詹譚博馳

(南方電網(wǎng)數(shù)字電網(wǎng)研究院有限公司，廣東 廣州 510663)

電力行業(yè)革新是當(dāng)前經(jīng)濟(jì)形勢(shì)、技術(shù)水平提升的重要成果，從最初的配電廠與配電網(wǎng)分離發(fā)展到現(xiàn)在的智能電網(wǎng)，數(shù)字化在電網(wǎng)發(fā)展中發(fā)揮了中流砥柱的作用[1-2]，從電力形成、輸送到用戶(hù)使用的每個(gè)環(huán)節(jié)，數(shù)字化技術(shù)都發(fā)揮著不小的作用。由于電網(wǎng)建立時(shí)間較長(zhǎng)，在其結(jié)構(gòu)調(diào)整和運(yùn)作維護(hù)方面存在較大難度，充分掌握電網(wǎng)各項(xiàng)數(shù)據(jù)是電網(wǎng)升級(jí)的基礎(chǔ)，配電網(wǎng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型勢(shì)在必行。目前在國(guó)際上并未給數(shù)字化電網(wǎng)的正式定義[3]，但在歐美許多國(guó)家現(xiàn)已開(kāi)始研究電網(wǎng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，相繼給出了電網(wǎng)數(shù)字化定義，并制定了符合電網(wǎng)數(shù)字化的設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)。在我國(guó)研究電網(wǎng)數(shù)字轉(zhuǎn)型方法也很多，其中蔡佳銘等[4]研究的配電網(wǎng)規(guī)劃的數(shù)字化技術(shù)和建模方法，該方法依據(jù)電網(wǎng)當(dāng)前數(shù)據(jù)建立電力負(fù)荷模型，利用分析方法展開(kāi)分析完成電網(wǎng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，由于電網(wǎng)數(shù)據(jù)形式為分布式，且在電網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中具備不確定性和波動(dòng)性，因此其電網(wǎng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型效果不佳。數(shù)字孿生技術(shù)是通過(guò)構(gòu)建物理模型、依據(jù)歷史數(shù)據(jù)形成多個(gè)域?qū)?、多個(gè)物理量，通過(guò)空間映射，反映電網(wǎng)的整個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)的各個(gè)狀態(tài)。電力行業(yè)屬于技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè)，將數(shù)字化與信息化相結(jié)合，可簡(jiǎn)化并提升電網(wǎng)管理難度與水平[5]。本文結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)，研究基于數(shù)字孿生的電網(wǎng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型方法，為推動(dòng)我國(guó)電力行業(yè)發(fā)展奠定夯實(shí)的基礎(chǔ)。

1 基于數(shù)字孿生的電網(wǎng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型研究

1.1 電網(wǎng)概況

以某省級(jí)電網(wǎng)作為研究對(duì)象，該電網(wǎng)多直流饋入受端具有較大復(fù)雜性，且其最高負(fù)荷為120 GW，用戶(hù)消耗電量達(dá)到670 TWh左右，輸入電容可達(dá)40 GW，其供電量占全民供電量的35%。該電網(wǎng)電源裝機(jī)容量為134 GW左右，擁有50多個(gè)輸電能力達(dá)到500 kV的變電站，構(gòu)成了可內(nèi)外雙向傳輸?shù)沫h(huán)路電網(wǎng)，該電網(wǎng)概況如圖1所示。雖然目前電力技術(shù)水平不斷提升，但大型電網(wǎng)的電流控制仍然存在短路、混電等情況[6]，因此電網(wǎng)安全面臨嚴(yán)重威脅。

圖1 電網(wǎng)概況示意

1.2 基于數(shù)字孿生的電網(wǎng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型框架

依據(jù)電網(wǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)，充分結(jié)合電網(wǎng)設(shè)備數(shù)字孿生體與電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)孿生體，建立基于數(shù)字孿生的電網(wǎng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型框架，該框架結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 基于數(shù)字孿生的電網(wǎng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型框架示意

上述框架由過(guò)程優(yōu)化、數(shù)字孿生體、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集庫(kù)和電網(wǎng)實(shí)體層組成，其中過(guò)程優(yōu)化層負(fù)責(zé)輸電質(zhì)量控制調(diào)度優(yōu)化等；數(shù)字孿生體依據(jù)電網(wǎng)數(shù)據(jù)建立電網(wǎng)設(shè)備數(shù)字孿生體和運(yùn)行數(shù)據(jù)孿生體，依據(jù)變化的電網(wǎng)數(shù)據(jù)迭代更新后，使數(shù)字孿生體與實(shí)際電網(wǎng)數(shù)據(jù)形成連接，利用電網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集庫(kù)負(fù)責(zé)采集電網(wǎng)實(shí)體層內(nèi)所包含系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)信息傳遞[7-8]。

1.2.1 數(shù)字孿生體與運(yùn)維實(shí)體映射

電網(wǎng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型通過(guò)數(shù)字孿生體和運(yùn)維實(shí)體映射方式實(shí)現(xiàn)，數(shù)字孿生體模型與實(shí)體映射關(guān)系如圖3所示。

圖3 數(shù)字孿生體模型與實(shí)體映射關(guān)系示意

數(shù)字孿生體模型與實(shí)體映射步驟如下：

Step1：建立數(shù)字孿生模型。依據(jù)電網(wǎng)實(shí)際情況建立其仿真分析模型，按照電網(wǎng)設(shè)備功能定義數(shù)字化模型，以數(shù)字化線程的方式展示電網(wǎng)遠(yuǎn)程運(yùn)維的控制流程，結(jié)合電網(wǎng)設(shè)備管理系統(tǒng)、數(shù)字化電網(wǎng)運(yùn)行系統(tǒng)、數(shù)字化檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成全環(huán)節(jié)模型[9]。

Step2：利用數(shù)字線程組件運(yùn)維周期模型，且該模型與電網(wǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相匹配，利用CPS技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)之間的同步功能，相關(guān)工作人員通過(guò)遠(yuǎn)程方式觀測(cè)到電網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行情況。

Step3：利用數(shù)字線程組件運(yùn)維周期模型內(nèi)電網(wǎng)運(yùn)行周期線程，將電能從形成—輸送—使用的過(guò)程形成數(shù)字孿生影像，從而產(chǎn)生電網(wǎng)運(yùn)維到電網(wǎng)運(yùn)行的回饋[10]。根據(jù)電網(wǎng)設(shè)備結(jié)構(gòu)組成，建立控制服務(wù)器與仿真服務(wù)器，將仿真服務(wù)器的輸出作為控制指標(biāo)，使用物聯(lián)網(wǎng)傳輸遠(yuǎn)程運(yùn)維采集到的電網(wǎng)數(shù)據(jù)。根據(jù)電網(wǎng)實(shí)際情況設(shè)置其服務(wù)器組，利用該服務(wù)器組內(nèi)的控制服務(wù)器獲取映射庫(kù)內(nèi)映射數(shù)據(jù)，使用其驅(qū)動(dòng)模塊依據(jù)控制信號(hào)生成控制指令，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)設(shè)備控制[11-12]，而數(shù)據(jù)映射設(shè)備由硬件存儲(chǔ)和軟件數(shù)據(jù)庫(kù)等組成，可保障電網(wǎng)數(shù)據(jù)與遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)保持統(tǒng)一性。

2.2.2 電網(wǎng)數(shù)據(jù)整合與分析

數(shù)據(jù)整合是實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的基礎(chǔ)，首先通過(guò)中間件技術(shù)統(tǒng)一訪問(wèn)和調(diào)用電網(wǎng)相關(guān)數(shù)據(jù)，其次將價(jià)值較大數(shù)據(jù)整合后保存至數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)，完成電網(wǎng)數(shù)據(jù)整合[13]。

電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)主要存儲(chǔ)于電網(wǎng)的生產(chǎn)管理系統(tǒng)、自動(dòng)化計(jì)量系統(tǒng)等，主要存儲(chǔ)設(shè)備臺(tái)賬信息、電能計(jì)量以及電網(wǎng)歷史運(yùn)行信息等。為簡(jiǎn)化電網(wǎng)數(shù)據(jù)整合過(guò)程，以字段的形式表示電網(wǎng)相關(guān)數(shù)據(jù)[14-15]，本文所研究的電網(wǎng)數(shù)據(jù)字段表達(dá)如下。

線路ID：VARCHAR2(32)；電壓等級(jí)：VARCHAR2(32)；饋線類(lèi)型：VARCHAR2(32)；供電區(qū)分類(lèi)：CHAR(1)；配變名稱(chēng)：VARCHAR2(200)；額定容量：NUMBER(10，3)；生命周期：VARCHAR2(20)；供電半徑：NUMBER(10，3)；絕緣類(lèi)型：VARCHAR2(32)；導(dǎo)線長(zhǎng)度：NUMBER(10，3)；是否為主干：CHAR(1)。

這里VARCHAR2(n)表示字符串最長(zhǎng)為n的字符串，NUMBER(10，3)表示該數(shù)值最大位數(shù)為10，小數(shù)點(diǎn)后精確至第3位。

3 實(shí)驗(yàn)分析

以章節(jié)1電網(wǎng)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，通過(guò)建立該電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集與實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，構(gòu)建電網(wǎng)數(shù)字孿生體模型，并對(duì)該電網(wǎng)展開(kāi)數(shù)字化轉(zhuǎn)型研究。

電網(wǎng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)是數(shù)字化轉(zhuǎn)型的直接表現(xiàn)形式之一，從電網(wǎng)集配狀態(tài)監(jiān)控、輸電量規(guī)劃與完成占比3個(gè)方面測(cè)試本文方法數(shù)據(jù)呈現(xiàn)效果，結(jié)果如圖4所示。

圖4 電網(wǎng)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)效果

分析圖4(a)可知，使用本文方法所呈現(xiàn)的該電網(wǎng)各個(gè)直流的集配比清晰明了，從圖4(b)可看出該電網(wǎng)輸電量完成比例、進(jìn)行中輸電比例等，由此可知，利用本文方法呈現(xiàn)的數(shù)字化電網(wǎng)數(shù)據(jù)顯著性較強(qiáng)，可為未來(lái)電網(wǎng)規(guī)劃提供簡(jiǎn)潔、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

統(tǒng)計(jì)該電網(wǎng)2015年1—8月的電網(wǎng)設(shè)備故障情況，并與本文方法的數(shù)字化轉(zhuǎn)型呈現(xiàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖5所示。分析圖5可知，該電網(wǎng)在2015年1—8月共發(fā)生29次故障，使用本文數(shù)字化轉(zhuǎn)型方法所統(tǒng)計(jì)的故障結(jié)果和電網(wǎng)實(shí)際故障結(jié)果完全相同。由此可見(jiàn)，本文方法可有效體現(xiàn)電網(wǎng)當(dāng)前狀態(tài)數(shù)據(jù)，應(yīng)用價(jià)值較高。

圖5 電網(wǎng)故障情況對(duì)比結(jié)果

以電網(wǎng)故障數(shù)量、設(shè)備損耗、電量消耗作為檢驗(yàn)本文方法實(shí)際使用效應(yīng)指標(biāo)，統(tǒng)計(jì)使用本文方法對(duì)該電網(wǎng)進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)型12個(gè)月后的電網(wǎng)情況，驗(yàn)證本文方法實(shí)際使用效應(yīng)，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 數(shù)字化轉(zhuǎn)型后電網(wǎng)情況

分析表1可知，使用本文方法對(duì)該電網(wǎng)進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)型后的第1—5月，該電網(wǎng)的故障數(shù)量由6次下降至1次，故障次數(shù)降低明顯，隨著月份的增加，該電網(wǎng)故障次數(shù)始終為0；而在設(shè)備損耗方面，從1—8月，設(shè)備損耗金額降低幅度較大，隨后9—12月該電網(wǎng)設(shè)備損耗金額始終在0.46萬(wàn)～0.55萬(wàn)元浮動(dòng)，在電量損耗方面與設(shè)備損耗趨勢(shì)相同。由此可見(jiàn)，使用本文方法數(shù)字化轉(zhuǎn)型后，可依據(jù)數(shù)字化轉(zhuǎn)型呈現(xiàn)的清晰、直觀數(shù)據(jù)展開(kāi)相應(yīng)應(yīng)急措施，及時(shí)避免故障發(fā)生，降低電網(wǎng)及相關(guān)設(shè)備損耗，有效提升電網(wǎng)整體質(zhì)量，其實(shí)際使用效應(yīng)較高。

使用本文方法展示該電網(wǎng)各個(gè)直流線路的級(jí)塊負(fù)荷情況，結(jié)果見(jiàn)表2；并依據(jù)該電網(wǎng)直流線路的級(jí)塊負(fù)荷數(shù)據(jù)分析其容載比并對(duì)該電網(wǎng)進(jìn)行分區(qū)優(yōu)化，結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 電網(wǎng)直流線路級(jí)塊負(fù)荷情況

分析表2與表3可知，該電網(wǎng)各個(gè)直流線路的容載比均超過(guò)2%，且平均容載比為2.43%，依據(jù)國(guó)家電網(wǎng)硬性規(guī)定，電網(wǎng)容載比不低于2%，可知該電網(wǎng)的高壓電源容量符合用電需求。其中，洛溪渡直流、興安直流和糯扎渡直流的容載比稍低，表明三者的局部容量偏小。為此，可利用數(shù)字化預(yù)測(cè)并結(jié)合人工介入的方式對(duì)電網(wǎng)實(shí)施整頓，使電網(wǎng)運(yùn)行流程及分布更具合理性。由此可見(jiàn)，本文方法可提升電力行業(yè)信息交互水平，為電力行業(yè)提供更直觀、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)展示。

4 結(jié)論

本文結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)及理論知識(shí)，研究基于數(shù)字孿生的電網(wǎng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型方法，以某省級(jí)電網(wǎng)為研究對(duì)象，從多個(gè)方面展開(kāi)實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明：該法可清晰明了地展示電網(wǎng)直流集配情況，呈現(xiàn)的電網(wǎng)數(shù)據(jù)具有較強(qiáng)的顯著性；獲取電網(wǎng)故障結(jié)果和電網(wǎng)實(shí)際故障結(jié)果一致，應(yīng)用價(jià)值較高；使用該法后，電網(wǎng)故障次數(shù)降低明顯，隨著使用時(shí)間的增加，電網(wǎng)故障次數(shù)為0；可直觀展示電網(wǎng)容載比情況，結(jié)合人工介入方式，使電網(wǎng)整體合理性得以提升。