符華 陳葒

（廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司南寧供電局 廣西壯族自治區(qū)南寧市 530000）

當(dāng)前世界正面臨百年難遇之大變革，與此相對(duì)應(yīng)，新一輪的產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展與科學(xué)技術(shù)升級(jí)正以摧枯拉朽之勢(shì)席卷全球。大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、移動(dòng)通信、人工智能與區(qū)塊鏈等新技術(shù)在各行業(yè)領(lǐng)域的逐步應(yīng)用，正多角度多層次地改變著人類的生產(chǎn)生活活動(dòng)。

歐洲于2005年提出的歐洲技術(shù)平臺(tái)（ETP）的Smart Grid 概念對(duì)歐洲2020年左右的電力系統(tǒng)進(jìn)行了構(gòu)想；而美國(guó)能源部的電力輸配局于2003年7月發(fā)布的“對(duì)電力第2 個(gè)百年的全國(guó)范圍的構(gòu)想”的報(bào)告中提出的GRID2030 計(jì)劃則針對(duì)其電力研究院（EPRI）定義的未來電網(wǎng)概念“Intelli Grid”進(jìn)行了進(jìn)一步設(shè)計(jì)。北電網(wǎng)絡(luò)公司提出的“數(shù)字電力”相關(guān)概念以及由清華大學(xué)電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提出的“數(shù)字電力系統(tǒng)”(DPS)填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的空白，是電網(wǎng)數(shù)字孿生的起點(diǎn)。數(shù)字孿生以數(shù)字化技術(shù)為媒介，建立現(xiàn)實(shí)空間到虛擬空間的映射，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)實(shí)空間內(nèi)的設(shè)備從運(yùn)行參數(shù)到系統(tǒng)狀態(tài)的全面感知，并以此為基礎(chǔ)通過將包含指令的數(shù)據(jù)反饋到設(shè)備或系統(tǒng)完成決策活動(dòng)。構(gòu)建數(shù)字孿生電網(wǎng)，一方面能將電網(wǎng)的運(yùn)行、管理與服務(wù)活動(dòng)由實(shí)入虛，通過在虛擬空間進(jìn)行建模、仿真、演繹與控制等活動(dòng)，完成對(duì)電網(wǎng)自身的全面感知，進(jìn)而強(qiáng)化其自我控制與自我學(xué)習(xí)能力；另一方面則能夠強(qiáng)化各業(yè)務(wù)的數(shù)字化水平，全面改革傳統(tǒng)作業(yè)模式與運(yùn)營(yíng)模式，深化新模式下數(shù)字化智能電網(wǎng)的建設(shè)與管理活動(dòng)，并為電網(wǎng)建設(shè)的全面化感知、信息化連接與常態(tài)化運(yùn)行提供了全新思路與應(yīng)用手段。

1 數(shù)字孿生

1.1 數(shù)字孿生定義與特征

數(shù)字孿生（Digital Twin）是利用模型模擬、傳感器更新、運(yùn)行日志等數(shù)據(jù)從多角度多層次集成各學(xué)科、尺度、概率與物理量開展的數(shù)字化模擬進(jìn)程，通過建立從客觀世界到虛擬空間的實(shí)體映射，以此反映對(duì)應(yīng)實(shí)體在目標(biāo)環(huán)境下的整個(gè)生命周期。借助模擬、仿真與數(shù)據(jù)分析等過程能完成對(duì)物理實(shí)體對(duì)象狀態(tài)的全程感知、自我診斷與未來預(yù)測(cè)，并通過數(shù)字模型與實(shí)體模型間的相互參照推進(jìn)模型的自我進(jìn)化與自我學(xué)習(xí)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)體對(duì)象相關(guān)行為的實(shí)施控制與全面優(yōu)化。

數(shù)字孿生具有以下特點(diǎn)：

（1）保真性：數(shù)字世界內(nèi)的虛擬映射在構(gòu)成元素、實(shí)體行為、運(yùn)行機(jī)理、存儲(chǔ)規(guī)則等屬性上均與現(xiàn)實(shí)世界的對(duì)應(yīng)實(shí)體保持一致。

（2）可擴(kuò)展性：數(shù)字模型可根據(jù)數(shù)字世界內(nèi)的自我學(xué)習(xí)與物理世界的形態(tài)轉(zhuǎn)化等活動(dòng)完成拆解、集成、復(fù)制、維護(hù)與管理等一系列行為。

（3）可操作性：數(shù)字世界與現(xiàn)實(shí)世界之間存在標(biāo)準(zhǔn)接口與規(guī)范定義，不同模型之間、不同終端之間、模型與終端之間均可以進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，具有高度的可操作性。

1.2 電力設(shè)備數(shù)字孿生的模式研究

數(shù)字孿生作為當(dāng)前熱門的數(shù)字化發(fā)展方向，在具體業(yè)務(wù)場(chǎng)景選擇和技術(shù)路線設(shè)計(jì)方面尚未形成標(biāo)準(zhǔn)化的方案，業(yè)界普遍處于積極探索的初級(jí)階段，現(xiàn)存在以下三種不同的模式。

（1）基于跨平臺(tái)的系統(tǒng)集成模式：通過傳統(tǒng)信息化的方法，集成不同系統(tǒng)平臺(tái)的數(shù)據(jù)，構(gòu)建企業(yè)級(jí)的統(tǒng)一信息模型，進(jìn)行實(shí)時(shí)信息展示和交互，典型的應(yīng)用包括了客戶畫像、監(jiān)控視圖。其難點(diǎn)在于，跨業(yè)務(wù)、跨部門的信息系統(tǒng)整合在術(shù)語定義、技術(shù)路線、交互界面等方面缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范而難以實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，很難推動(dòng)更廣泛意義上的數(shù)字孿生體構(gòu)建，而且這種方式形成的數(shù)字孿生體模型也面臨很難靈活變更的挑戰(zhàn)，這一點(diǎn)從公司ECIMS 模型的推廣現(xiàn)狀來看，就可以得到初步的認(rèn)識(shí)。

（2）基于仿真模擬技術(shù)的工程驅(qū)動(dòng)模式：通過各種傳感設(shè)備的布置以及相應(yīng)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用將溫度、振動(dòng)、碰撞、載荷等各項(xiàng)數(shù)據(jù)與數(shù)字孿生體進(jìn)行同步，反映現(xiàn)實(shí)世界產(chǎn)品實(shí)際的質(zhì)量、性能、使用以及維護(hù)情況，形成在形態(tài)和舉止上都相像的虛實(shí)映射關(guān)系，幫助企業(yè)分析特定的工作條件并預(yù)測(cè)故障點(diǎn)，從而在生產(chǎn)和維護(hù)優(yōu)化方面節(jié)約成本?；诜抡婕夹g(shù)的數(shù)字孿生構(gòu)建是目前大多數(shù)行業(yè)發(fā)展的主流方向之一，但是卻也存在一定的適應(yīng)性障礙和技術(shù)實(shí)施挑戰(zhàn)，例如電網(wǎng)不同元器件聯(lián)結(jié)帶來的高復(fù)雜度故障分析定位等問題、無法積累對(duì)象跟外部事件的關(guān)聯(lián)知識(shí)、傳感設(shè)備的布置以及相應(yīng)的物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)需要有更大的資金投入和建設(shè)周期等。

（3）基于本體建模抽象的模型驅(qū)動(dòng)模式：通過對(duì)存量數(shù)據(jù)及物理對(duì)象的概念定義和關(guān)系理解，抽象出能夠定義并反映物理空間的本體網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合復(fù)雜事件、知識(shí)圖譜等分析手段和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集技術(shù)，可以從微觀的層面構(gòu)建一套基于概念模型的數(shù)字孿生映射，并且具備知識(shí)推理、多維統(tǒng)計(jì)等分析特征，可以靈活動(dòng)態(tài)調(diào)整，以持續(xù)滿足對(duì)物理世界的準(zhǔn)確映射要求。

2 數(shù)字孿生電網(wǎng)應(yīng)用體系

2.1 數(shù)字孿生電網(wǎng)的內(nèi)涵

數(shù)字孿生電網(wǎng)要求對(duì)傳統(tǒng)電網(wǎng)從流程、要素、業(yè)務(wù)三個(gè)角度開展數(shù)字化改革，并通過物聯(lián)感知與信息交互，實(shí)現(xiàn)從實(shí)體業(yè)務(wù)到虛擬控制的轉(zhuǎn)變，再通過科學(xué)決策與智能控制完成從虛擬控制到實(shí)體決策的轉(zhuǎn)化，從而優(yōu)化物理電網(wǎng)的運(yùn)營(yíng)管理活動(dòng)。借助數(shù)字孿生技術(shù)生成全要素?cái)?shù)字化的虛擬映像，便于將物理電網(wǎng)復(fù)雜的能量信息與耦合關(guān)系簡(jiǎn)化為可拆解、可模擬、可計(jì)算的數(shù)學(xué)關(guān)系，一方面能實(shí)現(xiàn)物理電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)狀態(tài)的可視化，另一方面則可多角度多層次的優(yōu)化相關(guān)活動(dòng)的推演結(jié)果，通過模型間的相互參照逐漸完成虛實(shí)迭代，從而實(shí)現(xiàn)深入挖掘數(shù)字信息、構(gòu)建產(chǎn)業(yè)生態(tài)模式、優(yōu)化物理電網(wǎng)管理的最終目的。

2.2 數(shù)字孿生電網(wǎng)的框架

數(shù)字孿生電網(wǎng)在結(jié)構(gòu)上可分為以下層次：

（1）物理電網(wǎng)：物理電網(wǎng)即物理實(shí)體。

（2）感知層與傳輸層：感知層與傳輸層負(fù)責(zé)通道構(gòu)建與信息交互。

（3）數(shù)據(jù)層：數(shù)據(jù)層完成了物理電網(wǎng)的模型建立與數(shù)據(jù)分析。

（4）平臺(tái)層：平臺(tái)層承載著數(shù)字孿生電網(wǎng)所在的虛擬空間[1]。各層次之間相互聯(lián)系，相互協(xié)調(diào)，并以此為基礎(chǔ)完成各項(xiàng)業(yè)務(wù)、服務(wù)與應(yīng)用。如圖1所示。

圖1

2.3 數(shù)字孿生電網(wǎng)構(gòu)建的關(guān)鍵技術(shù)

數(shù)字孿生電網(wǎng)技術(shù)核心在于對(duì)物理系統(tǒng)的測(cè)量感知、數(shù)字空間的模型建立、方針模擬的分析決策等過程中出現(xiàn)的海量在線、離線多源異構(gòu)體數(shù)據(jù)進(jìn)行深度融合分析，并從中提取映射關(guān)系、核心數(shù)據(jù)，輔助屬性規(guī)則的生成，并建立以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)為中心的預(yù)測(cè)、評(píng)估與診斷模型，從而對(duì)設(shè)備狀態(tài)評(píng)估、故障診斷、行為預(yù)測(cè)等行為的準(zhǔn)確性與時(shí)效性進(jìn)行全面優(yōu)化。

圍繞電網(wǎng)設(shè)備運(yùn)維檢修各環(huán)節(jié)所涉及到的關(guān)鍵技術(shù)，包含機(jī)器學(xué)習(xí)、智能算法、知識(shí)推理等，結(jié)合數(shù)據(jù)清洗、異常值檢測(cè)等大數(shù)據(jù)技術(shù)，以及融合各類算法和數(shù)據(jù)進(jìn)行典型應(yīng)用研究。

3 數(shù)字孿生電網(wǎng)典型應(yīng)用研究

電力設(shè)備點(diǎn)多面廣、運(yùn)行狀態(tài)各異。其中，以變壓器最具代表性，變壓器設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境動(dòng)態(tài)變化頻繁，呈現(xiàn)出運(yùn)行狀態(tài)易變、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)量高速倍增等特點(diǎn)，符合工業(yè)大數(shù)據(jù)的特點(diǎn)。因此，變壓器設(shè)備成為數(shù)字孿生相關(guān)理念與技術(shù)在電力行業(yè)應(yīng)用的首要領(lǐng)域。以輔助設(shè)備與傳感器技術(shù)為基礎(chǔ)，通過匯聚多源異構(gòu)數(shù)據(jù)資源構(gòu)建設(shè)備系統(tǒng)的數(shù)字孿生體，并以人工智能為核心，結(jié)合機(jī)械學(xué)習(xí)、知識(shí)圖譜等能力，利用5G 通信技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)與數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)完成自我診斷、進(jìn)程控制、預(yù)測(cè)性維護(hù)等功能，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管控與精細(xì)化檢測(cè)，增強(qiáng)變壓器設(shè)備運(yùn)行全過程的感知性、穩(wěn)定性與交互性，從而保障生產(chǎn)安全、提高運(yùn)營(yíng)水平。

3.1 系統(tǒng)框架

現(xiàn)階段我國(guó)變壓器設(shè)備的檢修模式已經(jīng)逐漸由傳統(tǒng)的“計(jì)劃?rùn)z修”逐漸朝著“狀態(tài)檢修”過渡。開展變壓器設(shè)備的“狀態(tài)檢修”，要求對(duì)輔助設(shè)備與傳感器設(shè)備在運(yùn)營(yíng)過程中反映的狀態(tài)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，以此構(gòu)建能體現(xiàn)變壓器設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)字模型，并采取模擬、仿真與驅(qū)動(dòng)等方法優(yōu)化設(shè)計(jì)、豐富數(shù)據(jù)，從質(zhì)和量?jī)蓚€(gè)角度提升其可靠性與準(zhǔn)確性,進(jìn)而從多角度多層次體現(xiàn)變壓器設(shè)備的運(yùn)行規(guī)律。對(duì)變壓器設(shè)備的運(yùn)行規(guī)律開展數(shù)據(jù)挖掘活動(dòng)的本質(zhì)是數(shù)據(jù)孿生技術(shù)在變壓器狀態(tài)評(píng)估進(jìn)程上的實(shí)現(xiàn)[2]。

中國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院給出的數(shù)字孿生技術(shù)的最新定義在架構(gòu)上包含了物理層、感知層、數(shù)據(jù)層、模型層與應(yīng)用層五個(gè)層面。其中物理層對(duì)應(yīng)物理實(shí)體；感知層主要包括用于狀態(tài)監(jiān)測(cè)的傳感裝置與輔助設(shè)備，為設(shè)備檢修自我診斷等活動(dòng)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；數(shù)據(jù)層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、整理與傳輸；模型層包括機(jī)理模型與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型；應(yīng)用層包括檢修決策、服務(wù)調(diào)度、期限評(píng)估、指導(dǎo)采購(gòu)等活動(dòng)。以該架構(gòu)為基礎(chǔ)，綜合變壓器設(shè)備本身屬性與工作環(huán)境，可逐步對(duì)變壓器設(shè)備狀態(tài)評(píng)估過程中各環(huán)節(jié)的技術(shù)架構(gòu)開展分析。

3.2 變壓器設(shè)備綜合狀態(tài)評(píng)估

數(shù)據(jù)孿生不僅是面向?qū)ο蟮?，也是面向過程的，設(shè)備數(shù)字孿生體在投資階段、運(yùn)行階段、運(yùn)行維護(hù)階段、故障階段以及退役階段的價(jià)值鏈條上，在保證合理規(guī)劃、優(yōu)質(zhì)工程、安全生產(chǎn)、可靠運(yùn)行的前提條件下，追求全生命周期最優(yōu)目標(biāo)。面向全生命周期內(nèi)的變壓器數(shù)字孿生體應(yīng)用模型如圖2所示。

圖2

進(jìn)行變壓器設(shè)備健康狀態(tài)評(píng)估,難點(diǎn)在于要求評(píng)估的對(duì)象能夠細(xì)化粒度到全網(wǎng)、廠站端、設(shè)備、部件和原子零件等不同層級(jí)，因此需要以面向變壓器設(shè)備運(yùn)維與故障分析的設(shè)備全生命周期推演為例，設(shè)備從設(shè)計(jì)、采購(gòu)、安裝、檢修、臺(tái)帳、故障記錄等所有過程性數(shù)據(jù)按時(shí)間線進(jìn)行建模與存儲(chǔ)（設(shè)備數(shù)字孿生體）[3]，采用知識(shí)圖譜建模方法，對(duì)實(shí)體、事件的語義關(guān)系與關(guān)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行組織、模擬與存儲(chǔ)，當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障并觸發(fā)相應(yīng)事件后，運(yùn)檢人員可根據(jù)警報(bào)內(nèi)容獲取當(dāng)前設(shè)備及相關(guān)部件的生命周期進(jìn)程數(shù)據(jù)，如什么時(shí)候進(jìn)行過檢修，更換零部件情況，出現(xiàn)嚴(yán)重隱患與故障情況，每次搶修的過程與解決方案等。通過對(duì)設(shè)備的生命周期進(jìn)行分析與推演，幫助運(yùn)檢人員快速獲知設(shè)備的安全隱患與功能故障，從而高效快速地完成風(fēng)險(xiǎn)控制與故障維修工作。

3.3 設(shè)備故障診斷

設(shè)備狀態(tài)評(píng)估工作的關(guān)鍵在與有效的設(shè)備健康評(píng)估指標(biāo)難以確定，而通過數(shù)字孿生技術(shù)與數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)從設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中提取能體現(xiàn)設(shè)備健康狀態(tài)的數(shù)據(jù)量，通過觀察、萃取設(shè)備故障的高位統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，分析、集成配電網(wǎng)故障的典型原因，從而實(shí)現(xiàn)故障檢測(cè)功能；而后將運(yùn)行數(shù)據(jù)集合、常規(guī)電器特征等作為網(wǎng)絡(luò)輸入，將待分析對(duì)象標(biāo)簽作為網(wǎng)絡(luò)輸出，從而建立端對(duì)端的深層模型，提取出相關(guān)故障的深層特征，繼而為故障檢測(cè)進(jìn)程提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，完成相關(guān)活動(dòng)。

4 結(jié)論與展望

4.1 研究成果

目前，變壓器設(shè)備狀態(tài)評(píng)估的數(shù)字孿生體系已經(jīng)基本架構(gòu)完畢，針對(duì)技術(shù)體系中的設(shè)備全面感知技術(shù)、數(shù)據(jù)分析技術(shù)、模型構(gòu)建技術(shù)等進(jìn)行了研究，并將其逐步應(yīng)用于變壓器設(shè)備的狀態(tài)評(píng)估，初步形成了設(shè)備狀態(tài)評(píng)估數(shù)字孿生體，并在實(shí)際應(yīng)用中取得了卓越成效：

4.1.1 設(shè)備健康狀態(tài)評(píng)估

整合全域感知、歷史積累、運(yùn)行監(jiān)測(cè)等多元異構(gòu)數(shù)據(jù)，解決傳統(tǒng)的依賴導(dǎo)則與專家經(jīng)驗(yàn)開展業(yè)務(wù)評(píng)價(jià)工作的弊端，應(yīng)用數(shù)學(xué)分析方法與機(jī)器學(xué)習(xí)算法開展設(shè)備狀態(tài)評(píng)估模型研究，有效提升設(shè)備健康狀態(tài)評(píng)估活動(dòng)的準(zhǔn)確性與時(shí)效性。

4.1.2 設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)預(yù)測(cè)

通過數(shù)字孿生體系內(nèi)部包含的歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)施狀態(tài)信息，同時(shí)結(jié)合電網(wǎng)環(huán)境與設(shè)備外部環(huán)境信息，能夠及時(shí)感知相關(guān)指標(biāo)或關(guān)鍵參數(shù)的變化趨勢(shì)，并為設(shè)備的運(yùn)行情況提供預(yù)測(cè)分析。

4.1.3 設(shè)備全生命周期管理

匯集的設(shè)備歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)輸入數(shù)字孿生模型，基于設(shè)備出廠信息、運(yùn)行期間實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息、定期檢修日志信息、預(yù)防試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)信息等，應(yīng)用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)和機(jī)器學(xué)習(xí)算法[4]，從而分析店里設(shè)備結(jié)構(gòu)部件的損耗情況與使用壽命，進(jìn)而制定合理運(yùn)維策略支撐設(shè)備全生命周期管理。

5 發(fā)展前景

依托于大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信技術(shù)、云計(jì)算與人工智能等新興技術(shù)的飛速發(fā)展與全面普及，數(shù)字孿生技術(shù)作為綜合多學(xué)科的數(shù)字化技術(shù)，在促進(jìn)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)全面轉(zhuǎn)型上起到了極為顯著的作用，并建立了符合當(dāng)前發(fā)展態(tài)勢(shì)的普適化理論技術(shù)體系。在電力網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)字孿生技術(shù)在設(shè)備的生產(chǎn)、組裝到投運(yùn)、運(yùn)行，再到檢修、退役的全過程實(shí)現(xiàn)了全面感知，并借助對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行深度融合與分析，構(gòu)建了設(shè)備狀態(tài)評(píng)估的數(shù)字孿生體，實(shí)現(xiàn)了故障警報(bào)、自我評(píng)估與預(yù)防性診斷等一系列功能[5]。其體系具有極為現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用價(jià)值：

（1）將運(yùn)維過程以及退役過程中的數(shù)據(jù)與設(shè)備設(shè)計(jì)和制造過程進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)感知和實(shí)時(shí)反饋，能有效推動(dòng)設(shè)備工藝升級(jí)，從而提升設(shè)備可靠性，保障電網(wǎng)安全。

（2）構(gòu)建市域、省域、網(wǎng)域甚至是全國(guó)性范圍內(nèi)的全量設(shè)備孿生體，通過全量輸變電設(shè)備孿生體將直觀地反映全生命周期的孿生體模型以及設(shè)備之間的電氣關(guān)系、位置關(guān)系、關(guān)聯(lián)關(guān)系等，把設(shè)備的狀態(tài)評(píng)估推向新的高度，實(shí)現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。