基于數(shù)字孿生技術(shù)的110 kV電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測方法

作者簡介：邢佳源（2000-），女。研究方向?yàn)橹悄茈娋W(wǎng)。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.15.037

摘? 要：為提升110 kV電力設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性，需要對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，該文根據(jù)數(shù)字孿生技術(shù)，以浙江金華110 kV亞體變?yōu)槔?，通過無線網(wǎng)絡(luò)、機(jī)器人等方式，對(duì)電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行收集，基于數(shù)字孿生技術(shù)，進(jìn)行數(shù)字信號(hào)模擬，將物理實(shí)體轉(zhuǎn)化成數(shù)字虛擬體，構(gòu)建電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)孿生模型，實(shí)現(xiàn)110 kV電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的檢測。傳統(tǒng)的電力設(shè)備監(jiān)測其監(jiān)測效率、監(jiān)測精度較低，通過數(shù)字孿生技術(shù)的支撐，構(gòu)建新的監(jiān)測模型，有效提升變電站電力設(shè)備的可靠性與安全性，以供參考。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生技術(shù)；電力設(shè)備；運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測；監(jiān)測方法；110 kV亞體變

中圖分類號(hào)：TM506? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2024）15-0163-04

Abstract： In order to improve the operation stability of 110 kV power equipment， it is necessary to monitor its running state. According to the digital twin technology， this paper takes the 110 kV subbody in Jinhua， Zhejiang Province as an example， collects the data and information of the running state of the power equipment by means of wireless network and robot， carries on the digital signal simulation based on the digital twin technology， and transforms the physical entity into digital virtual body. The twin model of running state of power equipment is constructed to realize the detection of running state of 110 kV power equipment. The traditional power equipment monitoring has low monitoring efficiency and accuracy. With the support of digital twin technology， a new monitoring model is constructed， which effectively improves the reliability and security of substation power equipment for reference.

Keywords： digital twin technology; power equipment; operation condition monitoring; monitoring method; 110 kV subtransformer

新時(shí)期下，我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，社會(huì)對(duì)電力的需求逐漸增大，電力系統(tǒng)規(guī)?？焖贁U(kuò)大， 對(duì)電力系統(tǒng)與設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)工作提出了新的要求。浙江金華110 kV亞體變是金華市亞運(yùn)會(huì)主會(huì)場重要支撐變電站之一，對(duì)供電可靠性要求極高，保電任務(wù)極重。圍繞亞體變構(gòu)建一套完整的數(shù)字孿生體系，對(duì)110 kV電力設(shè)備運(yùn)檢工作進(jìn)行全面提升，從多個(gè)角度為一線工作人員減負(fù)，已是現(xiàn)場迫在眉睫的需求。數(shù)字孿生技術(shù)作為近年來發(fā)展快速的技術(shù)，在變電站電力設(shè)備監(jiān)測中可發(fā)揮重要作用，保證變電站各電力設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。故而，本文依托于數(shù)字孿生技術(shù)，對(duì)110 kV電力設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測，以提升變電站運(yùn)行穩(wěn)定性。

1? 數(shù)字孿生技術(shù)概述

數(shù)字孿生技術(shù)能夠?qū)ΜF(xiàn)實(shí)物理目標(biāo)對(duì)象開展數(shù)字化建模，于計(jì)算機(jī)之中，創(chuàng)建一個(gè)與現(xiàn)實(shí)相同的“孿生體”。數(shù)字孿生技術(shù)中具備3個(gè)模塊，分別為人文、物理、數(shù)字，圖1能夠清晰地表明這3個(gè)模塊之間的關(guān)系[1]。

圖1? 數(shù)字孿生技術(shù)三模塊關(guān)系圖

圖1中，物理世界指的是現(xiàn)實(shí)世界，其中包括各類系統(tǒng)、物理對(duì)象等，變電站的物理模塊包含各類電氣、電子設(shè)備，通過各類機(jī)械電子電氣設(shè)備，共同構(gòu)成了變電站電力系統(tǒng)。數(shù)字模塊是針對(duì)物理模塊的仿真，形成與物理模塊對(duì)應(yīng)的模型。通過變電站的數(shù)字化呈現(xiàn)，能夠更快速、更方便地開展各項(xiàng)數(shù)據(jù)處理。人文模塊則是一個(gè)過程規(guī)范，能夠解決各類問題，針對(duì)110 kV的變電站電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測是數(shù)字孿生技術(shù)的重要顯現(xiàn)[2]。

變電站中電力設(shè)備監(jiān)測中，數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用水平極為重要。高質(zhì)量的數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)110 kV電力設(shè)備多方位、細(xì)致化的數(shù)值建模，對(duì)電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)反饋，并通過相關(guān)算法進(jìn)行智能分析，及時(shí)診斷相應(yīng)故障。通過數(shù)字孿生技術(shù)仿真模型構(gòu)建，可對(duì)變電站各設(shè)備系統(tǒng)進(jìn)行推算，預(yù)測電力系統(tǒng)未來變化趨勢，最大限度地減少電力系統(tǒng)消耗損失。通過云計(jì)算技術(shù)與數(shù)字孿生技術(shù)的融合應(yīng)用，搭建大數(shù)據(jù)平臺(tái)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，能夠?qū)崿F(xiàn)高效的數(shù)據(jù)管理與優(yōu)化，提升變電站可靠性與安全性。

2? 110 kV電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測架構(gòu)

變電站作為重要的數(shù)據(jù)傳輸環(huán)節(jié)，在能源需求逐漸擴(kuò)大的當(dāng)下，其對(duì)電力系統(tǒng)的重要性越發(fā)凸顯。變電站運(yùn)行中其電力設(shè)備難免出現(xiàn)各類故障，接觸不良、設(shè)備過載、磨損都是變電站電力系統(tǒng)中常見的問題，本文以浙江金華110 kV亞體變?yōu)槔?，針?duì)變電站電力設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測方法進(jìn)行研究。

2.1? 系統(tǒng)架構(gòu)與設(shè)備安排

浙江金華110 kV亞體變數(shù)字孿生系統(tǒng)中，其架構(gòu)如圖2所示，主要由綜合防誤、二區(qū)輔控、遠(yuǎn)程巡視三大系統(tǒng)模塊構(gòu)成。綜合防誤系統(tǒng)下轄微機(jī)防誤系統(tǒng)、智能防誤系統(tǒng)、二次防誤、檢修防誤、實(shí)時(shí)地線管理系統(tǒng)、工器具管理系統(tǒng)、智能鎖控系統(tǒng)、緊急解鎖管理和電子模擬圖板九大防誤模塊。二區(qū)輔控系統(tǒng)接入鎖控終端、動(dòng)環(huán)終端、無線匯聚三大終端，接入電子圍欄、風(fēng)機(jī)、空調(diào)、燈光、溫濕度和水浸水位等信息。遠(yuǎn)程智能巡視接入攝像機(jī)，申昊機(jī)器人等信息，并構(gòu)建3D場景，將綜合防誤和輔控信息映射至該模型中，實(shí)現(xiàn)信息可視化，控制立體化[3]。

電力系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測中，各類監(jiān)控終端完成電力設(shè)備在線監(jiān)測、風(fēng)機(jī)控制、燈光控制等輔助設(shè)備數(shù)據(jù)接入處理，采用DL/T860協(xié)議直接與綜合應(yīng)用主機(jī)交互數(shù)據(jù)；智能巡視系統(tǒng)部署在Ⅳ區(qū)，與Ⅱ區(qū)通過正反向隔離裝置隔開；巡視主機(jī)實(shí)現(xiàn)Ⅳ區(qū)無線匯聚采集信息和攝像機(jī)等前端數(shù)據(jù)的一并接入；分析主機(jī)承擔(dān)視頻、圖片信息的計(jì)算解析服務(wù)；無線匯聚實(shí)現(xiàn)水浸、溫濕度、水位、無線地線信息上送；硬盤錄像機(jī)實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)圖片、視頻信息上送[4]。

2.2? 系統(tǒng)架構(gòu)各層級(jí)作用

數(shù)字孿生技術(shù)下的電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)一般由感知層、數(shù)據(jù)層、運(yùn)算層、功能層和應(yīng)用層所組成。顧名思義，感知層負(fù)責(zé)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)電力設(shè)備的感知與測量；數(shù)據(jù)層對(duì)感知層所獲取的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析，之后通過運(yùn)算層對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行建模處理；功能層對(duì)故障進(jìn)行診斷并按設(shè)備關(guān)系需求提供各類服務(wù)；最后的應(yīng)用層是在可視化處理階段實(shí)現(xiàn)監(jiān)控的實(shí)時(shí)性與優(yōu)化處理。通過數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行數(shù)字化、虛擬化建模，實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備運(yùn)行場景的二次搭建，幫助工作人員更全面地監(jiān)測電力設(shè)備運(yùn)行。

3? 110 kV電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)獲取與處理

3.1? 110 kV電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)信息獲取

根據(jù)上述電力設(shè)備監(jiān)測架構(gòu)，通過相關(guān)技術(shù)對(duì)電力運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行獲取，包括設(shè)備所處環(huán)境、溫度、電壓等數(shù)據(jù)，采用機(jī)器人、攝相機(jī)、卡片機(jī)等方式聯(lián)合采集110 kV電力設(shè)備數(shù)據(jù)——包括可見光視頻及圖像、紅外圖譜、音頻等，根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定數(shù)據(jù)采集要求和覆蓋面[5]。

在變電站電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中，支持采集SF6壓力表、開關(guān)動(dòng)作次數(shù)計(jì)數(shù)器、避雷器泄漏電流表（包括避雷器動(dòng)作次數(shù)）、油溫表、繞組溫度表、液壓表、有載調(diào)壓檔位表、各類油位計(jì)和設(shè)備室內(nèi)溫濕度表等表計(jì)示數(shù)。支持采集斷路器、隔離開關(guān)、接地刀閘（開關(guān)）等一次設(shè)備及切換把手、壓板、指示燈、空開等二次設(shè)備的位置狀態(tài)指示。支持采集環(huán)境、建筑、設(shè)備設(shè)施的外觀等狀況。支持人員聚集檢測并統(tǒng)計(jì)人員數(shù)量，當(dāng)檢測區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)人員聚集時(shí)，輸出告警。支持采集設(shè)備本體、接頭、套管和引線等重點(diǎn)部位的紅外圖譜數(shù)據(jù)，紅外熱成像攝像機(jī)支持框測溫、點(diǎn)測溫和全局測溫，實(shí)時(shí)檢測分析，具備溫差報(bào)警功能，在同一預(yù)置位下通過前后抓圖對(duì)比判斷全屏溫度，智能分析在該預(yù)置位下任意一點(diǎn)是否發(fā)生溫度突變，發(fā)現(xiàn)突變則發(fā)出告警。

在設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測中，需要對(duì)電子設(shè)備所處的環(huán)境進(jìn)行信息數(shù)據(jù)獲取，基于數(shù)字孿生技術(shù)的設(shè)備監(jiān)測支持通過微氣象設(shè)備采集大氣溫度、大氣濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、雨量和氣壓等微氣象數(shù)據(jù)。如圖3所示。

采集視頻攝像機(jī)、硬盤錄像機(jī)的工況信息，包括設(shè)備在線狀態(tài)等；支持采集機(jī)器人的運(yùn)行、任務(wù)執(zhí)行、工作狀態(tài)和異常告警等信息，包括電池電量、位置、任務(wù)進(jìn)度、故障和驅(qū)動(dòng)異常信息等，如圖4所示。

3.2? 110 kV電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)信息處理

數(shù)據(jù)信息要在采集后進(jìn)行預(yù)處理，以保證數(shù)據(jù)能夠正確解析。因此首先要保證數(shù)據(jù)完整性，通過DL/T860協(xié)議能夠有效保證數(shù)據(jù)的完整性，避免數(shù)據(jù)錯(cuò)亂、丟失等情況發(fā)生，將數(shù)據(jù)構(gòu)建成一個(gè)數(shù)據(jù)單元，并以數(shù)據(jù)單元的形式展開。通過各類模型，保證采集后數(shù)據(jù)的高水平傳輸。在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)上，綜合應(yīng)用主機(jī)實(shí)現(xiàn)Ⅱ區(qū)輔助設(shè)備數(shù)據(jù)接入、運(yùn)行監(jiān)視、存儲(chǔ)管理等功能。

經(jīng)過設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)據(jù)采集，需對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，本監(jiān)測方法可實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備與相關(guān)環(huán)境進(jìn)行智能分析，分析方式包括現(xiàn)場缺陷圖像識(shí)別、異常圖像判別、視頻識(shí)別（靜默監(jiān)視）、紅外圖譜分析，以及變壓器、電抗器、電壓互感器、電流互感器和開關(guān)柜等設(shè)備聲紋分析。支持巡視數(shù)據(jù)對(duì)比分析、歷史曲線生成等功能，同時(shí)生成分析報(bào)告。支持按時(shí)間段、設(shè)備區(qū)域、設(shè)備類型、識(shí)別類型、表計(jì)類型選擇及設(shè)備樹模糊篩選等組合條件查詢功能，查詢條件可多選。異常越限告警：通過設(shè)置SF6壓力表、避雷器泄漏電流表、油溫表、液壓表、有載調(diào)壓檔位表和油位計(jì)等表計(jì)示數(shù)告警閾值，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行異常情況。數(shù)據(jù)趨勢分析：對(duì)SF6壓力表、避雷器泄漏電流表、油溫表、液壓表、有載調(diào)壓檔位表和油位計(jì)等表計(jì)示數(shù)具備趨勢分析能力，可設(shè)置分析1個(gè)月內(nèi)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的采集頻率、變化趨勢、波動(dòng)范圍等信息，對(duì)表記示數(shù)波動(dòng)較大、變化率明顯增大情況進(jìn)行告警[6]。

根據(jù)系統(tǒng)與工作人員需要，對(duì)電力設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，將其組成數(shù)據(jù)殘?jiān)?，添加到?shù)據(jù)庫之中，根據(jù)數(shù)據(jù)庫中的單元部分，上傳至云平臺(tái)，在需要數(shù)據(jù)期間，從數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)單元中，將其提取至瀏覽器端口。在采集變電站電力設(shè)備狀態(tài)信息過程中，容易受到外界各類因素影響，設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)中一部分信息噪聲較大，這就需要根據(jù)實(shí)際情況與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行剔除，對(duì)原始采集的信號(hào)進(jìn)行集合，并開展經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解，取得幾階基本模態(tài)分量信息，之后通過閾值分辨分量中的噪聲部分，對(duì)噪聲信息進(jìn)行濾波剔除，公式（1）能夠進(jìn)行這一過程的標(biāo)示

y=■ei（n），? ? ?（1）

式中：y代表著噪聲信息數(shù)據(jù)剔除后的電力設(shè)備狀態(tài)信號(hào)；i為基本模式分量數(shù)；ei則為閾值區(qū)分后的基本模式分量；n為基本模式分量的長度。通過對(duì)信號(hào)的區(qū)分篩選，最終獲取無噪聲等因素干擾的電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)。

4? 基于數(shù)字孿生技術(shù)的110 kV電力設(shè)備數(shù)字孿生體構(gòu)建

4.1? 物理實(shí)體與數(shù)字模擬體的映射

通過數(shù)字孿生技術(shù)，可將采集到的設(shè)備運(yùn)行信息進(jìn)行虛實(shí)映射，構(gòu)建電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的孿生模型。在孿生虛擬模型構(gòu)建之前，需要對(duì)變電站電力設(shè)備實(shí)體模型進(jìn)行集合模擬，明確設(shè)備規(guī)格（長、寬、高等數(shù)值），將屬性值添加至集合模型，建立數(shù)據(jù)接口，搭建數(shù)據(jù)信號(hào)孿生模型關(guān)聯(lián)，在模型之中體現(xiàn)電力設(shè)備運(yùn)行，并構(gòu)建“條件、狀態(tài)、事件”的電力設(shè)備運(yùn)行數(shù)字模型。在模型構(gòu)建中，需要進(jìn)行場景創(chuàng)造，構(gòu)建三維空間，保存模型對(duì)象等，在場景內(nèi)進(jìn)行元素添加，提升場景模型的真實(shí)感。

因電力系統(tǒng)中電力設(shè)備的零件之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，故需要在模型構(gòu)建前，對(duì)電力設(shè)備零件運(yùn)動(dòng)關(guān)系進(jìn)行分析，之后根據(jù)不同的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，將其進(jìn)行裝配分解，最后根據(jù)零件不同的位置進(jìn)行場景模擬裝配，最終構(gòu)成還原程度較高的模型。在模型數(shù)字化裝配的過程中，需明確子節(jié)點(diǎn)零件的位置，這一位置為其父節(jié)點(diǎn)零件的相對(duì)位置，從而實(shí)現(xiàn)裝配過程的初始化，從葉枝節(jié)點(diǎn)，按照順序進(jìn)行零部件裝配，裝配至根部節(jié)點(diǎn)，完成整個(gè)裝配[7]。

4.2? 物理實(shí)體與數(shù)字模擬體運(yùn)行狀態(tài)映射

針對(duì)電力設(shè)備物理實(shí)體進(jìn)行數(shù)字化虛擬體構(gòu)建的重點(diǎn)便是進(jìn)行物理實(shí)體與數(shù)字虛擬體運(yùn)行狀態(tài)的映射構(gòu)建，本文所采用的算法，需要從采集上傳到云平臺(tái)的數(shù)據(jù)中進(jìn)行獲取，這些數(shù)據(jù)是對(duì)電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、工況、傳感器進(jìn)行監(jiān)測的數(shù)據(jù)集，之后通過相關(guān)算法，利用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型，進(jìn)行數(shù)據(jù)區(qū)別及分發(fā)，對(duì)組件內(nèi)容進(jìn)行更新，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化虛擬體的映射，構(gòu)建監(jiān)測模型。本系統(tǒng)從云儲(chǔ)存平臺(tái)獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，如將數(shù)據(jù)直接與視圖連接，將會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)復(fù)雜度提升，降低系統(tǒng)的可拓展性，針對(duì)此現(xiàn)象，需要在數(shù)據(jù)與顯示視圖之間構(gòu)建中介層，以達(dá)到降低系統(tǒng)復(fù)雜性、提升系統(tǒng)拓展性的目的。

5? 結(jié)論

電力系統(tǒng)的平穩(wěn)可靠是當(dāng)下電力行業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，電力設(shè)備作為電力系統(tǒng)中的基礎(chǔ)，傳統(tǒng)監(jiān)測方式存在一定的不足，故而本文通過數(shù)字孿生技術(shù)，對(duì)110 kV電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，將電力設(shè)備物理實(shí)體進(jìn)行數(shù)字化虛擬體構(gòu)建，提升了電力設(shè)備可靠性、安全性、運(yùn)行效率與監(jiān)測精度。

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