2023數(shù)字孿生技術(shù)在輸變電設(shè)備中的關(guān)鍵技術(shù)

數(shù)字孿生技術(shù)在輸變電設(shè)備中的應(yīng)用前景與關(guān)鍵技術(shù)引言勢對于輸變電設(shè)備的安全穩(wěn)定運行十分重要[1]。作，ABB[2]、西門子等公司已開發(fā)了一系列前瞻性基

在上述背景下，數(shù)字孿生(digitaltwin，DT)技2003年由美國邁克爾·格里夫教授提出，其將數(shù)字孿生定義為物3部分。隨后，其被應(yīng)用于航空航天、智能汽車、飛行器設(shè)[9]討論了基于數(shù)字孿生的飛行器壽命預(yù)測與維護(hù)決策；文獻(xiàn)[10]基于數(shù)字孿生技術(shù)對智能汽車行業(yè)的車輛需求量進(jìn)行了有效地預(yù)測；文獻(xiàn)[11]提出了數(shù)字孿生車道的概念，推動了自動駕駛車輛的智能化發(fā)展；文獻(xiàn)[12]提出了一種基于相似性的深度學(xué)習(xí)時間序列預(yù)測方法來實現(xiàn)遙測數(shù)據(jù)的恢復(fù)，進(jìn)而保證衛(wèi)星數(shù)字孿生模型數(shù)據(jù)來源的可靠性等。對于數(shù)字孿生技術(shù)在電力行業(yè)的應(yīng)用，國內(nèi)外學(xué)者也進(jìn)行了探索研究，文獻(xiàn)[13]分析了數(shù)字孿生技術(shù)在輸變電設(shè)備狀態(tài)評估中的應(yīng)用現(xiàn)狀，并對其發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望；文獻(xiàn)[14]GIS筒體關(guān)鍵部件溫變行為進(jìn)行了仿真研究；文獻(xiàn)[15]設(shè)計了可從低壓側(cè)實時監(jiān)測中壓側(cè)電壓波形的配電變壓器數(shù)字孿生電路等。為使數(shù)字孿生技術(shù)快速落地應(yīng)用，不少公司也進(jìn)行了相關(guān)的研究，如美國參數(shù)技術(shù)公司(ParametricCorporation，PTC)[16]建立了平臺，可以將傳感器實測的數(shù)據(jù)與軟件ANSYS連接，并建立相應(yīng)的數(shù)字孿生體展示；通用電氣研究院[16]Predix，基于大[16]構(gòu)建并基于預(yù)測優(yōu)化結(jié)果干預(yù)實體的運行，達(dá)到對輸變電裝備全生命周期監(jiān)測與控制的目的。鑒于此，本文從輸變電設(shè)備的智能化需求出面向輸變電設(shè)備的數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)數(shù)字孿生是當(dāng)前業(yè)界較為關(guān)注的一種數(shù)字化發(fā)展技術(shù)，當(dāng)前普遍認(rèn)為其是綜合運用物理感知、數(shù)值計算、模擬仿真等信息技術(shù)，通過建立與物理并借助數(shù)據(jù)分析、建模等技術(shù)完成對物理實體的監(jiān)測、診斷、預(yù)測等，進(jìn)而通過物理實體與虛擬體之間的交互映射，實現(xiàn)對物理實體行為的優(yōu)化調(diào)控，具有可擴展性、保真性、可操作性等特點。模型是數(shù)字孿生發(fā)展的理論基礎(chǔ)，在其落地應(yīng)用中具有指導(dǎo)意義。不少專家對數(shù)字孿生的理論模型進(jìn)行了積13維模型[18]包括真實空間、虛擬空間及其之間的連接，5維模型3維模型的基礎(chǔ)上，增加了孿生數(shù)據(jù)與服務(wù)個維度，豐富了數(shù)字孿生的理論內(nèi)容，受到了業(yè)5維模型變電設(shè)備數(shù)字孿生系統(tǒng)的應(yīng)用架構(gòu)。輸變電設(shè)備數(shù)字孿生內(nèi)涵及特征

圖1數(shù)字孿生模型Fig.1Digitaltwinmodel型、經(jīng)驗、數(shù)據(jù)等進(jìn)行有效存儲并能實現(xiàn)復(fù)用，并需對輸變電設(shè)備制造加工流程進(jìn)行數(shù)字化規(guī)劃與監(jiān)測，設(shè)備出廠檢驗需采取虛實結(jié)合的手段，對其整個過程可實現(xiàn)復(fù)現(xiàn)與溯源；交付階段，需將輸變電設(shè)備實體與虛擬體均進(jìn)行交付；運維階段，需實現(xiàn)對輸變電設(shè)備運行狀態(tài)的全面感知、實時監(jiān)測、準(zhǔn)確評估、精準(zhǔn)預(yù)測、智能控制，提高其運維效率；報廢階段，結(jié)合實際運行研究輸變電設(shè)備的使用壽命，對其做出合理的報廢和回收決策。綜上所述，輸變電設(shè)備全生命周期中各階段的需求實際上是對輸變電設(shè)備數(shù)字化跟智能化發(fā)展的需求。數(shù)字孿生技術(shù)的出現(xiàn)為輸變電設(shè)備的智能化跟數(shù)字化發(fā)展提供了新的路徑。隨著我國堅強智能電網(wǎng)的建設(shè)，輸變電裝備行業(yè)在數(shù)據(jù)標(biāo)識[22]、狀態(tài)感知[23-24]、信息通訊[25]、狀態(tài)診斷[26-27]等方面均取得重大突破，為構(gòu)建輸變電設(shè)備數(shù)字孿生提供了有利的數(shù)據(jù)來源和通訊支撐。輸變電設(shè)備數(shù)字孿生應(yīng)滿足可監(jiān)測、模擬、計算和控制輸變電設(shè)備全生命周期各個階段過程和狀態(tài)的要求，其本質(zhì)是數(shù)據(jù)閉環(huán)賦能體系，其通過數(shù)據(jù)標(biāo)決策精準(zhǔn)執(zhí)行，實現(xiàn)輸變電設(shè)備在設(shè)計制造、運行維護(hù)等過程中的準(zhǔn)確模擬、監(jiān)測、診斷、預(yù)測和控制，用以解決輸變電設(shè)備在設(shè)計、制造、交付、運通過虛擬體與物理體信息的實時交互，使得二者之間能及時掌握雙方的變化并做出快速響應(yīng)，從而提高了輸變電設(shè)備全生命周期管理的效率。輸變電設(shè)備數(shù)字孿生是以能源互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字孿生[28]提機理驅(qū)動的仿真計算、數(shù)據(jù)驅(qū)動的智能分析及共享5個階段。首先，基于數(shù)字標(biāo)識、智能感知、全景建模等技術(shù)，在數(shù)字空間構(gòu)建與物理實體相匹配的虛擬體，完成數(shù)化任務(wù)，接著通過感知交互，之后利用動態(tài)模擬、實時診斷等方法精準(zhǔn)掌握物理體的真實運行狀態(tài)，隨著感知數(shù)據(jù)的不斷豐富，對物理體的模擬也不斷精準(zhǔn)，從而達(dá)到先知、先覺狀態(tài)，再通過知識庫自學(xué)習(xí)、智能控制等可實現(xiàn)虛擬體對物理體的控制，最后孿生體可達(dá)到共智階段，共享信息共同進(jìn)化，從而完成輸變電裝備數(shù)字孿生的構(gòu)建。

建立相對應(yīng)的虛擬體，并在數(shù)字孿生平臺上以軟件的方式模擬輸變電設(shè)備全生命周期的動態(tài)行為，通過云邊協(xié)同計算，監(jiān)測并智能控制輸變電設(shè)備實體輸變電設(shè)備數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)本文在能源互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字孿生理論模型的基礎(chǔ)上，從輸變電設(shè)備數(shù)字孿生的構(gòu)建過程出發(fā)，結(jié)合輸變電設(shè)備的實際應(yīng)用需求，提出輸變電設(shè)備數(shù)字孿生構(gòu)建的系統(tǒng)架構(gòu)，如圖2所示。輸變電設(shè)備數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)是所提出的數(shù)字孿生構(gòu)建過程的實施路徑，是結(jié)合當(dāng)前智能電網(wǎng)架構(gòu)提出的數(shù)字孿生管理框架。5層。其中物理層包含輸變電設(shè)備設(shè)計、制造、交付、運維及報廢回收等全生命周期所涉及的物理實體，其包括機器、人員、環(huán)境、材料等，是數(shù)字孿生的實現(xiàn)基礎(chǔ)。輸變電裝備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使得其在設(shè)計、制造、運維等過程中的環(huán)境跟狀態(tài)無法在物理空間被準(zhǔn)確分析，因此在感知層需基于先進(jìn)傳感裝置監(jiān)測輸變電設(shè)備在其全生命周期中的狀態(tài)及其參量，從而在虛擬空間中融合裝備的設(shè)計參數(shù)、制造過程參量、在線監(jiān)測數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)，并采用仿真建模、大數(shù)據(jù)計算等對輸變電設(shè)備生命周期的各個階段進(jìn)行研究分析。傳輸層的功能是為其他層級提供數(shù)據(jù)支撐服務(wù)，感知層采集到的物理實體數(shù)據(jù)通過傳輸層實時傳遞給虛擬層，虛擬層的管理控制指令也可通過傳輸層傳遞給物理層，用以實現(xiàn)物理層跟虛擬層之間的實時交互。虛擬層指的是與物理層中物理實體相對應(yīng)的虛擬體集合。虛擬層包含數(shù)字化建模、仿真計算、大數(shù)據(jù)分析等功能，該層是基于感知數(shù)據(jù)圖2輸變電設(shè)備數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2Digitaltwinsystemarchitectureforpowertransmissionandtransformationequipment結(jié)合數(shù)字孿生構(gòu)建過程，基于輸變電設(shè)備數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)，給出運維服務(wù)中變壓器數(shù)字孿生體的實現(xiàn)構(gòu)想，為輸變電設(shè)備數(shù)字孿生的實現(xiàn)提供可行的思路。變壓器數(shù)字孿生體的實現(xiàn)包括數(shù)字建模、虛實互動、機理驅(qū)動的仿真計算、數(shù)據(jù)驅(qū)動的智能分53。12階段是[29-30][31]等實現(xiàn)3階段是變壓器的仿真計算，該階段基于已

圖3變壓器智能運維數(shù)字孿生體實現(xiàn)架構(gòu)Fig.3Digitaltwinarchitectureforintelligentoperationandmaintenanceoftransformer知的物理學(xué)規(guī)律對變壓器的運行狀態(tài)進(jìn)行模擬計4階段是變壓器數(shù)據(jù)智能分析，該階段基于感知數(shù)據(jù)及仿真數(shù)據(jù)，采用人工智能等方法對變壓器當(dāng)前及未來的運行狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確評估，實現(xiàn)對變壓器5階段為共享智慧階段，該階段通過人機交互、不同變壓器數(shù)字孿生體之間的數(shù)據(jù)共享從而實現(xiàn)變壓器的智能監(jiān)控、檢修，最終完成變壓器運維數(shù)字孿生體的構(gòu)建。輸變電設(shè)備數(shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù)[32-33]，本章從輸變電設(shè)及的關(guān)鍵技術(shù)。數(shù)字化建模階段數(shù)字化建模是實現(xiàn)輸變電設(shè)備數(shù)字孿生的基礎(chǔ)，這個過程需要將輸變電設(shè)備全生命周期中的物理實體表達(dá)為計算機能識別的數(shù)字模型，從而增強對物理實體的認(rèn)知，更加清晰地掌握其全生命周期4所示，驅(qū)動該過程的可視化技術(shù)等。技術(shù)等實現(xiàn)對輸變電設(shè)備全生命周期物理實體尺可對輸變電設(shè)備各部

的構(gòu)建。除上述的技術(shù)外，實現(xiàn)該過程還需要紋理3D虛實感知互動階段感知互動是實現(xiàn)輸變電設(shè)備物理空間與虛擬5所輸變電設(shè)備虛實空間交互的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)是其全裝置進(jìn)行圖4數(shù)字建模階段的關(guān)鍵技術(shù)Fig.4KeyTechnologiesofdigitalmodeling先進(jìn)傳感技術(shù)先進(jìn)傳感技術(shù)MEMS…… 感知 互動……存儲技術(shù)圖5虛實互動階段的關(guān)鍵技術(shù)Fig.5Keytechnologiesintheinteractivephaseofvirtualrealityperception了大量研究并取得了豐碩的成果，推動了輸變電設(shè)[39]是通過調(diào)整通信網(wǎng)中的各種信號使之協(xié)同工作的技術(shù)，包括對輸變電虛擬空間與物理空間模型的同步及信息傳輸中網(wǎng)絡(luò)、節(jié)點、信道的同步等，基于該技術(shù)可確保信息傳輸?shù)膶崟r性與準(zhǔn)確性，保障了輸變電設(shè)備虛實空[40]能夠屏蔽不同類型的數(shù)據(jù)和模型格式，從而促進(jìn)數(shù)據(jù)跟模型之間的快速流動、交互及集成，進(jìn)而實現(xiàn)輸變電設(shè)備全生命周期中各環(huán)節(jié)的虛擬體間的溝通與融合。該技術(shù)包含正向數(shù)字線程技術(shù)和逆向數(shù)字線程技術(shù)兩大類，正向數(shù)字線程技術(shù)以基于模型的系統(tǒng)工程技術(shù)(model-basedsystemsengineering，MBSE)為代表，逆向數(shù)字線程技術(shù)以管理殼技術(shù)為代表，數(shù)字線程技術(shù)提升了輸變電設(shè)備虛實空間的交互速度。傳輸技術(shù)[41]指利用不同信道的傳輸能力構(gòu)成完整的傳輸系統(tǒng)，使輸變電設(shè)備全生命周期的信息得以可靠傳輸，其包含有線傳輸跟無線傳輸兩種方式，隨著計算機技術(shù)、電子技術(shù)的快速發(fā)展，目前無線傳輸?shù)膽?yīng)用更為廣泛，無線傳輸技術(shù)有5G、藍(lán)牙、ZigBeeNFCWIFI[42]是對輸變電設(shè)備全生命周期信息的管理、保護(hù)及儲存，其是存儲介質(zhì)、存儲架構(gòu)、存儲協(xié)議等多層次技術(shù)的集合。智能化的數(shù)據(jù)存儲方法可對輸變電設(shè)備運行中的海量、異構(gòu)、多源等數(shù)據(jù)有效存儲，進(jìn)而滿足輸變電設(shè)備虛實空間交互的數(shù)據(jù)需求，當(dāng)前大數(shù)據(jù)NewSQLNoSQL數(shù)據(jù)庫存儲等。除上述技術(shù)外，該階段網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)等。機理驅(qū)動的仿真計算階段機理驅(qū)動的仿真計算是輸變電設(shè)備數(shù)字孿生6所示，驅(qū)動該過程的關(guān)鍵技術(shù)包括數(shù)值數(shù)值仿真技術(shù)[43]是運用仿真硬件和軟件并通CAE

模型降階技術(shù)模型降階技術(shù)特征正交分解動力模態(tài)分解全局穩(wěn)定性分析 模型融合技術(shù)增量模型 螺旋模演化模型……模型進(jìn)化技術(shù)……模型校核驗證確認(rèn)技術(shù)可信性驗證 一致性驗證靜態(tài)分析動態(tài)測試……其他支撐技術(shù)圖6機理驅(qū)動的仿真計算階段的關(guān)鍵技術(shù)Fig.6Keytechnologyofmechanism-drivensimulation機械等設(shè)計步驟的優(yōu)化、設(shè)備設(shè)計方案合理性的模擬及設(shè)計進(jìn)度的展示等；在其制造階段，可通過對其生產(chǎn)制造流水線、規(guī)劃、物流、服務(wù)等過程的仿真及優(yōu)化，實現(xiàn)輸變電設(shè)備的智能制造；在運維階段，基于輸變電設(shè)備運行機理，結(jié)合運行感知數(shù)據(jù)及多物理場仿真技術(shù)，可實現(xiàn)對其當(dāng)前運行狀態(tài)的仿真及未來運行狀態(tài)的預(yù)測，輔助現(xiàn)場運維人員檢[44]是指將隨時間變化的多維物理過程進(jìn)行低維的近似描述，在滿足計算精度要求的前提下使得仿真結(jié)果達(dá)到最優(yōu)化，從而降低計算維度、減少計算量并節(jié)省仿真計算時間。常用的降價方法有特征正交分解法(properorthogo-nal(dynamicmodedecomposition，DMD)，全局穩(wěn)定性分析等。模型是仿真計算的核心，模型的準(zhǔn)確度直接影響仿真結(jié)果的可信度，仿真模型校核技術(shù)是用于確定仿真模型是否能滿足開發(fā)者的要求，模型驗證技術(shù)是為了確定仿真模型對其代表的真實系統(tǒng)描述的精準(zhǔn)程度，模型確認(rèn)技術(shù)是為了確定所建的仿真模型是否適合某一特定的應(yīng)用[45][46]是在已建好的數(shù)字模型基礎(chǔ)上，通過仿真計算得出當(dāng)前運行中存在的問題，并對其進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，提高仿真的準(zhǔn)確性。常用的方法包括超參數(shù)優(yōu)化、進(jìn)化尋[47]可集合輸變電設(shè)備全生命周計算技術(shù)等支撐。數(shù)據(jù)驅(qū)動智能分析階段數(shù)據(jù)驅(qū)動智能分析階段的主要任務(wù)是在信息7所示，驅(qū)動該階段的關(guān)鍵技術(shù)包括數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)[48]是運用機器學(xué)習(xí)等方法改[49]–是對數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除—修改—再插入的過程，隨著數(shù)據(jù)的不斷更新與迭代，使得數(shù)據(jù)庫不斷豐富，進(jìn)而推動智能分析模型的準(zhǔn)確率不斷提升。實現(xiàn)的方法有單行數(shù)據(jù)插入、子查詢DataAdapter

并基于人工智能分析對其之后的運行狀態(tài)進(jìn)行預(yù)警的技術(shù)，基于該技術(shù)運行人員可提前掌握輸變電設(shè)共享智慧階段共享智慧階段是輸變電設(shè)備數(shù)字孿生構(gòu)建的8所示，驅(qū)動該過程的技術(shù)包括人機交??圖7數(shù)據(jù)驅(qū)動的智能分析階段的關(guān)鍵技術(shù)Fig.7Keytechniquesofdata-drivenintelligentanalysis…………虛擬化技術(shù)分布式存儲分布式資源管理云計算技術(shù)圖8共享智慧階段的關(guān)鍵技術(shù)Fig.8Keytechnologiesinthesharedintelligencestage人機交互技術(shù)[54][55]作為數(shù)據(jù)服務(wù)中心，是通過虛擬化技術(shù)構(gòu)建的，也是共享智慧階段的核心技術(shù)，目前其包含分布式存儲、虛擬化技術(shù)、分布式資源管理、編程模型及智能管理平臺等核心技術(shù)。分布式存儲采用可擴展的系統(tǒng)架構(gòu)，用于將大量服務(wù)器集合為一臺計算機，并提供[56]是一種在軟件中模擬硬件，以虛擬資源為用戶提供服務(wù)的計算形式，其旨在合理調(diào)配計算機資源；分布式資源管理是在多點并發(fā)執(zhí)行環(huán)境時，保證各節(jié)點狀態(tài)的同步，并在單個節(jié)點出現(xiàn)故障時，通過機制保證其他節(jié)點不受影響的技術(shù)；編程模型是用于數(shù)據(jù)集的并行運算和并行任務(wù)的調(diào)度處理；智能管理平臺具有高效調(diào)配大量服務(wù)器資源，使其更好協(xié)同工作的能力，云計算通過上述核心技術(shù)，將分散的節(jié)點有效地整合起來，組件成大規(guī)模集群，在提升資源的利用率同時提供強大的計算性能，為數(shù)字孿生智[57]是為了解決由于用戶或設(shè)備移動性導(dǎo)致的服務(wù)質(zhì)量降低和服務(wù)中斷問題而提出的，其實現(xiàn)需要考慮網(wǎng)絡(luò)延遲、遷移開銷等服務(wù)遷移指標(biāo)，實現(xiàn)的方法有馬爾科夫決策方法、同構(gòu)遷移學(xué)習(xí)、監(jiān)督遷移學(xué)習(xí)等。服務(wù)封裝技術(shù)[58]是隱藏所開發(fā)服務(wù)的屬性和實現(xiàn)細(xì)節(jié)，僅對外公開接口，控制在程序中屬性的讀和修改的Agent封裝技術(shù)、Jini封裝技Portalet數(shù)字孿生技術(shù)在輸變電設(shè)備中的應(yīng)用展望及挑戰(zhàn)應(yīng)用展望

制造、交付、運維、報廢與回收階段[21]。對設(shè)備制造過程跟裝配工藝等進(jìn)行模擬分析，仿真不同生產(chǎn)條件、工序情況下的設(shè)備制造效率，進(jìn)而實現(xiàn)對設(shè)備制造生產(chǎn)線的優(yōu)化。同時基于采集的生文檔、模型及所對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化格式隨物理實體一起提交給用戶，實現(xiàn)物理與數(shù)字設(shè)備的雙交付，滿足用戶對于設(shè)備透明數(shù)據(jù)的需求，從而提高輸變電設(shè)備的運行可靠性。的智能化發(fā)展?？刹鸾馄淞悴考瑢苫厥盏馁Y源及可能會污染的物質(zhì)進(jìn)行有效處理，同時完善回收工藝及流程，提高資源的利用率，降低設(shè)備回收的成本。用戶可通過對不同廠家設(shè)計、制造設(shè)備對應(yīng)的虛擬體進(jìn)行質(zhì)量評估與選擇，從而引導(dǎo)企業(yè)從底層提高設(shè)備生產(chǎn)質(zhì)量，促進(jìn)設(shè)計制造行業(yè)的良性競爭，提升設(shè)備的生產(chǎn)制造水平。輸變電設(shè)備數(shù)字孿生實現(xiàn)了物理體到虛擬體的實時映射，使得輸變電設(shè)備全生命周期的歷史數(shù)據(jù)、運行感知數(shù)據(jù)、仿真數(shù)據(jù)等均完整記錄，促進(jìn)了設(shè)備故障、異常狀態(tài)的溯源追蹤監(jiān)測，同時通過對設(shè)備的服役特性研究，可準(zhǔn)確地對其退役時間進(jìn)行推測，實現(xiàn)資源的有效利用，降低對運行人員的需求，提高設(shè)備的運維效率。數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用也會推動輸變電設(shè)備供需市場的變革，用戶對設(shè)備的需求不只局限于物理體，還包括其對應(yīng)的虛擬體，因此設(shè)備供應(yīng)企業(yè)還需注重