變電站數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用探究

變電站數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用探究摘要：變電站作為電網(wǎng)構(gòu)架中不可或缺的組成部分，對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)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(jì)經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，進(jìn)行全面的優(yōu)化提升。在進(jìn)行此項(xiàng)工作落實(shí)的過程中，勢(shì)必要以人工智能技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)、移動(dòng)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(shí)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(jí)，進(jìn)一步降低運(yùn)檢人員的工作壓力，有效確保運(yùn)行設(shè)備的安全穩(wěn)定，對(duì)未來的發(fā)展而言具有十分重要的意義。關(guān)鍵詞：智慧變電站；數(shù)字孿生技術(shù)；應(yīng)用引言當(dāng)前社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的需求下，以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)“雙高”“雙峰”特征凸顯，亟待運(yùn)用數(shù)字化技術(shù)手段面對(duì)電力系統(tǒng)平衡和安全穩(wěn)定的挑戰(zhàn)。數(shù)字孿生技術(shù)融合了物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、建模仿真、人工智能和自動(dòng)控制等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)與虛擬空間的映射交互，正推動(dòng)全社會(huì)進(jìn)入數(shù)字化時(shí)代。數(shù)字孿生變電站是數(shù)字孿生電網(wǎng)最基礎(chǔ)、最重要的組成部分，通過構(gòu)造與實(shí)體變電站對(duì)應(yīng)的數(shù)字變電站，推進(jìn)變電運(yùn)檢和管控智能化、數(shù)字化，奠定電網(wǎng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型基石。數(shù)字孿生變電站能夠深入挖掘電網(wǎng)數(shù)據(jù)資產(chǎn)價(jià)值，實(shí)現(xiàn)智能運(yùn)維、精準(zhǔn)作業(yè)和遠(yuǎn)程協(xié)作等，實(shí)現(xiàn)“數(shù)”與“智”的融合，通過推動(dòng)數(shù)字電網(wǎng)建設(shè)，使新型電力系統(tǒng)更好地服務(wù)于“雙碳”目標(biāo)。1數(shù)字孿生技術(shù)內(nèi)涵近年來，得益于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和人工智能等新一代信息技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字孿生的實(shí)施已逐漸成為可能?，F(xiàn)階段，除了航空航天領(lǐng)域，數(shù)字孿生還被應(yīng)用于電力、船舶、城市管理、農(nóng)業(yè)、建筑、制造、石油天然氣、健康醫(yī)療和環(huán)境保護(hù)等行業(yè)[1]。數(shù)字孿生技術(shù)以數(shù)字化方式在虛擬空間建立物理實(shí)體的多維度、多時(shí)空尺度、多學(xué)科和多物理量的動(dòng)態(tài)虛擬模型，實(shí)時(shí)反映物理實(shí)體在真實(shí)環(huán)境中的屬性、行為和規(guī)則等，從而實(shí)現(xiàn)物理信息空間的映射、交互和融合。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(shí)現(xiàn)對(duì)孿生技術(shù)的升級(jí)。在系統(tǒng)構(gòu)建的過程中，以智能機(jī)器人的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)搭載傳感器，并通過監(jiān)測(cè)手段的落實(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)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)[2]。人工智能技術(shù)的應(yīng)用，則能實(shí)現(xiàn)通過深度挖掘來對(duì)設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行智能診斷，通過其智能預(yù)判來確保運(yùn)維工作的落實(shí)效果，將管控與管理工作合二為一，提升各項(xiàng)工作的落實(shí)效果。2數(shù)字孿生技術(shù)特點(diǎn)2.1產(chǎn)品數(shù)字化對(duì)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(shí)包含著所有的設(shè)計(jì)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(shí)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(duì)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(jì)、電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)等，其實(shí)都包含其中。對(duì)于該技術(shù)的應(yīng)用其關(guān)鍵技術(shù)涉及以下幾點(diǎn)：首先，針對(duì)數(shù)字建模工作的開展，不僅需對(duì)各類產(chǎn)品的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模，更要實(shí)現(xiàn)對(duì)其內(nèi)部的運(yùn)行進(jìn)行運(yùn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)優(yōu)化整合[3]。因此，針對(duì)數(shù)字化的孿生系統(tǒng)構(gòu)建來看，其實(shí)是以同樣的建設(shè)產(chǎn)品為基礎(chǔ)來實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)技術(shù)的應(yīng)用。其次，對(duì)于數(shù)字孿生系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用，其實(shí)離不開一體化的仿真驗(yàn)證技術(shù)。在現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用的過程中，想要實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)維度的物理性能進(jìn)行處理，或是實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)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(shí)現(xiàn)達(dá)到優(yōu)化的效果[4]。但對(duì)于一些具備著復(fù)雜性質(zhì)的實(shí)際產(chǎn)品，由于在運(yùn)行過程中會(huì)涉及多學(xué)科、多物理場(chǎng)的綜合應(yīng)用，這也使其具備著更難的技術(shù)攻破點(diǎn)。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(shí)實(shí)現(xiàn)其他技術(shù)的共同使用。如，針對(duì)創(chuàng)成式設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用，能有效實(shí)現(xiàn)優(yōu)化孿生系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用效果，而且對(duì)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(duì)生產(chǎn)數(shù)字化來看，它其實(shí)是以生產(chǎn)裝配過程的優(yōu)化為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)仿真等技術(shù)手段的應(yīng)用。對(duì)于生產(chǎn)數(shù)字化來看，需要通過以下幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用來進(jìn)行質(zhì)量保障：首先，針對(duì)各個(gè)生產(chǎn)單元來看，由于需在共同時(shí)間內(nèi)進(jìn)行共同運(yùn)作，因此在進(jìn)行生產(chǎn)流程的建模工作落實(shí)上，也須以仿真技術(shù)的應(yīng)用來實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，這時(shí)才能建立出有關(guān)于生產(chǎn)的數(shù)字化運(yùn)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，其中就包含了對(duì)各個(gè)生產(chǎn)單元的數(shù)字化建模與展示工作[5]。其次，對(duì)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)應(yīng)用，而且要以整體生產(chǎn)過程的運(yùn)行效率為基礎(chǔ)來實(shí)現(xiàn)建模。在這個(gè)過程中也需要通過仿真技術(shù)的應(yīng)用來實(shí)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。其中包括了機(jī)械設(shè)備自動(dòng)化操作過程當(dāng)中的全部?jī)?nèi)容，并也需要以仿真技術(shù)的融入來實(shí)現(xiàn)全面優(yōu)化。除此以外，針對(duì)自動(dòng)化運(yùn)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(shí)現(xiàn)仿真技術(shù)的應(yīng)用。因此在這個(gè)過程中，其實(shí)也需要通過調(diào)試技術(shù)的使用來實(shí)現(xiàn)支持。2.3性能數(shù)字化對(duì)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(shí)現(xiàn)體現(xiàn)其技術(shù)特性。針對(duì)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(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：首先，對(duì)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(yùn)行狀態(tài)等信息，其實(shí)都會(huì)發(fā)生變動(dòng)，而對(duì)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(dòng)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)收集，并要在數(shù)字空間內(nèi)進(jìn)行更新[6]。對(duì)此就需要通過結(jié)合物理傳感器輸入功能來實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換，并通過仿真技術(shù)的應(yīng)用來實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)，這時(shí)才能保證技術(shù)應(yīng)用的效果。其次，對(duì)于變電站來看，整個(gè)生產(chǎn)流程當(dāng)中的物理傳感器會(huì)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?shí)現(xiàn)系統(tǒng)收集，這時(shí)對(duì)于孿生系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用來看，必須要通過主動(dòng)響應(yīng)來實(shí)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(shí)實(shí)現(xiàn)追溯，并在后續(xù)運(yùn)行的過程中，通過預(yù)測(cè)與維護(hù)功能的落實(shí)來實(shí)現(xiàn)有效展現(xiàn)自身的性能，進(jìn)而才能在數(shù)字化運(yùn)行下，實(shí)現(xiàn)有效地分析、預(yù)測(cè)，并針對(duì)產(chǎn)線的實(shí)際情況給予準(zhǔn)確判斷，以此才能保證運(yùn)維工作的落實(shí)效果。對(duì)此，針對(duì)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)閉環(huán)處理，這時(shí)才能保證應(yīng)用的效果。3變電站數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用3.1三維建模三維建模技術(shù)從實(shí)現(xiàn)手段可以概括為測(cè)繪建模和圖樣參數(shù)建模兩大類。測(cè)繪建模技術(shù)是以實(shí)景實(shí)物為對(duì)象，通過傾斜攝影、近景攝影或三維激光掃描等同步定位與建圖（SLAM）方法建立對(duì)應(yīng)模型。圖樣參數(shù)化建模是將二維的圖樣或參數(shù)轉(zhuǎn)化為三維的模型。基于SLAM方法的測(cè)繪建模三維模型能反映變電站設(shè)備外觀和位置，真實(shí)描繪設(shè)備外觀；但不能反映設(shè)備內(nèi)部部件之間裝配接口、電氣連接等邏輯關(guān)系。圖樣參數(shù)化建模反映模型的參數(shù)、裝配和電氣接線等邏輯關(guān)系，但模型外觀不能反映實(shí)物形態(tài)[7]。數(shù)字孿生變電站中的孿生設(shè)備應(yīng)能實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)反映現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀態(tài)，如隔離開關(guān)的閉合等，需要層次化、結(jié)構(gòu)化對(duì)設(shè)備進(jìn)行三維建模。為增加可視化效果，模型應(yīng)盡量體現(xiàn)物理實(shí)體真實(shí)情況。要達(dá)到模型逼真效果和動(dòng)態(tài)反應(yīng)設(shè)備狀態(tài)，需要將測(cè)繪建模和參數(shù)建模結(jié)合起來，滿足數(shù)字孿生變電站智能運(yùn)維要求。對(duì)于建成的變電站，通常在測(cè)繪建模的基礎(chǔ)上，用BIM/GIM文件對(duì)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)化標(biāo)注、部件分解，使三維模型在高逼真的效果上結(jié)構(gòu)化、層次化[8]。新建變電站是在圖樣參數(shù)化建模的基礎(chǔ)上，用傾斜攝影、三維激光掃描等測(cè)繪點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行貼圖渲染。3.2數(shù)據(jù)映射數(shù)字空間創(chuàng)建的變電站三維模型只是變電站及設(shè)備外觀的復(fù)制，要達(dá)到數(shù)字孿生的效果，虛擬變電站應(yīng)能實(shí)時(shí)反映物理變電站及設(shè)備狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)及信息映射。數(shù)據(jù)的同步映射需要獲取數(shù)據(jù)、傳輸數(shù)據(jù)和融合展示數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)獲取主要通過感知層安裝于設(shè)備的傳感器實(shí)時(shí)感知設(shè)備運(yùn)行及環(huán)境參數(shù)，以及其他智能系統(tǒng)推送、數(shù)據(jù)中臺(tái)拉取等。數(shù)據(jù)傳輸利用已建成的電力光纖通信網(wǎng)，可滿足變電站數(shù)字孿生帶寬和實(shí)時(shí)性要求[9]。變電站數(shù)字孿生體實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)全景映射，實(shí)現(xiàn)變電站實(shí)景對(duì)孿生體各環(huán)境、運(yùn)行模塊間數(shù)據(jù)的時(shí)空互聯(lián)，信息深度融合，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)體運(yùn)行狀態(tài)的詳細(xì)模擬。變電站孿生體的數(shù)據(jù)互聯(lián)技術(shù)根據(jù)不同場(chǎng)景，將變電站環(huán)境數(shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)分別進(jìn)行模塊化劃分，基于知識(shí)圖譜的電網(wǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)、運(yùn)行數(shù)據(jù)抽取技術(shù)，分別提取各環(huán)境模塊、運(yùn)行模塊的數(shù)據(jù)，構(gòu)建環(huán)境模塊、運(yùn)行模塊實(shí)體要素，包括時(shí)間要素、空間要素和物理信息等；基于知識(shí)圖譜的電網(wǎng)實(shí)體對(duì)齊技術(shù)，從關(guān)聯(lián)關(guān)系、時(shí)間要素、空間要素和物理信息等方面，對(duì)環(huán)境信息、運(yùn)行信息進(jìn)行對(duì)齊、融合，實(shí)現(xiàn)變電站孿生體信息的深度融合和全景映射。3.3可視化技術(shù)用于數(shù)字孿生變電站的三維可視化技術(shù)主要為AR和MR技術(shù)。AR可以將真實(shí)的變電設(shè)備和虛擬的環(huán)境實(shí)時(shí)地疊加在同一個(gè)畫面或空間。AR技術(shù)通過高清攝像展現(xiàn)了真實(shí)設(shè)備場(chǎng)景，同時(shí)顯示出運(yùn)行信息，兩種信息相互補(bǔ)充、疊加。利用頭盔顯示器，把變電站設(shè)備與運(yùn)行及狀態(tài)參數(shù)以圖形化重合在一起，更直觀地“透視”設(shè)備或遠(yuǎn)程運(yùn)維。MR在AR實(shí)現(xiàn)真實(shí)設(shè)備場(chǎng)景與運(yùn)行信息增強(qiáng)顯示的基礎(chǔ)上，通過SLAM技術(shù)確定空間位置，模型隨位置和視角變化并可多方互動(dòng)。MR終端上有多種傳感器，包含第一人稱視角前向攝像頭、感知變電站內(nèi)的空間結(jié)構(gòu)和手勢(shì)輸入的激光深度傳感器以及麥克風(fēng)和立體揚(yáng)聲器；其中全息透鏡模塊用于虛擬數(shù)據(jù)和變電站設(shè)備的混合現(xiàn)實(shí)展示。MR的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)融合實(shí)時(shí)協(xié)作，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員能夠根據(jù)數(shù)字孿生體的映射關(guān)系，很直觀地發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在的問題和之前檢修的數(shù)據(jù)內(nèi)容，并得到基于空間計(jì)算的三維MR實(shí)時(shí)指導(dǎo)。3.4應(yīng)用場(chǎng)景數(shù)字孿生變電站主要應(yīng)用場(chǎng)景有智能巡檢、遠(yuǎn)程協(xié)作、安全管控和狀態(tài)評(píng)價(jià)等。這些場(chǎng)景的MR前端數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，通過大屏或MR終端進(jìn)行可視化展示，實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生與現(xiàn)場(chǎng)、遠(yuǎn)端支持與現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)等不同場(chǎng)景的協(xié)作共融。包括電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)視、電力設(shè)備故障預(yù)警等智能巡檢場(chǎng)景，協(xié)助現(xiàn)場(chǎng)人員進(jìn)行設(shè)備運(yùn)維、設(shè)備檢修和設(shè)備故障處理等遠(yuǎn)程協(xié)作場(chǎng)景。針對(duì)關(guān)鍵、重要電力設(shè)備進(jìn)行檢修、故障排查等狀態(tài)檢修場(chǎng)景，對(duì)電力設(shè)備健康狀態(tài)、運(yùn)行環(huán)境等進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)等安全管控場(chǎng)景的廣泛應(yīng)用。4結(jié)束語(yǔ)綜上所述，數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用來看，其實(shí)是作為智慧電網(wǎng)建設(shè)組成部分之一而進(jìn)行落實(shí)的一項(xiàng)關(guān)鍵性技術(shù)。通過變電站數(shù)字孿生建設(shè)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)可測(cè)、可知、可觀和可控，打造能源互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)體系，適應(yīng)新能源為主體的新型電力系統(tǒng)發(fā)展需求，推動(dòng)電力行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展。參考文獻(xiàn)[1]符華陳葒.基于數(shù)字孿生技術(shù)在電力設(shè)備的應(yīng)用[J].電子技術(shù)與軟件工程，2021(20):22-24[2]何冰謝天祥．?dāng)?shù)字孿生技術(shù)在輸電線路中的應(yīng)用研究[J]．電力信息與通信技術(shù)，2021，19(7):83-89．[3]賀興艾芊等.數(shù)字孿生在電力系統(tǒng)應(yīng)用中的機(jī)遇和挑戰(zhàn)[J].電網(wǎng)技術(shù)，2020(6):11-13[4]齊波張鵬等.數(shù)字孿生技術(shù)在輸變電設(shè)備狀態(tài)評(píng)估中的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展展望[J].高電壓技術(shù)，2021(5):22-24[5]王林晏鋒任重等.基于數(shù)字孿生技術(shù)的變電站運(yùn)維平臺(tái)的研究[J].電工技術(shù)，20