基于數(shù)字孿生技術(shù)的變電站二次回路設(shè)計(jì)數(shù)字化研究

文｜王其文 湯吟露 馮小強(qiáng)

碳達(dá)峰、碳中和的國(guó)家戰(zhàn)略目標(biāo)把新型電力系統(tǒng)的發(fā)展推向了新高度，新型電力系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)的主要組成部分?！耙孕履茉礊橹黧w的新型電力系統(tǒng)”的安全穩(wěn)定運(yùn)行嚴(yán)重依賴二次系統(tǒng)；同時(shí)隨著電網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大和智能化程度的提高，二次設(shè)備的類型和數(shù)量也在成倍增加，但是運(yùn)維人員數(shù)量幾乎零增長(zhǎng)；因此對(duì)二次運(yùn)維的質(zhì)量和效率提出了更高的要求。以靜態(tài)圖形為主的二次系統(tǒng)回路設(shè)計(jì)和以人工為主的分散運(yùn)維模式難以進(jìn)一步提升運(yùn)維質(zhì)量與運(yùn)維效率，迫切需要通過數(shù)字孿生技術(shù)推進(jìn)二次運(yùn)維模式優(yōu)化，加強(qiáng)電網(wǎng)及二次作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)管控。

本文主要從數(shù)字孿生角度，應(yīng)用數(shù)字建模技術(shù)提出全新的二次回路設(shè)計(jì)思路，解決變電站現(xiàn)場(chǎng)施工、運(yùn)維過程中遇到的問題。

電氣二次竣工圖紙是變電站投產(chǎn)前重要的移交資料，為了便于查閱和共享，設(shè)計(jì)圖紙多以電子格式進(jìn)行存檔，圖紙格式繁多且難以滿足電網(wǎng)工程設(shè)計(jì)成果統(tǒng)一存儲(chǔ)與管理的需要；電氣二次竣工圖紙中只有屏柜相關(guān)的端子排圖、部分設(shè)備間的原理圖以及電纜清冊(cè)等，缺少屏柜內(nèi)的二次設(shè)備的板卡信息描述；DWG格式圖紙受繪圖軟件制約，無法進(jìn)行擴(kuò)展定制功能需求，同時(shí)也缺乏屏柜、設(shè)備以及相應(yīng)附件的模型信息，通用性受到了一定的限制。在后續(xù)運(yùn)維過程中，二次檢修人員至變電站現(xiàn)場(chǎng)往往需要攜帶大量圖紙，并進(jìn)行人工查找，影響了現(xiàn)場(chǎng)檢修運(yùn)維效率，延長(zhǎng)了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備停電時(shí)間。

在變電站建設(shè)階段，圖紙是現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試及施工的重要依據(jù)。實(shí)際施工過程中，施工單位針對(duì)設(shè)計(jì)圖紙問題的反饋極其有限，導(dǎo)致設(shè)計(jì)單位最終移交的竣工圖紙與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際二次回路接線極易存在不符的情況，給變電站的運(yùn)維管理帶來風(fēng)險(xiǎn)。除此以外，針對(duì)竣工圖紙的修改沒有歷史變更記錄，不利于對(duì)問題原因進(jìn)行復(fù)盤，同樣的問題需要多次試錯(cuò)后才能形成組織記憶，為檢修班組的日常管理工作帶來了新的難題。

針對(duì)以上問題，本文提出了“基于數(shù)字孿生技術(shù)的變電站二次回路設(shè)計(jì)數(shù)字化研究”方案。通過對(duì)二次屏柜內(nèi)元器件、二次設(shè)備以及二次回路進(jìn)行數(shù)字化建模，結(jié)合各二次屏柜間的電纜連接表，形成全站的二次回路數(shù)字化文件，并進(jìn)行可視化展示?；谶@個(gè)方案，變電站運(yùn)維檢修人員可通過全站二次回路連接可視化展示減少現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)查閱圖紙的工作量，助力變電站現(xiàn)場(chǎng)消缺和故障分析，從而進(jìn)一步保障電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

一、變電站二次回路數(shù)字化設(shè)計(jì)

二次回路數(shù)字化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于對(duì)現(xiàn)有電氣二次設(shè)計(jì)對(duì)象進(jìn)行數(shù)字化建模。目前電氣二次設(shè)計(jì)對(duì)象包含二次屏柜（繼電保護(hù)屏柜 、開關(guān)柜、匯控柜、端子箱等）及屏柜間電纜連接關(guān)系，其中二次屏柜內(nèi)包含相關(guān)的二次設(shè)備（繼電保護(hù)裝置）、端子排、空氣開關(guān)、轉(zhuǎn)換開關(guān)等設(shè)備。二次設(shè)計(jì)圖紙作為二次設(shè)備及其連接關(guān)系建模的基礎(chǔ)，當(dāng)設(shè)計(jì)圖紙中的二次設(shè)備端口信息、物料所屬分類、物理連接關(guān)系能夠以通用的文件格式導(dǎo)出時(shí)，通過建模軟件加載該文件便可將這些信息全部繼承，實(shí)現(xiàn)二次回路數(shù)字化設(shè)計(jì)。由于二次設(shè)備種類繁多，不同廠家供貨的屏柜及配套設(shè)備也不盡相同。在變電站設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行屏柜及屏柜內(nèi)部設(shè)備建模、物料回路建模時(shí)應(yīng)統(tǒng)一設(shè)計(jì)。

如圖1所示，基于XML格式，采用SDL語言，對(duì)二次設(shè)備板卡、端口等物理能力進(jìn)行建模形成二次設(shè)備設(shè)計(jì)模型（IDD）；對(duì)二次屏柜內(nèi)的設(shè)備配置、接線原理以及二次設(shè)備板卡、端口等物理能力進(jìn)行建模形成屏柜設(shè)計(jì)模型（CDD）；對(duì)各二次屏柜的CDD文件進(jìn)行整合，并導(dǎo)入屏柜間的電纜連接數(shù)字化文件形成描述變電站二次回路物理配置、連接拓?fù)潢P(guān)系的設(shè)計(jì)模型文件（SDD）。

圖1 基于XML格式的二次回路數(shù)字化設(shè)計(jì)

二、數(shù)字孿生二次系統(tǒng)建模

（一）二次設(shè)備設(shè)計(jì)建模

二次設(shè)備主要由一個(gè)或多個(gè)不同功能的板卡構(gòu)成，每塊板卡也包含一個(gè)或多個(gè)功能端口。因此二次設(shè)備設(shè)計(jì)模型文件（IDD）包含板卡元素（Board）、板卡端口元素（Port），以及端口屬性元素（PAI）。這樣具有板卡及端口屬性定義的二次設(shè)備便可以與屏柜進(jìn)行關(guān)聯(lián)，再賦以設(shè)備名稱、設(shè)備標(biāo)識(shí)、設(shè)備型號(hào)、設(shè)備制造商后便可變電站內(nèi)二次設(shè)備進(jìn)行唯一性對(duì)應(yīng)，具體如圖2所示。不同廠家的二次設(shè)備均可按照此方式形成包含裝置屬性的IDD模型文件。

圖2 IDD模型結(jié)構(gòu)圖

（二） 二次屏柜設(shè)計(jì)建模

相較于二次設(shè)備建模，二次屏柜的建模工作要復(fù)雜得多，因?yàn)槠凉駜?nèi)包含了多種不同類型的元器件物料、二次設(shè)備以及物理連接關(guān)系。元器件物料包含：端子排、空氣開關(guān)、轉(zhuǎn)換開關(guān)、壓板、復(fù)歸按鈕、打印機(jī)、繼電器、防雷器等。其中二次設(shè)備IDD模型文件如已完成可直接調(diào)用，無須重復(fù)建模。

在進(jìn)行元器件建模前，需要對(duì)各元器件物料進(jìn)行功能定義分類。分類的意義在于不同功能的元器件包含的屬性不一致，如采用統(tǒng)一的屬性定義，無法全面描述出單個(gè)物理實(shí)物的功能信息，與數(shù)字孿生的保真性相違背。

以端子排建模為例，依據(jù)二次回路功能分類，端子排可分為：直流（DC）、開入（KI）、開出（KO）、電壓（AV）、電流（AC）等屬性，端子排有了屬性分類后，可分別對(duì)每個(gè)端子進(jìn)行端口定義，如圖3所示。其余元器件建模類似，不再贅述。作為二次設(shè)備與元器件的物理傳輸媒介，物理連接關(guān)系建模需要體現(xiàn)線纜類型、起始點(diǎn)設(shè)備類型及端口、功能描述。有了具體屬性的二次設(shè)備、元器件物料以及物理連接關(guān)系便可描述出一個(gè)屏柜的完整信息，形成屏柜CDD模型文件。有了屏柜模型并輔以全站電纜連接表，描述全站的二次回路物理配置、連接拓?fù)潢P(guān)系的SDD模型文件也就隨之生成。

圖3 端子排建模示例

（三）二次回路設(shè)計(jì)可視化

利用SDD文件，屏柜內(nèi)二次設(shè)備與元器件間的物理連接，以及屏柜與屏柜間的二次電纜物理連接均可與實(shí)際二次回路形成映射關(guān)系。通過對(duì)單一二次設(shè)備或者屏柜間二次電纜編號(hào)查詢，利用SDD文件內(nèi)設(shè)備間邏輯關(guān)聯(lián)關(guān)系，可實(shí)現(xiàn)與之相匹配的二次全回路可視化展示，如圖4所示。

圖4 二次回路設(shè)計(jì)可視化

二次回路可視化展示了變電站內(nèi)各小室的屏柜間端子排電纜接線、屏柜內(nèi)部二次設(shè)備與各元器件接線原理，并按照“正向”信息流展示跨設(shè)備間連接信息，直觀展示出二次電纜編號(hào)。除此以外，也將屏柜內(nèi)二次設(shè)備的板卡、端口接線呈現(xiàn)了出來，最終展示出的效果與大眾認(rèn)知習(xí)慣相吻合。

至于光纖回路可視化展示，也是基于SDD文件中各設(shè)備端口間的光纜連接關(guān)系，同時(shí)還可以查看端口的收發(fā)定義以及光纜連接功能。

三、 數(shù)字化設(shè)計(jì)文件全生命周期管控

基于數(shù)字化設(shè)計(jì)成果移交文件SDD，通過二次回路數(shù)字化設(shè)計(jì)移交管控平臺(tái)，進(jìn)行工程化的全生命周期管控。管控平臺(tái)具備對(duì)SDD文件簽入簽出、模型校驗(yàn)、在線可視化等功能。

數(shù)字化平臺(tái)不僅保障了二次回路信息及相關(guān)資料的全生命周期管控，而且實(shí)現(xiàn)了操作記錄、工作記錄可追溯，減少了相關(guān)的重復(fù)工作，提升了變電站運(yùn)維人員的工作效率。

四、結(jié)語

通過數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)變電站二次回路全域信息建模，將邏輯形式存在的物理連接進(jìn)行可視化展示，可解決變電站運(yùn)維過程中對(duì)紙質(zhì)藍(lán)圖和廠家白圖的依賴，減少了手動(dòng)查圖的時(shí)間，提升了運(yùn)維效率。此外，數(shù)字化設(shè)計(jì)成果移交文件整合了全站二次設(shè)備及物理連接的功能分類、端口屬性、端子定義等多元化數(shù)據(jù)，建立了二次系統(tǒng)模型與物理實(shí)體間的邏輯對(duì)應(yīng)關(guān)系，統(tǒng)一了二次回路設(shè)計(jì)資料存檔格式，為數(shù)字電網(wǎng)建設(shè)賦能。