國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司邢臺(tái)供電分公司 楊世棟 韓琳娜

引言

智慧變電站最初的名稱叫做第三代智能變電站，其主要是基于智能變電站設(shè)計(jì)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)其實(shí)現(xiàn)整體上的優(yōu)化與完善。其融合了多種現(xiàn)代化先進(jìn)的信息技術(shù)，如大數(shù)據(jù)、云計(jì)算及人工智能等，通過(guò)對(duì)先進(jìn)傳感技術(shù)的合理有效應(yīng)用提供了相應(yīng)的智慧化服務(wù)功能。有利于減輕相關(guān)工作人員的工作壓力、實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行效率的更進(jìn)一步提高、減少相關(guān)誤操作以及提高管理工作開(kāi)展效果。

當(dāng)下的智慧化技術(shù)已經(jīng)在我國(guó)的一些試點(diǎn)工程嘗試應(yīng)用。

1 數(shù)字孿生技術(shù)簡(jiǎn)介

數(shù)字孿生技術(shù)具體來(lái)說(shuō)就是針對(duì)已有或是即將有的實(shí)體對(duì)象的數(shù)字模型，展開(kāi)相應(yīng)的測(cè)量、仿真和數(shù)據(jù)分析工作，主要的目的是為了能更好地感知、診斷及預(yù)測(cè)目標(biāo)對(duì)象的真實(shí)狀態(tài)，采用優(yōu)化或指令的方式對(duì)該對(duì)象的相關(guān)行為給予相應(yīng)的調(diào)控，采用有關(guān)數(shù)字模型互相展開(kāi)學(xué)習(xí)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)自身的進(jìn)步，在這個(gè)過(guò)程中也能優(yōu)化有關(guān)利益方在針對(duì)對(duì)象生命周期當(dāng)中的相關(guān)決策[1]。

美國(guó)有關(guān)部門在最初嘗試通過(guò)對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用為航空航天飛行器的健康提供有效的保障，GE公司通過(guò)加強(qiáng)對(duì)仿真技術(shù)的應(yīng)用建立了較為完善的航空發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)視以及診斷系統(tǒng)，在仿真物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支持下，其能夠?qū)Πl(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行透視，同時(shí)也能夠?qū)娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的磨損狀況以及對(duì)其展開(kāi)維修工作的適宜時(shí)間給予合理判斷，這樣便能實(shí)現(xiàn)早期預(yù)警以及實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的有效監(jiān)控[2]。

智慧變電站的數(shù)字孿生系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)了數(shù)字孿生理念和數(shù)字孿生技術(shù)的有效結(jié)合，嘗試將其應(yīng)用在電力行業(yè)中。在系統(tǒng)當(dāng)中結(jié)合了無(wú)人機(jī)及機(jī)器人等智能技術(shù)，同時(shí)也包含了傳感器及其它相應(yīng)的監(jiān)測(cè)手段，在此基礎(chǔ)上形成了智慧變電站當(dāng)中的電氣設(shè)備數(shù)據(jù)資源，將人工智能技術(shù)作為此變電站的核心，在進(jìn)行深入探索及行業(yè)化知識(shí)圖譜的基礎(chǔ)上，通過(guò)通信5G技術(shù)和大數(shù)據(jù)等眾多現(xiàn)代化先進(jìn)技術(shù)的合理應(yīng)用開(kāi)展全面的診斷工作及預(yù)測(cè)性運(yùn)維工作，從而達(dá)到了針對(duì)變電站高效管理、檢測(cè)的精益化及高效管控的目的，同時(shí)也使得針對(duì)變電站相關(guān)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的感知力及管控力的更進(jìn)一步提高，為變電站生產(chǎn)的安全性提供有效的保障，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)變電站運(yùn)檢精益管理水平的整體提高來(lái)說(shuō)同樣具有非常積極的意義[3]。

對(duì)于變電站加強(qiáng)智慧化新技術(shù)的研發(fā)以及應(yīng)用來(lái)說(shuō)，其為智能電網(wǎng)發(fā)展的重要方向，其有效地利用了具有高度靈敏性的傳感器，針對(duì)變電站整體存在的一次以及二次設(shè)備各方面信息以及參數(shù)進(jìn)行收集，包括狀態(tài)參數(shù)、環(huán)境參數(shù)和動(dòng)力參數(shù)等，將通信數(shù)據(jù)網(wǎng)、人工AI智能及移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代化技術(shù)的合理應(yīng)用來(lái)開(kāi)展智慧變電站的建設(shè)工作，充分發(fā)揮智慧變電站應(yīng)有的全面感知及信息共享等功能，以此來(lái)從整體上促進(jìn)變電站內(nèi)部開(kāi)展運(yùn)維管理工作的現(xiàn)代化以及智能化，為變電站運(yùn)行的安全性以及穩(wěn)定性提供有效的保障，此外也有利于實(shí)現(xiàn)變電站檢修質(zhì)量的更進(jìn)一步提升，進(jìn)而很大程度降低變電站運(yùn)維投入的費(fèi)用[4]。

2 智慧變電站的孿生關(guān)鍵技術(shù)

2.1 解決方案

需嚴(yán)格遵循相關(guān)規(guī)定要求，將安全分區(qū)以及橫向隔離等有效的安全防護(hù)策略充分落實(shí)下去，以此來(lái)為數(shù)據(jù)及網(wǎng)絡(luò)的安全性提供有效的保障。嚴(yán)格落實(shí)相關(guān)電力標(biāo)準(zhǔn)，在功能性方面需要能夠有效滿足場(chǎng)景的具體需求，對(duì)于非功能性方面需要有效滿足在性能、可靠性及穩(wěn)定性等相關(guān)要求。

數(shù)字孿生技術(shù)通過(guò)對(duì)物理數(shù)學(xué)模型以及傳感器的有效應(yīng)用開(kāi)展數(shù)據(jù)的采集工作，實(shí)現(xiàn)了各領(lǐng)域、物理參數(shù)以及多維度的集成，基于虛擬空間進(jìn)行映射，以此來(lái)針對(duì)實(shí)體設(shè)備的整個(gè)生命周期開(kāi)展有效的監(jiān)測(cè)工作。采用建立物理實(shí)體孿生模型的方式，同時(shí)在此基礎(chǔ)上開(kāi)展仿真方面的工作，能夠?qū)?shí)體實(shí)際的運(yùn)行狀況給予實(shí)時(shí)反映，將孿生模型反饋?zhàn)鳛橹饕罁?jù)針對(duì)物理實(shí)體運(yùn)行參數(shù)給予有效調(diào)解，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整體優(yōu)化效果。

2.2 云端-邊緣端協(xié)同數(shù)字孿生服務(wù)平臺(tái)

對(duì)于智慧變電站來(lái)說(shuō)，其所涉及到的領(lǐng)域以及物理設(shè)備都較為廣泛，數(shù)據(jù)采集不斷朝著多樣化的方向邁進(jìn)，同時(shí)數(shù)據(jù)量表現(xiàn)的增長(zhǎng)趨勢(shì)為指數(shù)級(jí)。普通的數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)已經(jīng)明顯不能有效滿足在數(shù)據(jù)方面高效處理的需求，所以對(duì)于云端-邊緣端協(xié)同數(shù)字孿生服務(wù)平臺(tái)的構(gòu)建迫在眉睫[5]。對(duì)于其中的邊緣端需要加強(qiáng)對(duì)當(dāng)下智能設(shè)備的有效應(yīng)用開(kāi)展一些相應(yīng)的本地計(jì)算工作，而在云端方面需要對(duì)各個(gè)設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)給予整合完成之后開(kāi)展相應(yīng)的運(yùn)算工作。采用建立數(shù)據(jù)鏈以及相關(guān)模型庫(kù)、算法庫(kù)的方式，在本有多源異構(gòu)數(shù)據(jù)分析任務(wù)的基礎(chǔ)上，開(kāi)展相應(yīng)的協(xié)同分工工作，這便能夠?yàn)閷?shí)現(xiàn)數(shù)字孿生技術(shù)的合理有效應(yīng)用做好鋪墊。

2.2.1 智慧能源系統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈設(shè)計(jì)

針對(duì)智慧變電站而言，其每個(gè)相關(guān)設(shè)備的結(jié)構(gòu)、采用的工藝、性能以及運(yùn)行等方面的參數(shù)都會(huì)或多或少地對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行服務(wù)造成相應(yīng)的影響。針對(duì)數(shù)據(jù)采集、傳輸以及分析等方面開(kāi)展的數(shù)據(jù)鏈設(shè)計(jì)工作，要求在數(shù)據(jù)鏈和整個(gè)生命周期方面之間的映射關(guān)系給予深入的分析和探索，在數(shù)據(jù)鏈各個(gè)相應(yīng)對(duì)應(yīng)關(guān)系研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)以及智能機(jī)器的應(yīng)用來(lái)展開(kāi)智能算法的學(xué)習(xí)，從而獲取整個(gè)生命周期針對(duì)數(shù)據(jù)鏈的相關(guān)設(shè)計(jì)方法。

2.2.2 通用智能算法庫(kù)

加強(qiáng)對(duì)云端和邊緣端服務(wù)智能算法庫(kù)的建立，需要保證該智能算法庫(kù)的精確性以及可動(dòng)態(tài)拓展性，基于該智能算法庫(kù)的支持，能夠有效提高智慧變電站系統(tǒng)分布式計(jì)算工作開(kāi)展的效率，充分發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算等計(jì)算機(jī)資源的功能。針對(duì)此智能算法庫(kù)來(lái)說(shuō)，其體系具備較強(qiáng)的合理性，在智慧變電站上有著較強(qiáng)的適用性，此智能算法同樣包含了數(shù)據(jù)清洗算法字庫(kù)。最為重要的是，在云端協(xié)同體系基礎(chǔ)上開(kāi)展的專業(yè)算法應(yīng)用，能夠有效進(jìn)行專業(yè)算法的實(shí)例化驗(yàn)證，同時(shí)也有利于迭代生長(zhǎng)。

2.2.3 通用精細(xì)化模型庫(kù)

智慧變電站擁有精細(xì)化模型庫(kù)能夠在模型的精細(xì)化以及個(gè)性化建模方面發(fā)揮非常重要的作用。建立相應(yīng)的云端-邊緣端數(shù)據(jù)交互機(jī)制，能滿足數(shù)字孿生模型在數(shù)據(jù)和交互接口方面的相關(guān)要去，進(jìn)而達(dá)到了數(shù)據(jù)縱向貫通的效果。通過(guò)在云端以及邊緣端相應(yīng)的數(shù)據(jù)約簡(jiǎn)合并技術(shù)展開(kāi)更為深入的分析和探索，在此基礎(chǔ)上來(lái)展開(kāi)復(fù)雜事件處理引擎方面的設(shè)計(jì)工作，從而加強(qiáng)對(duì)能源系統(tǒng)模型庫(kù)的建立，這對(duì)于促進(jìn)服務(wù)橫向融合來(lái)說(shuō)是非常有利的。

2.3 智慧變電站的高效仿真以及混合建模技術(shù)

機(jī)械、電氣以及信息等系統(tǒng)為智慧變電站非常重要的組成部分，針對(duì)其需要能從多個(gè)角度對(duì)其開(kāi)展更為全面的建模以及仿真工作，對(duì)相關(guān)虛實(shí)信息進(jìn)行傳遞同時(shí)將其映射到相關(guān)的數(shù)據(jù)孿生模型當(dāng)中，形成模型和數(shù)據(jù)結(jié)合的混合驅(qū)動(dòng)方式，以此來(lái)作出更高程度的仿真，能夠基于虛擬環(huán)境或是更具復(fù)雜性的工況下針對(duì)變電站性能開(kāi)展相應(yīng)的預(yù)測(cè)以及分析工作。

2.3.1 建模與仿真技術(shù)

由于實(shí)際上的智慧變電站具有較強(qiáng)的復(fù)雜性，所以相關(guān)的工作人員不能單純?cè)谖锢硇?yīng)以及單一尺度數(shù)據(jù)方面進(jìn)行考慮，這樣就比較容易忽視多物理場(chǎng)和多尺度兩者存在的相應(yīng)耦合關(guān)系。通過(guò)對(duì)有限元仿真軟件的合理有效應(yīng)用建立相應(yīng)的仿真模型，保證該仿真模型能夠包含電、熱以及力，同時(shí)能夠有效體現(xiàn)出歷史以及未來(lái)效應(yīng)，需要相關(guān)技術(shù)人員能夠基于多個(gè)角度針對(duì)智慧變電站相應(yīng)的仿真模型開(kāi)展分析以及評(píng)價(jià)方面的工作。

2.3.2 在模型驅(qū)動(dòng)與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)融合基礎(chǔ)上的建模技術(shù)

智慧變電站存在的兩個(gè)明顯的特征就是具有較強(qiáng)的不確定性以及復(fù)雜化，而當(dāng)前階段開(kāi)展的狀態(tài)分析工作通常都是加強(qiáng)對(duì)預(yù)先建立機(jī)理模型的應(yīng)用，在具體應(yīng)用的過(guò)程中融合了簡(jiǎn)化約束，此種狀況的存在使得處于復(fù)雜環(huán)境當(dāng)中不能夠獲取可以有效滿足性能方面需求的模型。如果采用普通的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方式，那么便無(wú)法有效將客觀物理規(guī)律約束完整描述下來(lái)，所以單純采用模型驅(qū)動(dòng)以及數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)是不能夠有效滿足能源系統(tǒng)在智能化以及時(shí)效性方面的需求的，而將模型與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)兩者結(jié)合在一起形成的混合建模技術(shù)，能夠加強(qiáng)對(duì)類別均衡算法以及策略網(wǎng)絡(luò)方式的應(yīng)用，改善原始數(shù)據(jù)在類別方面出現(xiàn)的缺乏均衡性或者是缺失方面的情況。

在代價(jià)敏感學(xué)習(xí)以及及其學(xué)習(xí)相關(guān)識(shí)別方法的支持下，能夠有效彌補(bǔ)機(jī)理模型無(wú)法建模以及忽略部分特征方面存在的缺陷?；诨旌辖＜夹g(shù)的集成學(xué)習(xí)算法，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)方式所具備泛化能力的更進(jìn)一步提升。

2.4 數(shù)字孿生技術(shù)信息安全防御機(jī)制

智慧變電站主要是通過(guò)一個(gè)信息網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)的連接，所以該系統(tǒng)具備復(fù)雜性的特點(diǎn)，其針對(duì)網(wǎng)絡(luò)方面也有著非常強(qiáng)的依賴性。對(duì)于具體的信息交流來(lái)說(shuō)，此環(huán)節(jié)工作開(kāi)展的可靠性和系統(tǒng)運(yùn)行的安全性以及穩(wěn)定性之間存在著非常密切的聯(lián)系，無(wú)論是哪一個(gè)設(shè)備出現(xiàn)了安全問(wèn)題都容易造成系統(tǒng)數(shù)據(jù)發(fā)生泄漏。對(duì)于智慧變電站存在的篡改風(fēng)險(xiǎn)方面來(lái)說(shuō)，要求能夠在網(wǎng)絡(luò)攻擊監(jiān)測(cè)以及防御技術(shù)方面給予更為深入的探索，通過(guò)此種方式來(lái)為智慧變電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供有效的保障。

2.4.1 多模型檢測(cè)技術(shù)

在智慧變電站終端的多源傳感信息的基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮AI算法在目標(biāo)攻擊行為方面特征表現(xiàn)的挖掘功能，同時(shí)更進(jìn)一步提高模型具備的泛化能力。在多種分類模型底層器庫(kù)方面，形成分類結(jié)果集成輸出模塊，以此來(lái)保證針對(duì)數(shù)據(jù)完整性開(kāi)展監(jiān)測(cè)工作的精準(zhǔn)性。

2.4.2 形成安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估準(zhǔn)入機(jī)制

通過(guò)對(duì)AI、統(tǒng)計(jì)學(xué)以及信息論方法的合理有效應(yīng)用，形成相應(yīng)的安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估機(jī)制。在此基礎(chǔ)上針對(duì)智慧變電站的每一個(gè)子系統(tǒng)開(kāi)展相應(yīng)的大數(shù)據(jù)分析工作，針對(duì)每一個(gè)子系統(tǒng)存在的信息安全問(wèn)題實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)量化。如果實(shí)際當(dāng)中子系統(tǒng)包含的風(fēng)險(xiǎn)數(shù)值要一定程度大于所設(shè)備的閾值，那么需要控制此子系統(tǒng)的準(zhǔn)入，這對(duì)于提高安全風(fēng)險(xiǎn)訪問(wèn)控制效果來(lái)說(shuō)具有非常積極的意義。

3 數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景

通過(guò)對(duì)智慧變電站數(shù)字孿生系統(tǒng)的合理有效應(yīng)用能夠有效滿足變電站針對(duì)多種群體類型在電力生產(chǎn)方面提出了安全穩(wěn)定等要求，能夠在多種場(chǎng)景下發(fā)揮效用，針對(duì)設(shè)備能夠保證所開(kāi)展管理工作的精細(xì)化，同時(shí)也能夠針對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)給予精益分析，在此基礎(chǔ)上形成較為完善的變電站運(yùn)維體系。

通過(guò)對(duì)所獲取多源實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的合理有效應(yīng)用開(kāi)展多方位的學(xué)習(xí)，針對(duì)電氣設(shè)備的實(shí)時(shí)參量給予有效監(jiān)測(cè)，同時(shí)也能夠開(kāi)展智能化運(yùn)維，在資源調(diào)度方面給予整體上的優(yōu)化。加強(qiáng)對(duì)多種類型運(yùn)行場(chǎng)景知識(shí)庫(kù)模型的構(gòu)建，對(duì)平臺(tái)本有的功能給予相應(yīng)的整合以及完善，將組件化、模塊化和相關(guān)功能給予有效組合，同時(shí)將其應(yīng)用到實(shí)際。通過(guò)對(duì)專家知識(shí)庫(kù)擁有多維度數(shù)據(jù)的有效應(yīng)用開(kāi)展綜合比較工作以及采用人工智能分析的方式，在大數(shù)據(jù)的支持下實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的感知以及預(yù)測(cè)，這樣便能夠達(dá)到資產(chǎn)全生命周期管理的目的。

總的來(lái)說(shuō)，通過(guò)對(duì)智慧變電站數(shù)字孿生系統(tǒng)的合理應(yīng)用，能夠有效收集設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中的狀態(tài)數(shù)據(jù)，同時(shí)通過(guò)3D建模的方式將其展示出來(lái)，在實(shí)時(shí)大數(shù)據(jù)的支持下能夠有效發(fā)揮分析設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、預(yù)警和巡檢等相應(yīng)功能。在智慧變電站狀態(tài)監(jiān)測(cè)和傳感系統(tǒng)的支持下，能夠?qū)崿F(xiàn)智慧變電站應(yīng)用場(chǎng)景的整體優(yōu)化和完善，能夠?yàn)楹罄m(xù)相關(guān)的智慧變電站應(yīng)用方案的設(shè)備提供重要的參考依據(jù)以及支撐，進(jìn)而獲取更為客觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。