估,并且調(diào)整容忍度來(lái)改變?cè)u(píng)估的嚴(yán)厲程度。相比于傳統(tǒng)方式,該評(píng)估方法能夠在輸變電設(shè)備傳感裝置運(yùn)行時(shí),在不影響其運(yùn)行工況的條件下,對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)價(jià),并且通過(guò)滑動(dòng)窗口和各種判據(jù)解決傳統(tǒng)分類器邊界不清晰的問(wèn)題。

經(jīng)過(guò)異常傳感裝置評(píng)估可以發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)運(yùn)行故障的傳感裝置。但是,即使傳感裝置運(yùn)行狀態(tài)正常,由于外界環(huán)境的影響也會(huì)出現(xiàn)一些異常數(shù)據(jù),比如出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失和一些突變值等,因此這些異常數(shù)據(jù)會(huì)降低數(shù)字孿生模型的可靠性,需要對(duì)其進(jìn)行清洗。數(shù)據(jù)清洗流程如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)清洗流程

數(shù)據(jù)清洗流程的第一步是異常數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè),異常值包括空值、奇異值等。通過(guò)檢索可以發(fā)現(xiàn)丟失值,通過(guò)設(shè)置一定的判別條件可以檢測(cè)到空值和奇異值。找到異常值后,需要對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除,那么對(duì)應(yīng)的位置上就會(huì)產(chǎn)生空值,并且異常值本身也包含空值,因此需要采用數(shù)據(jù)補(bǔ)全方法對(duì)缺失的數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)全,以保證輸變電設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)的連續(xù)性和完整性。

數(shù)據(jù)平滑就是對(duì)一些噪聲數(shù)據(jù)、突變值數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除?？梢酝ㄟ^(guò)低通濾波器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑,采用數(shù)據(jù)包絡(luò)技術(shù)處理可以忽略數(shù)據(jù)在小尺度時(shí)間維度上的波動(dòng),保證數(shù)據(jù)在大尺度時(shí)間維度上的整體變化趨勢(shì)。

經(jīng)過(guò)異常傳感裝置評(píng)估、數(shù)據(jù)清洗后,運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)形成了跨度較長(zhǎng)的時(shí)間序列,下一步就要對(duì)經(jīng)過(guò)清洗的數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇。為了保證選擇的數(shù)據(jù)既能及時(shí)反映當(dāng)前設(shè)備運(yùn)行狀態(tài),又能不漏選數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)時(shí)間序列既不能選得過(guò)長(zhǎng)也不能選得過(guò)短,目前采用的主要方法是根據(jù)人們的主觀經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行選擇。這種方法缺乏一定的客觀性,可靠性不高,因此基于混沌理論的數(shù)據(jù)選擇方法成為了一種比較可靠的方法。該方法利用狀態(tài)量數(shù)據(jù)的非線性特征在混沌相空間發(fā)現(xiàn)狀態(tài)量的時(shí)序變化規(guī)律,進(jìn)而選擇最優(yōu)數(shù)據(jù)。

3.2.3 數(shù)字孿生模型

根據(jù)全面感知技術(shù)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)獲得的數(shù)據(jù),可以建立用于評(píng)估輸變電設(shè)備的數(shù)字孿生模型。該模型可以對(duì)輸變電設(shè)備當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估,也可以預(yù)測(cè)輸變電設(shè)備未來(lái)一段時(shí)間的運(yùn)行狀態(tài)。輸變電設(shè)備狀態(tài)評(píng)估中的數(shù)字孿生模型主要包括異常狀態(tài)快速檢出數(shù)字孿生模型、設(shè)備狀態(tài)差異化評(píng)估數(shù)字孿生模型、設(shè)備狀態(tài)精細(xì)化評(píng)估數(shù)字孿生模型、設(shè)備故障診斷數(shù)字孿生模型、設(shè)備狀態(tài)預(yù)測(cè)數(shù)字孿生模型等。其主要評(píng)估過(guò)程就是:首先快速檢出設(shè)備異常狀態(tài),然后對(duì)異常設(shè)備進(jìn)行差異化評(píng)估,再對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行精細(xì)化評(píng)估,最后對(duì)設(shè)備故障進(jìn)行診斷。

異常狀態(tài)快速檢出數(shù)字孿生模型的作用就是在獲得設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)后,快速判斷設(shè)備的狀態(tài)是否正常。其具體流程是:首先獲取輸變電設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù),并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理;然后對(duì)數(shù)據(jù)分配權(quán)重,根據(jù)權(quán)重對(duì)其進(jìn)行判別。當(dāng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生改變時(shí),其數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的權(quán)值也會(huì)改變,當(dāng)狀態(tài)量的權(quán)值由正常值范圍變化到異常值范圍后,說(shuō)明設(shè)備狀態(tài)出現(xiàn)異常。

設(shè)備狀態(tài)差異化評(píng)估數(shù)字孿生模型就是基于輸變電設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)建立數(shù)字模型,然后從模型中找到特征,基于特征對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。其流程是:首先找到設(shè)備狀態(tài)差異化影響因素,發(fā)現(xiàn)可以最大程度體現(xiàn)設(shè)備差異化的最優(yōu)影響因素;然后建立在最優(yōu)化因素影響下的設(shè)備數(shù)字孿生模型。通過(guò)對(duì)比獲取的設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)和數(shù)字孿生模型的差異化閾值,獲得設(shè)備的狀態(tài)差異化評(píng)估結(jié)果。

設(shè)備狀態(tài)精細(xì)化評(píng)估數(shù)字孿生模型就是構(gòu)建更精細(xì)化的評(píng)估模型,對(duì)設(shè)備的各個(gè)部位進(jìn)行精細(xì)化評(píng)估,實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備狀態(tài)的全面評(píng)估。其流程與設(shè)備狀態(tài)差異化評(píng)估數(shù)字孿生模型相似。

設(shè)備故障診斷數(shù)字孿生模型可以對(duì)設(shè)備故障進(jìn)行進(jìn)一步的診斷,確定具體的故障類型。其流程同樣是先獲取設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),構(gòu)建數(shù)字孿生體,然后結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和編碼器,建立故障模式分類器,對(duì)設(shè)備的故障類型進(jìn)行診斷。

4 數(shù)字孿生電網(wǎng)發(fā)展趨勢(shì)

目前,數(shù)字孿生技術(shù)在電網(wǎng)運(yùn)行中的應(yīng)用主要以監(jiān)測(cè)電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)為主,智能化水平不高。隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等高新技術(shù)的飛速發(fā)展,將會(huì)使數(shù)字孿生電網(wǎng)更加精細(xì)化、系統(tǒng)化、智能化、普遍化、開放化。

(1) 精細(xì)化。隨著科技的發(fā)展,數(shù)字孿生技術(shù)將會(huì)運(yùn)用到電網(wǎng)中的每一臺(tái)設(shè)備,再慢慢普及到每一臺(tái)設(shè)備的每一個(gè)部件。

(2) 系統(tǒng)化。未來(lái)數(shù)字孿生電網(wǎng)將打破零碎化的格局,將所有的輸變電設(shè)備以及其他部件的數(shù)字孿生有機(jī)結(jié)合在一起,形成一個(gè)整體。

(3) 智能化。人工智能技術(shù)在電網(wǎng)中將會(huì)被廣泛應(yīng)用,大大提高數(shù)字孿生電網(wǎng)的智能化水平,能對(duì)電網(wǎng)的狀態(tài)變化自動(dòng)做出應(yīng)對(duì)措施。

(4) 普遍化。未來(lái)數(shù)字孿生技術(shù)將會(huì)被普遍應(yīng)用于電網(wǎng)領(lǐng)域,在電網(wǎng)運(yùn)行的每一個(gè)環(huán)節(jié)發(fā)揮作用。

(5) 開放化。數(shù)字孿生電網(wǎng)的開放性會(huì)越來(lái)越強(qiáng),將與其他行業(yè)領(lǐng)域交叉融合發(fā)展。

5 結(jié) 論

本文基于通用數(shù)字孿生技術(shù)的概念和架構(gòu),介紹了數(shù)字孿生電網(wǎng)的相關(guān)概念,并對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)在電網(wǎng)中輸變電設(shè)備運(yùn)維中的應(yīng)用進(jìn)行了分析,然后闡述了數(shù)字孿生電網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)。

(1) 數(shù)字孿生體系包括物理層、數(shù)據(jù)層、模型層、功能層和應(yīng)用層,是物理空間向虛擬空間的映射。

(2) 數(shù)字孿生電網(wǎng)由基礎(chǔ)設(shè)施層、平臺(tái)層和應(yīng)用層組成,是一個(gè)閉環(huán)的電網(wǎng)系統(tǒng),可以保證電網(wǎng)平穩(wěn)運(yùn)行。

(3) 輸變電設(shè)備狀態(tài)評(píng)估中的數(shù)字孿生技術(shù)包括輸變電設(shè)備實(shí)體物理層、狀態(tài)數(shù)據(jù)感知層、模型層和應(yīng)用層。目前,對(duì)于輸變電設(shè)備狀態(tài)全面感知技術(shù)、輸變電設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)處理技術(shù)有了一定的研究成果,并且對(duì)于異常狀態(tài)快速檢出數(shù)字孿生模型、設(shè)備狀態(tài)差異化評(píng)估數(shù)字孿生模型、設(shè)備狀態(tài)精細(xì)化評(píng)估數(shù)字孿生模型、設(shè)備故障診斷數(shù)字孿生模型、設(shè)備狀態(tài)預(yù)測(cè)數(shù)字孿生模型的研究有了階段性進(jìn)展。

(4) 數(shù)字孿生電網(wǎng)有廣闊的發(fā)展前景,未來(lái)數(shù)字孿生電網(wǎng)將朝著精細(xì)化、系統(tǒng)化、智能化、普遍化、開放化的方向發(fā)展。