楊可軍,張 可,黃文禮,陳博文

(安徽南瑞繼遠(yuǎn)電網(wǎng)技術(shù)有限公司,安徽 合肥 230088)

0 引 言

變電站內(nèi)變電設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行關(guān)系到整個(gè)電網(wǎng)主干網(wǎng)及配電網(wǎng)的安全。為實(shí)現(xiàn)對(duì)變電設(shè)備狀態(tài)的感知與管控[1]，變電站設(shè)備的運(yùn)維巡檢一直是國(guó)家電網(wǎng)的重點(diǎn)工作內(nèi)容之一?，F(xiàn)有變電站內(nèi)設(shè)備的巡檢工作主要是利用相關(guān)檢測(cè)儀器在變電設(shè)備正常運(yùn)行工作中，測(cè)定其設(shè)備的裂紋、變形、狀態(tài)等物理量，量化分析設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，定位設(shè)備缺陷異常。其中，作為設(shè)備狀態(tài)感知的主要手段，運(yùn)維工作從早期的人工巡檢發(fā)展到現(xiàn)在依托于高清攝像頭、傳感器、機(jī)器人等智能化設(shè)備的聯(lián)合運(yùn)維[2]。

目前，巡檢方式已經(jīng)由人工巡檢逐步轉(zhuǎn)向?yàn)橐劳袀鞲衅?、機(jī)器人、高清攝像頭的自動(dòng)巡檢方式，可以實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)自動(dòng)運(yùn)維和實(shí)時(shí)手動(dòng)巡檢，減少了現(xiàn)場(chǎng)對(duì)變電設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)的作業(yè)量[3-4]。然而，現(xiàn)有變電站運(yùn)維巡檢方式存在一些問(wèn)題：1)一些電力物聯(lián)網(wǎng)或運(yùn)維分析云平臺(tái)及系統(tǒng)，主要涉及傳感數(shù)據(jù)、換流變、調(diào)相機(jī)、GIS等歷史數(shù)據(jù)的接入與展示，對(duì)其數(shù)據(jù)的分析、算法模型迭代等方面并無(wú)深入研究及應(yīng)用；2)目前變電站聯(lián)合巡檢缺乏云邊協(xié)調(diào)機(jī)制，仍多局限于站內(nèi)終端，其計(jì)算能力不足，無(wú)法充分發(fā)揮云端數(shù)據(jù)及算法對(duì)邊端算法的支撐和優(yōu)化。

2003年，數(shù)字孿生的概念最早由Grieves教授提出[5]，Grieves將數(shù)字孿生定義成3個(gè)模型，分別是物理實(shí)體、虛擬實(shí)體模型及二者之間的連接模型。2010年，正式將數(shù)字孿生[8]概念應(yīng)用到太空飛行器的規(guī)劃設(shè)計(jì)中。次年，基于太空飛行器的數(shù)字孿生范例由美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室建立，通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)搭建飛行器生產(chǎn)、測(cè)試全過(guò)程的虛擬化，完成對(duì)飛行器的工作狀態(tài)、故障等情況的預(yù)警[6-7]。隨著技術(shù)的發(fā)展,數(shù)字孿生這一技術(shù)引起了越來(lái)越多研究人員的興趣，也逐步應(yīng)用到包括城市管理、工業(yè)制造等各個(gè)行業(yè)[9-16]。由此可見(jiàn)，數(shù)字孿生在實(shí)體空間和虛擬空間之間架起新的信息交互橋梁[16]，也為眾多實(shí)際場(chǎng)景中數(shù)字孿生系統(tǒng)的構(gòu)建提供高效、可行的解決方案。

為此，本文基于數(shù)字孿生技術(shù)，研究變電設(shè)備數(shù)字孿生模型，構(gòu)建變電站設(shè)備數(shù)字孿生運(yùn)維系統(tǒng)及框架，實(shí)現(xiàn)變電站設(shè)備健康狀況和運(yùn)行動(dòng)態(tài)的實(shí)時(shí)感知，以及特高壓設(shè)備感知的可視化或透明化。在提升安全性方面，通過(guò)構(gòu)建變電站設(shè)備數(shù)字孿生系統(tǒng)，有效減少因設(shè)備缺陷導(dǎo)致的事故率，縮短非計(jì)劃停電時(shí)間。通過(guò)數(shù)字孿生系統(tǒng)能真實(shí)刻畫(huà)和映射設(shè)備使用狀態(tài)，從因果驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)雙維度加強(qiáng)物理設(shè)備的故障診斷、定位、分析、評(píng)估，實(shí)現(xiàn)對(duì)受損老化器件做到精密遠(yuǎn)程診斷，從而有利于系統(tǒng)運(yùn)維，提高設(shè)備的使用壽命與可靠性，由被動(dòng)定期巡檢向主動(dòng)按需巡檢逐步過(guò)渡，提升人員工作效率，延長(zhǎng)檢修周期，最終實(shí)現(xiàn)變電站內(nèi)多個(gè)系統(tǒng)融合協(xié)同，數(shù)據(jù)共享集成，減輕一線人員工作強(qiáng)度。

1 變電設(shè)備數(shù)字孿生體的內(nèi)涵

充分利用數(shù)字孿生技術(shù)在物理空間與信息空間虛擬仿真優(yōu)勢(shì)，未來(lái)可為電網(wǎng)供配電系統(tǒng)的運(yùn)維提供更加安全、可信的運(yùn)維服務(wù)。本章從現(xiàn)有的數(shù)字孿生的定義及內(nèi)涵、研究現(xiàn)狀給出對(duì)變電設(shè)備數(shù)字孿生體的定義及特點(diǎn)分析。

1.1 數(shù)字孿生的定義及內(nèi)涵

目前，數(shù)字孿生技術(shù)的主要應(yīng)用依然集中在對(duì)各類產(chǎn)品和運(yùn)行維護(hù)階段的各類數(shù)字孿生體的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面。隨著新一代信息技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，數(shù)字孿生已經(jīng)逐步超出現(xiàn)有范疇。本文進(jìn)一步給出數(shù)字孿生、數(shù)字孿生體的定義。

數(shù)字孿生是一種實(shí)現(xiàn)運(yùn)行中的真實(shí)設(shè)備與系統(tǒng)向虛擬化模型映射的技術(shù),它充分利用真實(shí)設(shè)備運(yùn)行模型、實(shí)時(shí)傳感器數(shù)據(jù)、運(yùn)行地歷史等數(shù)據(jù)，從不同方面實(shí)現(xiàn)真實(shí)世界到虛擬空間的模擬[17]，從而實(shí)現(xiàn)真實(shí)設(shè)備整個(gè)運(yùn)行狀態(tài)的全過(guò)程數(shù)字化。同時(shí)，借助安裝在物理設(shè)備上的各類傳感器,基于機(jī)器學(xué)習(xí)分析和相關(guān)虛擬仿真技術(shù)，幾乎可以實(shí)時(shí)地真實(shí)模擬出實(shí)體的實(shí)際狀態(tài)，并通過(guò)虛擬交互接口對(duì)物理實(shí)體進(jìn)行控制[18]。

數(shù)字孿生體是指信息空間中與傳感器、人、物、無(wú)線通信設(shè)備等現(xiàn)實(shí)中物體實(shí)體相對(duì)應(yīng)的數(shù)字化虛擬仿真模型。通過(guò)對(duì)物理世界實(shí)體中多模態(tài)、多尺度、多屬性等參數(shù)仿真模型，構(gòu)建對(duì)應(yīng)的應(yīng)用領(lǐng)域的數(shù)字孿生體，包括孿生傳感器、孿生工廠、孿生無(wú)線通信設(shè)備等，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)物理世界實(shí)體全生命周期和數(shù)據(jù)及模型虛擬化管理，如圖1所示。

圖1 數(shù)字孿生概念模型

1.2 數(shù)字孿生技術(shù)研究現(xiàn)狀

我國(guó)較早將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用到生產(chǎn)車間的模型中，并提出數(shù)字孿生車間模型[12,19]。該模型的核心部分主要包括車間的虛擬化、真實(shí)車間、車間運(yùn)行系統(tǒng)以及車間中的孿生信息4個(gè)部分,通過(guò)車間內(nèi)各種真實(shí)設(shè)備與孿生數(shù)據(jù)的交互，全面提升智能化車間的管理和生產(chǎn)水平。同樣，對(duì)基于數(shù)字孿生技術(shù)的制造領(lǐng)域的應(yīng)用[20-21]，數(shù)字孿生技術(shù)依舊可以實(shí)現(xiàn)對(duì)制造業(yè)中各類設(shè)備層、生產(chǎn)流程的數(shù)字孿生式全流程管控。基于數(shù)字孿生技術(shù)，文獻(xiàn)[22]構(gòu)建面向電力的虛擬化與數(shù)字化模型，實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步表明，數(shù)字孿生技術(shù)的運(yùn)用顯著提升了電力設(shè)備故障判別時(shí)效性，極大減少了人工人力。王安邦等人[23]通過(guò)將數(shù)字孿生實(shí)現(xiàn)虛擬映射，同時(shí)運(yùn)用大數(shù)據(jù)結(jié)合深度學(xué)習(xí)技術(shù)提出了一種車間設(shè)備智能化管理方法，有效解決了傳統(tǒng)車架設(shè)備管理與設(shè)備運(yùn)行中數(shù)據(jù)“孤島”問(wèn)題。

數(shù)字孿生創(chuàng)立之初重點(diǎn)是用來(lái)解決飛機(jī)的故障預(yù)測(cè)，通過(guò)構(gòu)建高同步、高仿真的虛擬模型來(lái)實(shí)現(xiàn)飛機(jī)設(shè)計(jì)的全生命周期管理[7,24]。由于大型設(shè)備整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)部各部分關(guān)聯(lián)緊密，且設(shè)計(jì)過(guò)程的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)難以獲取，因此對(duì)大型設(shè)備的故障預(yù)測(cè)是一項(xiàng)十分復(fù)雜的工作?；谠O(shè)備動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)建立設(shè)備數(shù)字孿生體，能夠快速分析預(yù)測(cè)故障和準(zhǔn)確定位故障原因,并對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)[25]。在現(xiàn)有設(shè)備故障類型和模型基礎(chǔ)上,文獻(xiàn)[26]基于數(shù)字孿生技術(shù)，將設(shè)備故障模式及原因通過(guò)數(shù)據(jù)孿生化后，構(gòu)建出設(shè)備運(yùn)行維護(hù)全過(guò)程的仿真模型，實(shí)現(xiàn)其數(shù)字孿生運(yùn)行維護(hù)模型。趙亮等人[14]將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用到航空產(chǎn)品壽命預(yù)測(cè)，通過(guò)航空產(chǎn)品傳感器不斷進(jìn)行物體實(shí)體與虛擬空間信息數(shù)據(jù)交換,并基于數(shù)據(jù)修正虛擬模型,實(shí)現(xiàn)對(duì)航空設(shè)備故障、運(yùn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的更新，以此指導(dǎo)運(yùn)維決策。根據(jù)變電站相關(guān)設(shè)備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，利用數(shù)字孿生系統(tǒng)能夠模擬變電站設(shè)備運(yùn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)這一技術(shù)特點(diǎn)，文獻(xiàn)[27]分析與初步研究了數(shù)字孿生技術(shù)在變電站智能巡檢中的應(yīng)用，方便了一線員工集中控制設(shè)備狀態(tài)關(guān)鍵信息，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作維護(hù)、自動(dòng)預(yù)警和輔助決策。

1.3 變電設(shè)備數(shù)字孿生體的定義及特點(diǎn)

綜合考慮已有數(shù)字孿生體及系統(tǒng)相關(guān)解釋，本文給出變電設(shè)備孿生體定義：變電設(shè)備孿生體是指變電站內(nèi)相關(guān)變電物理設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行狀況從真實(shí)物理設(shè)備空間到虛擬空間的一種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)映射，同時(shí)這種物理設(shè)備與虛擬的孿生體之間數(shù)據(jù)是相互流動(dòng)的，具有雙向性。從整個(gè)數(shù)字孿生過(guò)程來(lái)看，其綜合了多種變電站物理設(shè)備狀態(tài)、多種數(shù)據(jù)模態(tài)、多屬性等參數(shù)虛擬仿真模型，可以用于模擬、預(yù)測(cè)、監(jiān)測(cè)及診斷變電站正在運(yùn)行的設(shè)備狀況，且隨著對(duì)歷史數(shù)據(jù)模型的分析與模擬，可以通過(guò)不斷與變電站內(nèi)相關(guān)設(shè)備的數(shù)據(jù)交互，逐步提升對(duì)變電站內(nèi)設(shè)備運(yùn)維的效率。

通過(guò)對(duì)變電設(shè)備數(shù)字孿生體的定義可以得出以下結(jié)論：

1)全過(guò)程數(shù)字化：變電設(shè)備數(shù)字孿生體是對(duì)現(xiàn)實(shí)變電站內(nèi)設(shè)備全過(guò)程的數(shù)字化仿真與模擬。

2)信息可交互。變電設(shè)備數(shù)字孿生體可以不斷與現(xiàn)實(shí)變電站各類物理設(shè)備進(jìn)行信息交互。

3)可操作。變電設(shè)備數(shù)字孿生體可用來(lái)模擬、預(yù)測(cè)、診斷及控制變電站內(nèi)相關(guān)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。

4)雙向可流動(dòng)：變電設(shè)備數(shù)字孿生體可以與變電站各類設(shè)備的物理信息實(shí)現(xiàn)雙向反饋。

如圖2所示，變電設(shè)備數(shù)字孿生體的基本特點(diǎn)包括：1)虛擬性，變電設(shè)備數(shù)字孿生體是指變電站內(nèi)相關(guān)物理設(shè)備從物理空間到虛擬空間的數(shù)字化映射，變電設(shè)備孿生體具有虛擬性；2)唯一性，變電站內(nèi)相關(guān)設(shè)備包括相關(guān)傳感器等監(jiān)測(cè)設(shè)備都對(duì)應(yīng)一個(gè)變電設(shè)備數(shù)字孿生體；3)多模態(tài)，變電設(shè)備數(shù)字孿生體不僅僅接收與反饋一種模態(tài)數(shù)據(jù)，可以是數(shù)字、文本、視頻等多種模態(tài)形式；4)多尺度，變電設(shè)備數(shù)字孿生體不僅僅描述的是變電站設(shè)備的外觀特性，還包括內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)等；5)動(dòng)態(tài)性，變電站設(shè)備，數(shù)字孿生體是不斷與現(xiàn)實(shí)物理世界相關(guān)設(shè)備交互信息，不斷完善運(yùn)維性能的過(guò)程；6)雙向性，區(qū)別于仿真技術(shù)的變電設(shè)備數(shù)字孿生體具有雙向性，即變電設(shè)備實(shí)體與孿生體之間的數(shù)據(jù)與信息流通是雙向的，通過(guò)不斷交互信息完成進(jìn)化；7)可計(jì)算與分析，變電設(shè)備數(shù)字孿生體可以通過(guò)數(shù)據(jù)分析，仿真建模來(lái)建立和現(xiàn)實(shí)物理世界設(shè)備的狀態(tài)聯(lián)系。

圖2 變電設(shè)備數(shù)字孿生體模型

2 變電設(shè)備數(shù)字孿生運(yùn)維系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

本文從變電設(shè)備孿生體與運(yùn)維物理實(shí)體映射、變電設(shè)備數(shù)字孿生運(yùn)維系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)與變電設(shè)備協(xié)同運(yùn)維3個(gè)方面闡述變電設(shè)備數(shù)字孿生運(yùn)維系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理與內(nèi)部構(gòu)造。

2.1 系統(tǒng)基本原理

數(shù)字孿生系統(tǒng)主要有：1)真實(shí)世界中的各類實(shí)體；2)虛擬世界的數(shù)字化仿真實(shí)體；3)在真實(shí)世界與虛擬世界交互的數(shù)據(jù)與信息。數(shù)字孿生技術(shù)具有可視化程度高、故障診斷智能、預(yù)測(cè)能力全面、決策水平優(yōu)等優(yōu)勢(shì)，對(duì)變電設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)獲取、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、主動(dòng)預(yù)警過(guò)程仿真模擬具有重要作用。正是由于數(shù)字孿生技術(shù)有著眾多的虛擬化仿真優(yōu)勢(shì)，能極大發(fā)揮現(xiàn)實(shí)世界空間與虛擬空間之間信息有效互通與高效模擬，因此，可以為變電站內(nèi)設(shè)備的運(yùn)維系統(tǒng)提供高效、安全、可信的服務(wù)。

本文設(shè)計(jì)一種用于變電站內(nèi)各實(shí)體設(shè)備與虛擬空間一致性虛擬映射的數(shù)字孿生系統(tǒng)的具體建設(shè)方法，形成變電站設(shè)備運(yùn)行維護(hù)設(shè)備監(jiān)測(cè)、故障報(bào)警、故障預(yù)判以及故障節(jié)點(diǎn)可視化虛擬化系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)變電站設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、狀況的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)感知與孿生數(shù)據(jù)的分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)變電設(shè)備監(jiān)管和運(yùn)維系統(tǒng)更新。充分利用變電站設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的物理模型、變電設(shè)備監(jiān)測(cè)傳感更新數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)等，集成變電設(shè)備運(yùn)維系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)多物理量、多尺度、多模態(tài)的仿真過(guò)程，完成變電設(shè)備實(shí)體空間到數(shù)字孿生體虛擬空間的映射，實(shí)時(shí)反映變電設(shè)備實(shí)體的整個(gè)運(yùn)行過(guò)程。

在本文所提的變電設(shè)備數(shù)字孿生運(yùn)維系統(tǒng)中，首先對(duì)變電設(shè)備感知建模，然后對(duì)變電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析推理，最終實(shí)現(xiàn)變電設(shè)備運(yùn)行體系的準(zhǔn)確模型化描述。所構(gòu)建的變電設(shè)備數(shù)字孿生運(yùn)維系統(tǒng)能反映變電站內(nèi)監(jiān)測(cè)運(yùn)行設(shè)備對(duì)象從微觀到宏觀的所有特性，展示變電設(shè)備運(yùn)行周期的變化過(guò)程。本文以換流變、調(diào)相機(jī)、GIS這3類設(shè)備為重點(diǎn)研究對(duì)象，將接入的換流變?cè)诰€監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、調(diào)相機(jī)在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、各類針對(duì)GIS設(shè)備的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反饋回運(yùn)維模型，形成對(duì)應(yīng)的數(shù)字孿生模型。通過(guò)變電設(shè)備數(shù)字孿生運(yùn)維模型的構(gòu)建，變電站設(shè)備不僅可以在運(yùn)行設(shè)備出現(xiàn)狀況時(shí)被動(dòng)預(yù)警，而且可以依據(jù)變電設(shè)備運(yùn)行時(shí)規(guī)則庫(kù)、知識(shí)庫(kù)以及推理算法，實(shí)現(xiàn)變電設(shè)備的主動(dòng)預(yù)警。通過(guò)數(shù)字孿生運(yùn)維系統(tǒng)的建設(shè)，由之前各類變電設(shè)備運(yùn)維系統(tǒng)的被動(dòng)預(yù)警走向主動(dòng)運(yùn)維的更高效、更快捷過(guò)程。整個(gè)變電設(shè)備運(yùn)維的數(shù)字孿生模型內(nèi)容包括：變電設(shè)備數(shù)字孿生運(yùn)維系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)、變電設(shè)備孿生體與遠(yuǎn)程運(yùn)維物理實(shí)體映射、數(shù)字化反饋機(jī)制。

2.2 變電設(shè)備孿生體與遠(yuǎn)程運(yùn)維實(shí)體映射

本文以變電站3類設(shè)備換流變、調(diào)相機(jī)、GIS為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，建立基于3類設(shè)備的數(shù)字孿生模型運(yùn)維系統(tǒng)。3類變電設(shè)備的孿生體與運(yùn)維設(shè)備遠(yuǎn)程的數(shù)字映射關(guān)系如圖3所示，通過(guò)3個(gè)關(guān)鍵步驟的實(shí)施，可以建立變電站3類設(shè)備換流變、調(diào)相機(jī)、GIS實(shí)體與數(shù)字孿生體的映射關(guān)系。主要步驟如下：

圖3 變電設(shè)備數(shù)字孿生體與運(yùn)維設(shè)備實(shí)體映射

1)構(gòu)建變電設(shè)備數(shù)字孿生模型。通過(guò)對(duì)換流變、調(diào)相機(jī)、GIS這3類變電設(shè)備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，建立運(yùn)維仿真模型，再將變電設(shè)備運(yùn)維系統(tǒng)定義為運(yùn)維模型與分析模型，將變電設(shè)備實(shí)體的運(yùn)維控制流程轉(zhuǎn)換為變電設(shè)備孿生體流程，并在各信息流間建立通信模型。變電設(shè)備孿生模型配合變電設(shè)備運(yùn)維系統(tǒng)、分析系統(tǒng)以及信息物理系統(tǒng)的結(jié)果，形成整個(gè)變電設(shè)備數(shù)字孿生模型。

2)通過(guò)變電設(shè)備實(shí)體運(yùn)維系統(tǒng)與變電設(shè)備孿生模型的反饋機(jī)制，集成變電設(shè)備數(shù)字化運(yùn)維與分析系統(tǒng)，變電設(shè)備孿生模型與實(shí)際的變電設(shè)備實(shí)體系統(tǒng)進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)變電設(shè)備虛擬與實(shí)體間仿真模擬的無(wú)縫集成和同步，從而在變電設(shè)備數(shù)字孿生運(yùn)維系統(tǒng)中看到實(shí)際物理變電設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)。

3)通過(guò)貫穿整個(gè)變電設(shè)備運(yùn)行周期的實(shí)體運(yùn)維系統(tǒng)，與換流變、調(diào)相機(jī)、GIS這3類變電設(shè)備的監(jiān)測(cè)、分析與運(yùn)維高度集成統(tǒng)一，形成變電設(shè)備的數(shù)字孿生仿真，完成從仿真系統(tǒng)運(yùn)維到實(shí)際運(yùn)維系統(tǒng)的反饋。

2.3 變電設(shè)備數(shù)字孿生運(yùn)維系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)

以換流變、調(diào)相機(jī)、GIS這3類變電設(shè)備的運(yùn)維實(shí)施為例，通過(guò)變電設(shè)備孿生體與設(shè)備實(shí)體及虛擬映射的部署，可以建立變電設(shè)備實(shí)體與變電設(shè)備孿生體的信息關(guān)系映射，以此構(gòu)建變電設(shè)備數(shù)字孿生運(yùn)維系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)。

按照物理機(jī)房結(jié)構(gòu)部署相關(guān)變電設(shè)備的運(yùn)維系統(tǒng)服務(wù)器，其包括變電設(shè)備數(shù)據(jù)采集服務(wù)器、控制服務(wù)器以及仿真模擬服務(wù)器3個(gè)部分。步驟如下：1)將變電設(shè)備運(yùn)維系統(tǒng)所采集的換流變、調(diào)相機(jī)、GIS這3類變電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)傳感器、物理網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集服務(wù)器中；2)針對(duì)獲取的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，搭建變電設(shè)備運(yùn)維系統(tǒng)的仿真服務(wù)器；3)搭建變電設(shè)備遠(yuǎn)程控制服務(wù)器，根據(jù)仿真服務(wù)器輸出結(jié)果，可遠(yuǎn)程控制相關(guān)變電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)；4)部署各類通信、存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，其中數(shù)據(jù)交換裝置由存儲(chǔ)空間設(shè)備和各類系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)組成，需保持變電設(shè)備孿生體數(shù)據(jù)和變電實(shí)體設(shè)備數(shù)據(jù)連接的高效、完整與同步性。

完成變電實(shí)體設(shè)備與其孿生運(yùn)維系統(tǒng)的部署后，根據(jù)圖4的技術(shù)路線搭建變電設(shè)備數(shù)字孿生體各類數(shù)據(jù)傳感監(jiān)測(cè)設(shè)備。換流變、調(diào)相機(jī)、GIS是變電站關(guān)鍵設(shè)備，運(yùn)行相關(guān)傳感器與控制器可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)運(yùn)維。主要控制裝置包括：換流變、調(diào)相機(jī)、GIS控制器。主要監(jiān)測(cè)裝置有：用于換流變的監(jiān)測(cè)傳感器，如壓力、油流速度、鐵心接地電流等。用于調(diào)相機(jī)的在線監(jiān)測(cè)傳感器：如振動(dòng)信號(hào)、磁通量信號(hào)、三相定子電壓、電流信號(hào)、勵(lì)磁電壓、電流信號(hào)、高頻電流信號(hào)、特高頻信號(hào)、溫度信號(hào)等。用于GIS設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)、生產(chǎn)監(jiān)造、出廠交接、運(yùn)維檢修、運(yùn)行工況、環(huán)境氣象等。

根據(jù)圖4，換流變、調(diào)相機(jī)、GIS變電設(shè)備通過(guò)網(wǎng)關(guān)設(shè)備與變電設(shè)備數(shù)字孿生連接。這里網(wǎng)關(guān)設(shè)備包括各類變電設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測(cè)傳感器、控制器和轉(zhuǎn)發(fā)器；變電設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測(cè)傳感器根據(jù)不同的運(yùn)維系統(tǒng)和測(cè)量數(shù)據(jù)選擇；通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議，控制器接入變電設(shè)備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一格式。建立換流變、調(diào)相機(jī)、GIS變電設(shè)備數(shù)字孿生體，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集器接收來(lái)自控制器的信號(hào)，同時(shí)傳輸至變電設(shè)備數(shù)字孿生體和運(yùn)維模型庫(kù)進(jìn)行處理。變電設(shè)備數(shù)字孿生體具有處理變電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、分析運(yùn)行狀態(tài)并最終完成運(yùn)維決策的能力。運(yùn)維狀態(tài)模型庫(kù)存儲(chǔ)變電設(shè)備維護(hù)相關(guān)的模型數(shù)據(jù)，并與實(shí)際變電設(shè)備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)。變電設(shè)備孿生體輸出運(yùn)維決策信號(hào)至運(yùn)維控制器，運(yùn)維控制器形成運(yùn)維操作步驟，通過(guò)運(yùn)維總線反饋至變電設(shè)備的控制裝置，對(duì)實(shí)際變電設(shè)備進(jìn)行運(yùn)維操作。

圖4 變電設(shè)備數(shù)字孿生體設(shè)備

3 變電設(shè)備數(shù)字孿生的協(xié)同運(yùn)維

在變電站設(shè)備傳統(tǒng)的運(yùn)維模式下，幾乎很難實(shí)現(xiàn)位于同一變電站內(nèi)不同變電設(shè)備之間的集成和協(xié)同維護(hù)機(jī)制，通常是通過(guò)單一變電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)不同變電設(shè)備之間的協(xié)同維護(hù)?；跀?shù)字孿生技術(shù)，本文進(jìn)一步提出創(chuàng)建位于同一變電站不同設(shè)備的數(shù)字孿生體，可以通過(guò)與各個(gè)物理實(shí)體反饋，實(shí)現(xiàn)協(xié)同運(yùn)維，如圖5所示。數(shù)字孿生變電運(yùn)維系統(tǒng)可管控位于遠(yuǎn)程變電站的不同變電設(shè)備，與操控本地化變電站設(shè)備一樣，這種協(xié)同運(yùn)維模型更加符合未來(lái)變電站內(nèi)不同設(shè)備運(yùn)維方式，也更適合不同變電站間不同設(shè)備的協(xié)同運(yùn)維。

圖5 變電設(shè)備數(shù)字孿生協(xié)同運(yùn)維路線

4 變電設(shè)備數(shù)字孿生運(yùn)維系統(tǒng)及架構(gòu)

變電設(shè)備數(shù)字孿生運(yùn)維系統(tǒng)架構(gòu)應(yīng)該滿足可模擬、監(jiān)控、計(jì)算、調(diào)節(jié)和控制設(shè)備狀態(tài)和過(guò)程，并且要具有高效性、逼真性。如圖6所示，本文提出的變電設(shè)備數(shù)字孿生運(yùn)維系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)包含3個(gè)主要過(guò)程：

圖6 基于數(shù)字孿生變電設(shè)備運(yùn)維系統(tǒng)框架

1)變電站設(shè)備實(shí)體物理空間以及動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集。利用相關(guān)傳感器采集換流變、調(diào)相機(jī)、GIS等變電設(shè)備在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，如壓力、油流速度、油中溶解氣體、振動(dòng)信號(hào)、磁通量信號(hào)、電壓、電流信號(hào)、溫度、運(yùn)行工況、環(huán)境氣象等多維監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)變電設(shè)備實(shí)體物理資源的實(shí)時(shí)感知。

2)虛擬空間的變電設(shè)備數(shù)字孿生體與運(yùn)維服務(wù)的數(shù)據(jù)模型不斷交互與更新。實(shí)現(xiàn)變電設(shè)備孿生體與物理空間的交互與數(shù)據(jù)更新，利用數(shù)字孿生系統(tǒng)中換流變、調(diào)相機(jī)、GIS的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)等運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，將來(lái)自虛擬空間的變電設(shè)備孿生體與真實(shí)空間的變電設(shè)備實(shí)體間各種運(yùn)行狀況數(shù)據(jù)進(jìn)行映射與關(guān)聯(lián)，兩者之間通過(guò)各種規(guī)則庫(kù)、知識(shí)庫(kù)以及相應(yīng)的推理算法模型來(lái)實(shí)現(xiàn)變電設(shè)備運(yùn)維系統(tǒng)控制信號(hào)及信息的交互。

3)變電設(shè)備數(shù)字孿生體的運(yùn)維監(jiān)控和過(guò)程優(yōu)化反饋。實(shí)現(xiàn)變電設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測(cè)過(guò)程的閉環(huán)反饋控制以及變電設(shè)備數(shù)字孿生體與物理實(shí)體之間的雙向連接，虛擬環(huán)境子系統(tǒng)和應(yīng)用程序之間互相交互。同時(shí)，變電設(shè)備數(shù)字孿生運(yùn)維系統(tǒng)作為變電設(shè)備物理實(shí)體的真實(shí)映射，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜變電設(shè)備運(yùn)維系統(tǒng)的仿真。當(dāng)變電設(shè)備物理空間發(fā)生沖突和干擾時(shí)，可以對(duì)數(shù)字孿生體進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)試，并將信息反饋給物理空間變電設(shè)備實(shí)體，完成變電設(shè)備運(yùn)維系統(tǒng)的不斷優(yōu)化調(diào)整。

5 案例應(yīng)用

本文以安徽南瑞繼遠(yuǎn)電網(wǎng)技術(shù)有限公司數(shù)字孿生的變電設(shè)備運(yùn)維系統(tǒng)為例。該變電設(shè)備站運(yùn)維的設(shè)備包括換流變、調(diào)相機(jī)、GIS等變電設(shè)備，本文重點(diǎn)以GIS設(shè)備為應(yīng)用案例，GIS為整體的物理空間和虛擬映射建模，如圖7和圖8所示。

圖7 變電站現(xiàn)場(chǎng)

圖8 變電站GIS設(shè)備數(shù)字孿生運(yùn)維系統(tǒng)

在變電站的GIS設(shè)備管理中，應(yīng)用相關(guān)傳感器采集GIS設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息，通過(guò)對(duì)采集的數(shù)據(jù)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行訓(xùn)練學(xué)習(xí)，可預(yù)測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)是否正常。同時(shí)，采用數(shù)字孿生運(yùn)維系統(tǒng)對(duì)GIS運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制，再與仿真模型對(duì)比，預(yù)測(cè)可能的故障及其狀態(tài)位置，并產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的GIS的最優(yōu)運(yùn)維策略。

如表1所示，部分GIS設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)可以分幾種類型，主要包括機(jī)械狀態(tài)(分合閘時(shí)間、分合閘速度、分合閘電流峰值及運(yùn)行聲紋等)、SF6氣體狀態(tài)(壓力、溫度、濕度及密度等)、觸頭狀態(tài)(溫度指標(biāo))。

表1 部分GIS設(shè)備狀態(tài)信息

通過(guò)對(duì)GIS運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集，基于機(jī)器學(xué)習(xí)方法，可以將GIS運(yùn)行過(guò)程中采集的歷史數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行訓(xùn)練學(xué)習(xí)，得到運(yùn)行故障模型，與實(shí)際GIS監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，找到故障原因，并分析所采取措施的有效性。

在變電站GIS數(shù)字孿生運(yùn)維系統(tǒng)中，對(duì)構(gòu)造的GIS孿生體應(yīng)用基于支持向量機(jī)機(jī)的器學(xué)習(xí)算法對(duì)GIS運(yùn)行故障進(jìn)行分類，本例中將分合閘時(shí)間、分合閘速度、分合閘電流峰值、壓力、溫度、濕度、密度、觸頭溫度8個(gè)指標(biāo)作為特征數(shù)據(jù)輸入到支持向量機(jī)進(jìn)行學(xué)習(xí)建模，通過(guò)對(duì)這幾種類型數(shù)據(jù)模擬學(xué)習(xí)建模，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的比較預(yù)測(cè)和控制。

從GIS孿生體的數(shù)據(jù)庫(kù)中提取200個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)作為模擬訓(xùn)練特征數(shù)據(jù)，50個(gè)點(diǎn)是計(jì)算出的模擬預(yù)測(cè)點(diǎn)。在實(shí)際GIS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中提取200個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)作為實(shí)測(cè)訓(xùn)練特征數(shù)據(jù)，并計(jì)算獲得50個(gè)實(shí)際預(yù)測(cè)點(diǎn)。從圖9可以發(fā)現(xiàn)，GIS模擬故障預(yù)測(cè)與實(shí)測(cè)預(yù)測(cè)在分類器中類別基本分布一致，具有同樣的預(yù)測(cè)結(jié)果。

圖9 GIS線性孿生支持向量預(yù)測(cè)結(jié)果分布

此外，如圖10所示，在數(shù)字孿生運(yùn)維系統(tǒng)中，針對(duì)GIS運(yùn)行聲紋狀態(tài)的模擬，通過(guò)對(duì)比GIS聲紋穩(wěn)定圖與不穩(wěn)定圖的預(yù)測(cè)值與實(shí)際值，進(jìn)一步準(zhǔn)確地分析預(yù)測(cè)出GIS設(shè)備聲紋在何種音頻下能夠?qū)?yīng)相應(yīng)穩(wěn)定狀態(tài)，如圖11所示。

(a) GIS聲紋穩(wěn)定圖

圖11 GIS聲紋中頻能量分量高于閾值的三頻分量分析圖

6 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)換流變、調(diào)相機(jī)、GIS這3類變電設(shè)備運(yùn)維，本文構(gòu)建了基于數(shù)字孿生理論的變電設(shè)備運(yùn)維模型及系統(tǒng)架構(gòu)。受現(xiàn)有數(shù)字孿生技術(shù)啟發(fā)，初步給出變電設(shè)備孿生體定義。同時(shí)，從變電設(shè)備孿生體與運(yùn)維物理實(shí)體映射、變電設(shè)備數(shù)字孿生運(yùn)維系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)與變電設(shè)備協(xié)同運(yùn)維3個(gè)方面闡述變電設(shè)備數(shù)字孿生運(yùn)維系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理與內(nèi)部構(gòu)造。另外，針對(duì)傳統(tǒng)變電站設(shè)備運(yùn)維模式很難實(shí)現(xiàn)對(duì)位于同一變電站內(nèi)的不同變電設(shè)備之間進(jìn)行協(xié)同維護(hù)問(wèn)題，建立了變電設(shè)備數(shù)字孿生協(xié)同運(yùn)維建設(shè)思路。最后，結(jié)合上述內(nèi)容，從可模擬、監(jiān)控、計(jì)算、調(diào)節(jié)和控制角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了變電設(shè)備數(shù)字孿生運(yùn)維系統(tǒng)整體架構(gòu)。本文設(shè)計(jì)了變電設(shè)備運(yùn)維孿生系統(tǒng)的架構(gòu)，未來(lái)工作一方面需要在擴(kuò)大在大規(guī)模變電設(shè)備中應(yīng)用實(shí)踐；另一方面，擴(kuò)展變電站多種設(shè)備協(xié)同運(yùn)維，以及進(jìn)行不同變電站設(shè)備協(xié)同運(yùn)維框架的構(gòu)建。這都是未來(lái)變電設(shè)備數(shù)字孿生運(yùn)維系統(tǒng)研究的方向。