智慧變電站數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用

國網(wǎng)洛陽供電公司 佘彥杰 曹宜安 王耿祥 丹 倩 韓嘯旭

變電站作為電網(wǎng)構(gòu)架中不可或缺的組成部分，對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行起著舉足輕重的作用。隨著變電站技術(shù)的發(fā)展，智慧變電站是以原有的智慧型變電站設(shè)計經(jīng)驗為基礎(chǔ)，進(jìn)行全面的優(yōu)化提升。在進(jìn)行此項工作落實的過程中，勢必要以人工智能技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、云計算技術(shù)、移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等技術(shù)的應(yīng)用來實現(xiàn)全面整合，并通過搭配先進(jìn)的傳感技術(shù)來進(jìn)行優(yōu)化升級，進(jìn)一步降低運檢人員的工作壓力，有效確保運行設(shè)備的安全穩(wěn)定，對未來的發(fā)展而言具有十分重要的意義。

1 數(shù)字孿生技術(shù)簡述

數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用其實是以物理實體對象為基礎(chǔ)進(jìn)行數(shù)字模型的構(gòu)建，并依托仿真技術(shù)、測量技術(shù)、數(shù)據(jù)分析技術(shù)來實現(xiàn)有效感知，進(jìn)而通過預(yù)測、診斷來實現(xiàn)對物理實體的對象進(jìn)行真實狀態(tài)的反饋，并以指令用來實現(xiàn)調(diào)節(jié)，從而通過行為控制來進(jìn)行優(yōu)化，并利用數(shù)字模型的構(gòu)建，實現(xiàn)以相互學(xué)習(xí)為目的進(jìn)行優(yōu)化，這樣不僅能有效改進(jìn)利益相關(guān)方對于物理實體對象生命周期內(nèi)的決策，更能實現(xiàn)以優(yōu)化發(fā)展為基礎(chǔ)來提升應(yīng)用的效果。

孿生技術(shù)最早是以維護(hù)航天飛行器的健康為主進(jìn)行應(yīng)用的一項技術(shù)，并在后續(xù)發(fā)展的過程中，也以仿真技術(shù)的匹配來實現(xiàn)優(yōu)化發(fā)展，通過診斷系統(tǒng)及監(jiān)視系統(tǒng)的共同運作，實現(xiàn)通過仿真技術(shù)的優(yōu)化，并以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的匹配來滿足對物理實體對象的運行情況進(jìn)行有效監(jiān)測，進(jìn)而通過對真實情況進(jìn)行反饋后開展數(shù)據(jù)分析，這時就能對物理實體對象所需要的維修時間進(jìn)行判讀，通過這種預(yù)警的形式實現(xiàn)對故障問題進(jìn)行有效控制[1]。

因此，將孿生技術(shù)應(yīng)用到智慧變電站中，并以數(shù)字化優(yōu)化為基礎(chǔ)，實現(xiàn)對孿生技術(shù)的升級。在系統(tǒng)構(gòu)建的過程中，以智能機(jī)器人的應(yīng)用實現(xiàn)搭載傳感器，并通過監(jiān)測手段的落實，實現(xiàn)對變電站內(nèi)的所有電氣設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)資源的確認(rèn)。人工智能技術(shù)的應(yīng)用，則能實現(xiàn)通過深度挖掘來對設(shè)備的運行情況進(jìn)行智能診斷，通過其智能預(yù)判來確保運維工作的落實效果，將管控與管理工作合二為一，提升各項工作的落實效果。

為實現(xiàn)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，則必須要以智能化發(fā)展為基礎(chǔ)實現(xiàn)智慧化新技術(shù)的應(yīng)用，從而匹配智能電網(wǎng)發(fā)展的需要，通過全面整合來實現(xiàn)保證技術(shù)應(yīng)用的效果，并通過一體化打造來實現(xiàn)提升變電站的運行效果，使運維管理工作的改革能夠得到有效落實，真正以現(xiàn)代化、智能化的發(fā)展來提升變電站的運行水平，從而適應(yīng)時代發(fā)展的需求。

2 數(shù)字孿生技術(shù)的特點

2.1 產(chǎn)品數(shù)字化

對于孿生系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用來看，在產(chǎn)品數(shù)字化的體現(xiàn)上，其實包含著所有的設(shè)計元素當(dāng)中的信息。如，三維幾何模型在構(gòu)建的過程中，其實就是以信息應(yīng)用為基礎(chǔ)來進(jìn)行的數(shù)據(jù)加工，而對于BOM 表、系統(tǒng)工程模型、多學(xué)科的仿真模型、一維至三維、軟件與控制系統(tǒng)設(shè)計、電氣系統(tǒng)設(shè)計等，其實都包含其中。與此同時，對于產(chǎn)品的設(shè)計工作開展來看，其實也會涉及到各種產(chǎn)品的各項物理性能以及其整體性能，而這些工作都需要在虛擬環(huán)境中，實現(xiàn)對產(chǎn)品本身進(jìn)行優(yōu)化或調(diào)整。對于該技術(shù)的應(yīng)用其關(guān)鍵技術(shù)涉及到以下幾點：

首先，針對數(shù)字建模工作的開展，不僅需對各類產(chǎn)品的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模，更要實現(xiàn)對其內(nèi)部的運行進(jìn)行運動約束。如，電氣系統(tǒng)的接觸形式、控制算法、軟件應(yīng)用等內(nèi)容，以建模技術(shù)的應(yīng)用為基礎(chǔ)，通過全面的數(shù)字化建設(shè)來實現(xiàn)優(yōu)化整合。因此，針對數(shù)字化的孿生系統(tǒng)構(gòu)建來看，其實是以同樣的建設(shè)產(chǎn)品為基礎(chǔ)來實現(xiàn)基礎(chǔ)技術(shù)的應(yīng)用。

其次，對于數(shù)字孿生系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用，其實離不開一體化的仿真驗證技術(shù)。在現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用的過程中，想要實現(xiàn)對單個維度的物理性能進(jìn)行處理，或是實現(xiàn)對單個系統(tǒng)的性能進(jìn)行處理，在數(shù)值控制上通過仿真技術(shù)的應(yīng)用能實現(xiàn)達(dá)到優(yōu)化的效果。但對于一些具備著復(fù)雜性質(zhì)的實際產(chǎn)品，由于在運行過程中會涉及到多學(xué)科、多物理場的綜合應(yīng)用，這也使其具備著更難的技術(shù)攻破點。

如，針對風(fēng)力發(fā)電平臺的建設(shè)，在產(chǎn)品的數(shù)字化處理過程中，孿生系統(tǒng)技術(shù)在應(yīng)用時，就需對其海上漂浮的風(fēng)力發(fā)電平臺的空氣動力特性、浮體的結(jié)構(gòu)變形特性，浮體的水動力特性以及發(fā)電系統(tǒng)的響應(yīng)特性等內(nèi)容進(jìn)行全面整合，并通過一體化構(gòu)建來實現(xiàn)仿真驗證技術(shù)的應(yīng)用，這樣才能保證產(chǎn)品的應(yīng)用性能。基于此，針對變電廠孿生系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用，在數(shù)字化模型建設(shè)的基礎(chǔ)上，需將單個系統(tǒng)或是將多個系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合來實現(xiàn)仿真技術(shù)的應(yīng)用，進(jìn)而才能真正對產(chǎn)品的性能進(jìn)行分析與預(yù)測。

再次，想要完善孿生系統(tǒng)技術(shù)并提升其應(yīng)用效果，也需在建模技術(shù)與仿真技術(shù)應(yīng)用的同時實現(xiàn)其他技術(shù)的共同使用。如，針對創(chuàng)成式設(shè)計技術(shù)的應(yīng)用，能有效實現(xiàn)優(yōu)化孿生系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用效果，而且對于歷史數(shù)據(jù)的仿真結(jié)果校準(zhǔn)技術(shù)的應(yīng)用來看也能起到優(yōu)化作用。

2.2 生產(chǎn)數(shù)字化

在孿生系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用的過程中，針對生產(chǎn)數(shù)字化來看，它其實是以生產(chǎn)裝配過程的優(yōu)化為基礎(chǔ)，實現(xiàn)仿真等技術(shù)手段的應(yīng)用。這時，在流程制造的過程中，就能夠以實際效果的保障來實現(xiàn)達(dá)到穩(wěn)定的目的，并且也能夠?qū)崿F(xiàn)加快生產(chǎn)速度。因此，對于生產(chǎn)數(shù)字化來看，它其實需要通過以下幾個關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用來進(jìn)行質(zhì)量保障：

首先，針對各個生產(chǎn)單元來看，由于需在共同時間內(nèi)進(jìn)行共同運作，因此在進(jìn)行生產(chǎn)流程的建模工作落實上，也須以仿真技術(shù)的應(yīng)用來實現(xiàn)優(yōu)化，這時才能建立出有關(guān)于生產(chǎn)的數(shù)字化運行模式，并以孿生系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用為基礎(chǔ)來進(jìn)行整合，這其中就包含了對各個生產(chǎn)單元的數(shù)字化建模與展示工作。

其次，對于生產(chǎn)的執(zhí)行階段，需以生產(chǎn)單元內(nèi)整體工作流程的確認(rèn)為基礎(chǔ)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)應(yīng)用，而且要以整體生產(chǎn)過程的運行效率為基礎(chǔ)來實現(xiàn)建模。在這個過程中也需要通過仿真技術(shù)的應(yīng)用來實現(xiàn)優(yōu)化整合，并以此來體現(xiàn)孿生系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)內(nèi)容。這其中包括了機(jī)械設(shè)備自動化操作過程當(dāng)中的全部內(nèi)容，并也需要以仿真技術(shù)的融入來實現(xiàn)全面優(yōu)化[2]。

如，在針對不同單元的共同運作需要以協(xié)同工作的落實來進(jìn)行算法的確認(rèn)，并通過虛擬調(diào)試來實現(xiàn)驗證整體結(jié)果，這時才能保證生產(chǎn)的自動性。除此以外，針對自動化運行的設(shè)備來看，在生產(chǎn)過程中也需要通過人機(jī)交互來實現(xiàn)仿真技術(shù)的應(yīng)用。因此在這個過程中，其實也需要通過調(diào)試技術(shù)的使用來實現(xiàn)支持。

2.3 性能數(shù)字化

對于孿生系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用來看，也需要以性能數(shù)字化為基礎(chǔ)來實現(xiàn)體現(xiàn)其技術(shù)特性。這其中包括了實際生產(chǎn)產(chǎn)品時，執(zhí)行階段當(dāng)中所具備的生產(chǎn)性能的數(shù)字化特點，同時也包括了產(chǎn)品使用時產(chǎn)品性能數(shù)字化的使用特點。但是對于這二者來看，前者更加偏向于生產(chǎn)與制造，而且要基于生產(chǎn)產(chǎn)線的實際情況來實現(xiàn)對運行信息進(jìn)行反饋，進(jìn)而才能夠真正以數(shù)字化技術(shù)的體現(xiàn)，對孿生系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化與調(diào)整。

后者其實針對的是使用客戶的實際需求，并且要基于產(chǎn)品的實際特性來實現(xiàn)分析與應(yīng)用，以此才能通過預(yù)測功能來實現(xiàn)將其維護(hù)性能進(jìn)行體現(xiàn)，從而通過產(chǎn)品的實際運行信息進(jìn)行反饋后指導(dǎo)產(chǎn)品的設(shè)計。對此，針對數(shù)字化孿生系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用來看，在性能體現(xiàn)上，則需要包含以下幾項關(guān)鍵技術(shù)：

首先，對于生產(chǎn)執(zhí)行階段來看，所有的流程、材料、設(shè)備、參數(shù)、人員、設(shè)備運行狀態(tài)等信息，其實都會發(fā)生變動，而對于性能體現(xiàn)來看，孿生系統(tǒng)技術(shù)在應(yīng)用的過程中，則需要將這些變動信息進(jìn)行實時收集，并要在數(shù)字空間內(nèi)進(jìn)行更新。對此就需要通過結(jié)合物理傳感器輸入功能來實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的實時轉(zhuǎn)換，并通過仿真技術(shù)的應(yīng)用來實現(xiàn)預(yù)測，這時才能保證技術(shù)應(yīng)用的效果。

其次，對于變電站來看，整個生產(chǎn)流程當(dāng)中的物理傳感器會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，而這些產(chǎn)生的數(shù)據(jù)必須要以傳輸?shù)男问綄崿F(xiàn)系統(tǒng)收集，這時對于孿生系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用來看，必須要通過主動響應(yīng)來實現(xiàn)學(xué)習(xí)，這樣才能夠做出反饋，從而才能在事故發(fā)生時實現(xiàn)追溯，并在后續(xù)運行的過程中，通過預(yù)測與維護(hù)功能的落實來實現(xiàn)有效展現(xiàn)自身的性能，進(jìn)而才能在數(shù)字化運行下，實現(xiàn)有效地分析、預(yù)測，并針對產(chǎn)線的實際情況給予準(zhǔn)確判斷，以此才能保證運維工作的落實效果。對此，針對孿生系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用來看，需要通過大數(shù)據(jù)技術(shù)的支持來實現(xiàn)數(shù)據(jù)閉環(huán)處理，這時才能保證應(yīng)用的效果。

3 智慧變電站孿生系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用方案

3.1 三維建模

實現(xiàn)三維建模技術(shù)的有效應(yīng)用，從變電站的實際需求出發(fā)，實現(xiàn)對電氣設(shè)備進(jìn)行三維模型的構(gòu)建。按照實際需求實現(xiàn)拆分，并進(jìn)行重新細(xì)化，實現(xiàn)以模型構(gòu)建為基礎(chǔ)，利用設(shè)備三維模型的動態(tài)動作，展示出現(xiàn)場設(shè)備的動作狀態(tài)，進(jìn)而就能實現(xiàn)達(dá)到仿真的效果。

3.2 可視處理

通過可視化處理，就能夠?qū)崿F(xiàn)將三維模型的信息進(jìn)行有效應(yīng)用，這時就能保證在管理工作開展中，實現(xiàn)提升運維的實際效果。畢竟對于可視化處理來看，它能夠?qū)崿F(xiàn)以場景優(yōu)化為基礎(chǔ)，體現(xiàn)孿生系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用特性。根據(jù)變電站模型來實現(xiàn)1：1還原，則能夠真實展現(xiàn)出變電站的孿生場景，這時在系統(tǒng)運作與控制工作開展中，就能實現(xiàn)對變電站周邊環(huán)境進(jìn)行有效觀察，并且也可通過專業(yè)設(shè)備實現(xiàn)三維信息的應(yīng)用，進(jìn)而就能實現(xiàn)以數(shù)據(jù)信息觀察為主來進(jìn)行實時作業(yè)。

與此同時，通過接入高精度氣象信息來實現(xiàn)獲取周邊的天氣情況，也能在孿生系統(tǒng)當(dāng)中實現(xiàn)模擬，通過推演天氣變化趨勢來掌握氣象信息。此外，對于可視化處理工作的開展來看，也能夠通過自動定位技術(shù)的使用，來實現(xiàn)對變電站的內(nèi)部情況進(jìn)行快速定位，這時就能夠掌握實時動態(tài)信息。值得注意的是，對于可視化處理工作而言，還能夠?qū)崿F(xiàn)落實路徑導(dǎo)航，這時就能以高效作業(yè)為前提，實現(xiàn)滿足運行的實際需求。

3.3 視頻融合

在視頻融合當(dāng)中，它其實是以變電站的運檢管控為基礎(chǔ)來實現(xiàn)系統(tǒng)構(gòu)建，并通過三維模型的構(gòu)建進(jìn)行視頻融合，這時就能通過自動識別來實現(xiàn)場景交換，而且也能實現(xiàn)將所有信息進(jìn)行有效連接，并通過實時查看來實現(xiàn)對信息進(jìn)行有效應(yīng)用，還可通過可視化的動態(tài)處理來實現(xiàn)偵查與警告，進(jìn)而就能有效提升管理工作開展的效果，并且也能有效對突發(fā)事件進(jìn)行及時處理。

3.4 智能分析

通過大數(shù)據(jù)技術(shù)的有效融合，并將其整合到孿生系統(tǒng)技術(shù)當(dāng)中，就能夠?qū)崿F(xiàn)對已經(jīng)形成的模型進(jìn)行細(xì)致挖掘，并通過對比分析來實現(xiàn)檢測系統(tǒng)與終端之間的數(shù)據(jù)是否正常，而且也能對不同業(yè)務(wù)在執(zhí)行過程中所產(chǎn)生的一些問題進(jìn)行修正，這時就能以多元化優(yōu)化為基礎(chǔ)來實現(xiàn)提升對變電系統(tǒng)特征分析效果，進(jìn)而就能通過監(jiān)測工作的落實來實現(xiàn)保證運行的質(zhì)量。

3.5 應(yīng)急管理

為有效應(yīng)對突發(fā)事件，在孿生系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用的過程中，能夠?qū)崿F(xiàn)以自動化運行為基礎(chǔ)來實現(xiàn)一體化技術(shù)的應(yīng)用，這時就能實現(xiàn)對變電站內(nèi)所有的相關(guān)設(shè)施進(jìn)行數(shù)據(jù)拷貝，并進(jìn)行三維動態(tài)的渲染。這樣，通過孿生場景的構(gòu)建、并以仿真功能進(jìn)行應(yīng)用，則能夠建立出相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案措施庫，從而通過虛擬技術(shù)來實現(xiàn)還原真實場景，則能夠有效提升現(xiàn)場應(yīng)急管理的管控能力，并且也能通過內(nèi)部共聯(lián)來實現(xiàn)保證監(jiān)視人員在發(fā)現(xiàn)這些緊急情況時，能夠進(jìn)行及時處理。

4 結(jié)語

對于孿生系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用來看，它其實是作為智慧電網(wǎng)建設(shè)組成部分之一而進(jìn)行落實的一項關(guān)鍵性技術(shù)。因此，這項技術(shù)在使用的過程中，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)化變電站運行效果，而且也能夠真正以技術(shù)保障為基礎(chǔ)來提升其管理質(zhì)量。