基于數(shù)字孿生的變電站故障在線監(jiān)測系統(tǒng)研究

孫 婷， 薛晴予

（國網(wǎng)河南省電力公司虞城縣供電公司， 河南 商丘 476300）

0 引言

隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，變電站的規(guī)模與復(fù)雜程度也不斷提高，對變電站運(yùn)行的安全性、可靠性要求也越來越高[1]。然而，在變電站的運(yùn)行過程中，故障的發(fā)生是不可避免的。目前，變電站的監(jiān)測主要依賴于人力巡檢，但人工在處理大量的數(shù)據(jù)時，可能會出現(xiàn)疏漏，不能及時發(fā)現(xiàn)并處理故障，從而給變電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來隱患[2]。另外，雖然變電站在建設(shè)的過程中已經(jīng)采用了一些常用的監(jiān)測手段，如跳線測溫、超聲波檢測等，但這些手段往往只能針對單一的故障情況進(jìn)行監(jiān)測，而無法全面覆蓋變電站所有可能的故障情況，變電站故障監(jiān)測工作面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[3]。

數(shù)字孿生技術(shù)是一種近年來迅速發(fā)展的技術(shù)，其基本原理是將現(xiàn)實(shí)世界中的物理對象、系統(tǒng)或進(jìn)程進(jìn)行數(shù)字化建模，并創(chuàng)建一個與之完全對應(yīng)的“數(shù)字孿生”存儲在計算機(jī)系統(tǒng)中[4]。數(shù)字孿生技術(shù)可以通過建模和仿真的方式對復(fù)雜的系統(tǒng)進(jìn)行分析和預(yù)測，在保證安全性的同時，提高變電站的生產(chǎn)效率，提供更快、更準(zhǔn)確的檢測結(jié)果和決策支持。在變電站故障監(jiān)測中，數(shù)字孿生技術(shù)可以通過對整個變電站的數(shù)據(jù)進(jìn)行建模和仿真的方式來模擬變電站的運(yùn)行環(huán)境，從而更好地識別和分析變電站中的故障情況[5]。數(shù)字孿生技術(shù)的一大優(yōu)勢在于更加高效的數(shù)據(jù)處理能力，可以對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行高質(zhì)量的預(yù)測和決策，確保變電站運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。

1 數(shù)字孿生技術(shù)概述

數(shù)字孿生技術(shù)通過將現(xiàn)實(shí)世界中的物理對象、系統(tǒng)或進(jìn)程進(jìn)行數(shù)字化建模，并在計算機(jī)系統(tǒng)中創(chuàng)建一個與之完全對應(yīng)的“數(shù)字孿生”來實(shí)現(xiàn)。數(shù)字孿生技術(shù)的實(shí)現(xiàn)主要依賴于三個要素：物理世界、數(shù)字世界和人文世界，如圖1 所示。物理世界是實(shí)際存在的世界，包含著各種物理對象、系統(tǒng)或進(jìn)程。在變電站內(nèi)，包含著各種電氣、機(jī)械和電子等設(shè)備，而這些設(shè)備又構(gòu)成了一個復(fù)雜的電力系統(tǒng)。數(shù)字世界是通過對物理世界進(jìn)行建模和仿真，生成的與物理世界完全對應(yīng)的數(shù)字化模型。將變電站以數(shù)字信息化的形式呈現(xiàn)，可以方便、快捷地對變電站進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并可以在數(shù)字孿生系統(tǒng)中進(jìn)行模擬和優(yōu)化。人文世界是數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用場景，即人類為了解決實(shí)際問題而利用數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的過程。變電站故障在線監(jiān)測系統(tǒng)就是數(shù)字孿生技術(shù)在電力行業(yè)中的一個重要應(yīng)用場景。

圖1 數(shù)字孿生技術(shù)的三個要素

數(shù)字孿生技術(shù)在變電站故障在線監(jiān)測中有著重要的應(yīng)用價值。首先，數(shù)字孿生技術(shù)可以對變電站內(nèi)的設(shè)備、系統(tǒng)進(jìn)行全方位、細(xì)致化、精確定位建模，精確地反映出不同設(shè)備的性能狀態(tài)、工作參數(shù)以及相互關(guān)系等信息。其次，數(shù)字孿生技術(shù)可以通過智能分析算法實(shí)現(xiàn)故障預(yù)警和診斷。例如，數(shù)字孿生模型可以利用單個設(shè)備或系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和歷史趨勢，推斷出整個系統(tǒng)的變化趨勢，對故障進(jìn)行有效處理，減少損失。同時，數(shù)字孿生技術(shù)可以與云計算等技術(shù)相結(jié)合，共同構(gòu)建大數(shù)據(jù)分析平臺，實(shí)現(xiàn)離線、實(shí)時的數(shù)據(jù)處理和運(yùn)營管理，提升變電站的安全性和可靠性。

2 基于數(shù)字孿生的變電站故障在線監(jiān)測系統(tǒng)

隨著能源需求的增長，變電站作為能源傳輸與配電的重要環(huán)節(jié)，已經(jīng)成為電力系統(tǒng)的重要組成部分。然而，變電站在運(yùn)行過程中難免會出現(xiàn)各種故障，如設(shè)備磨損、電氣接觸不良以及系統(tǒng)過載等，將導(dǎo)致設(shè)備故障、能源供應(yīng)中斷甚至發(fā)生安全事故。通過變電站故障在線監(jiān)測系統(tǒng)，可以及時發(fā)現(xiàn)和準(zhǔn)確判斷變電站存在的故障。本文提出了一種基于數(shù)字孿生的變電站故障在線監(jiān)測系統(tǒng)，由感知層、數(shù)據(jù)層、運(yùn)算層、功能層和應(yīng)用層組成，其架構(gòu)如圖2 所示。其中，感知層通過物聯(lián)網(wǎng)對基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行測量感知；數(shù)據(jù)層對感知數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總和處理，產(chǎn)生歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時數(shù)據(jù)；運(yùn)算層通過數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建基于數(shù)字孿生模型的工程模型和物理模型；功能層針對工業(yè)控制、故障診斷、運(yùn)維管理等需求，提供相應(yīng)的功能服務(wù)；應(yīng)用層對運(yùn)算和功能層提供的結(jié)果進(jìn)行可視化處理，提供實(shí)時監(jiān)測和過程優(yōu)化建議。

2.1 感知層

感知層是以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，通過傳感器等設(shè)備收集變電站的運(yùn)行數(shù)據(jù)。變電站是長期運(yùn)行的設(shè)備，因其所處的環(huán)境復(fù)雜，需要在感知層大規(guī)模安裝和部署傳感器，監(jiān)測變電站的溫度、電量和電流等指標(biāo)，并將數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸至數(shù)據(jù)層。

2.2 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層是負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理和分析的層。傳感器所采集的數(shù)據(jù)需要經(jīng)過處理和篩選后，才能進(jìn)行下一步的分析和應(yīng)用。數(shù)據(jù)層采用大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、加工、融合和分析。此外，數(shù)據(jù)層還需對數(shù)據(jù)進(jìn)行歸檔存儲和備份，以便后續(xù)進(jìn)行挖掘分析。

2.3 運(yùn)算層

運(yùn)算層是數(shù)字孿生技術(shù)在變電站故障在線監(jiān)測系統(tǒng)中的核心，將感知層采集到的數(shù)據(jù)，結(jié)合數(shù)據(jù)層的分析結(jié)果與設(shè)備的物理實(shí)體，形成一個真實(shí)的數(shù)字孿生體。運(yùn)算層可以生成實(shí)時預(yù)測、仿真模型、維修指導(dǎo)和調(diào)度方案等視覺化圖形，并可以輔助工作人員進(jìn)行決策和行動。

2.4 功能層

功能層是為運(yùn)算層提供支持的層，主要有三個方面的功能：建立數(shù)字孿生體、實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生數(shù)據(jù)的持續(xù)同步更新以及對數(shù)字孿生數(shù)據(jù)的訪問和控制。功能層可以將數(shù)字孿生處理的結(jié)果和應(yīng)用傳遞到應(yīng)用層。

2.5 應(yīng)用層

應(yīng)用層是數(shù)字孿生技術(shù)在變電站故障在線監(jiān)測系統(tǒng)中的最終呈現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生的信息可視化，提供設(shè)備狀態(tài)、異常預(yù)警和設(shè)備分析等多個應(yīng)用場景。例如：變電站的維護(hù)和管理、調(diào)度拓?fù)?、電網(wǎng)管理以及設(shè)備管理等。

2.6 變電站故障在線監(jiān)測工作實(shí)際

2.6.1 基礎(chǔ)設(shè)施信息采集

變電站在線監(jiān)測系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施信息采集需要建立寬帶數(shù)據(jù)接入媒介，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時獲取和交換。采集平臺包括大量的自感互感器、雷擊感應(yīng)器、氣象站、地感盤、接地樁和模擬電壓采樣器等設(shè)備，能夠同時監(jiān)測每個變電站的各項指數(shù)。

2.6.2 基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)匯總與處理

變電站在線監(jiān)測系統(tǒng)需要對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理。數(shù)據(jù)處理方案通過眾多處理算法的方法，可以實(shí)現(xiàn)篩選、壓縮、缺失統(tǒng)計和校準(zhǔn)等操作，并能將處理完成的數(shù)據(jù)上傳至云平臺，存檔備份、進(jìn)行數(shù)據(jù)分析以及后期的深度挖掘。

2.6.3 預(yù)測診斷

預(yù)測診斷可以對一段時間內(nèi)的設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，預(yù)測設(shè)備下一階段可能出現(xiàn)的故障類型。如：如果磁芯變壓器過渡電感值縮小了50%，渦流損耗就變得很大。如果溫度突然升高，則可能出現(xiàn)設(shè)備故障。此時，數(shù)字孿生技術(shù)就可以通過模擬實(shí)驗數(shù)據(jù)來進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)判，更好地指導(dǎo)維修決策。

2.6.4 設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測

設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測是變電站故障在線監(jiān)測系統(tǒng)中非常重要的一個環(huán)節(jié)。數(shù)字孿生技術(shù)通過對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，檢測設(shè)備是否正常運(yùn)行。例如，變壓器主變油溫高，會導(dǎo)致繞組過熱等問題，繼而影響設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)。這時，數(shù)字孿生技術(shù)可以根據(jù)多個維度的數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)診斷和預(yù)測，幫助工程人員及時采取對應(yīng)措施以避免出現(xiàn)故障。

3 變電站故障處理流程

隨著電力系統(tǒng)規(guī)模不斷擴(kuò)大和運(yùn)行環(huán)境的復(fù)雜化，變電站故障的智能化處理顯得愈發(fā)重要。傳統(tǒng)的變電站故障監(jiān)測方法存在檢測精度低、監(jiān)測范圍窄以及手動巡檢效率低等問題，難以滿足變電站的實(shí)時處理需求。為此，本文提供了基于數(shù)據(jù)驅(qū)動和基于知識庫兩種變電站故障處理流程。

3.1 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的變電站故障處理流程

基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的變電站故障處理流程通過構(gòu)建監(jiān)測數(shù)據(jù)分析模型，對歷史故障數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)和挖掘，從而尋找數(shù)據(jù)中的規(guī)律性和特性，進(jìn)而對未來可能出現(xiàn)的故障進(jìn)行預(yù)測和預(yù)警，實(shí)現(xiàn)對變電站故障的智能化處理。相比傳統(tǒng)的故障監(jiān)測方法，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的故障處理流程可以充分利用歷史故障數(shù)據(jù)，挖掘數(shù)據(jù)潛在的規(guī)律和特性，大大提高了故障檢測的精度和效率，降低了故障處理的成本，其具體流程如圖3 所示。

圖3 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的變電站故障處理流程

基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的變電站故障處理流程能夠有效檢測設(shè)備的運(yùn)行狀況，通過自動、智能化的分析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對前期預(yù)判、中期預(yù)警和后期分析等多個層次的故障處理。該流程具備準(zhǔn)確性高、處理效率高和可靠性高等特點(diǎn)，能夠為電力行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供重要的技術(shù)支持。

3.2 基于知識庫的變電站故障處理流程

基于知識庫的變電站故障處理流程則通過數(shù)字孿生技術(shù)、專家經(jīng)驗和領(lǐng)域知識相結(jié)合的方式，構(gòu)建了一個多維度且動態(tài)更新的知識庫。針對不同的變電站故障，能夠快速提供可信、實(shí)用且具有可重用性的故障解決方案?；谥R庫的變電站故障處理流程，一方面可以提高故障處理的速度和準(zhǔn)確度，另一方面，也為變電站運(yùn)行管理者提供了在未經(jīng)歷過類似故障的情況下，快速、準(zhǔn)確解決故障的可能。其具體流程如圖4 所示。

圖4 基于知識庫的變電站故障處理流程

基于知識庫的變電站故障處理流程具有自動化、智能化、高效性和精準(zhǔn)度高等特點(diǎn)。數(shù)據(jù)處理技術(shù)和知識庫技術(shù)的結(jié)合，能夠極大地提升故障處理的效率和準(zhǔn)確性，同時也可為電力行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供有力的支持。

4 結(jié)語

隨著電力工業(yè)的高速發(fā)展和電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，變電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行已成為電力系統(tǒng)的關(guān)鍵問題之一。如何能夠及時發(fā)現(xiàn)和預(yù)防變電站故障，成為了電網(wǎng)管理人員和研究者們關(guān)注的重點(diǎn)。本文圍繞變電站監(jiān)測的問題，提出了一款基于數(shù)字孿生的變電站故障在線監(jiān)測系統(tǒng)，其系統(tǒng)架構(gòu)有五層，包括感知層、數(shù)據(jù)層、運(yùn)算層、功能層和應(yīng)用層，該系統(tǒng)具有實(shí)時監(jiān)測、自動預(yù)警和自動處理等多種功能，可以準(zhǔn)確地監(jiān)測和診斷變電站的故障情況，并且能夠在最短時間內(nèi)給出解決方案。在監(jiān)測的基礎(chǔ)上，本文提出了基于數(shù)據(jù)驅(qū)動和基于知識庫的兩種故障處理流程，能夠更加可靠有效地處理各種故障。通過引入數(shù)據(jù)驅(qū)動的流程和知識庫的流程，系統(tǒng)治理效果更加卓越，操作效率更高。