周泉

摘要：變電站作為電力系統(tǒng)的重要組成部分，其安全穩(wěn)定運(yùn)行關(guān)乎到整個(gè)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。變電站自動(dòng)化、智能化的發(fā)展，不僅可以減少人力成本，提高工作效率，還可以實(shí)現(xiàn)電力資源的優(yōu)化配置。因此，在變電站中實(shí)施數(shù)字孿生技術(shù)具有重要意義。數(shù)字孿生技術(shù)將物理對(duì)象在虛擬空間中進(jìn)行映射，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理對(duì)象狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)采集和監(jiān)測，并利用數(shù)字模型進(jìn)行仿真分析和智能預(yù)測，從而提高生產(chǎn)效率和管理水平。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生；變電站；數(shù)據(jù)可視化；監(jiān)控系統(tǒng)

一、前言

孿生的變電站可視化監(jiān)控與運(yùn)維基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與人工智能技術(shù)，可以對(duì)現(xiàn)實(shí)世界中的變電站進(jìn)行三維建模和可視化監(jiān)控管理，將其所處環(huán)境數(shù)字化并通過傳感器實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，對(duì)現(xiàn)實(shí)世界中的變電站進(jìn)行智能化運(yùn)維管理。通過孿生的變電站可視化監(jiān)控與運(yùn)維平臺(tái)可以對(duì)變電站進(jìn)行全面監(jiān)控和管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備數(shù)據(jù)、運(yùn)行狀態(tài)、工作過程、環(huán)境狀況等信息的采集、分析和預(yù)警。

二、智能巡檢系統(tǒng)

在變電站中實(shí)施智能巡檢系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的全面監(jiān)測，并及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)。該系統(tǒng)可以通過集成激光掃描傳感器和紅外熱成像傳感器，通過無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測和預(yù)警[1]。另外，通過監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)參數(shù)和運(yùn)行工況，還可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障隱患，避免設(shè)備發(fā)生故障。

變電站智能巡檢系統(tǒng)包括設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測模塊、巡檢信息管理模塊和無線網(wǎng)絡(luò)管理模塊。在設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測模塊中，可以對(duì)變電站內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。當(dāng)變電站內(nèi)的設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)提醒工作人員，并及時(shí)采取處理措施。在巡檢信息管理模塊中，工作人員可以及時(shí)查看巡檢信息。在無線網(wǎng)絡(luò)管理模塊中，工作人員可以通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)變電站內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。

在智能變電站的移動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)中，主要包括了人員管理模塊、遠(yuǎn)程查詢模塊、次側(cè)監(jiān)控模塊、告警記錄模塊、故障處理模塊、可視化交互模塊、操作票模塊，后臺(tái)控制模塊等。在這些工作中，像人員管理和遠(yuǎn)程查詢的日常管理功能被設(shè)置在了遠(yuǎn)程訪問系統(tǒng)的服務(wù)器端上，其他的都被設(shè)置在了當(dāng)?shù)氐谋O(jiān)控系統(tǒng)上，具體見圖1。

三、變電站設(shè)備運(yùn)維管理系統(tǒng)

變電站設(shè)備運(yùn)維管理系統(tǒng)利用數(shù)字孿生技術(shù)，以三維可視化形式，模擬變電站設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，提供可視化操作界面，便于工作人員直觀查看設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)。此外，系統(tǒng)還可實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站設(shè)備的故障診斷與分析功能，對(duì)不同設(shè)備的故障類型、原因等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并提供相應(yīng)的故障解決方案。

基于數(shù)字孿生技術(shù)的變電站設(shè)備運(yùn)維管理系統(tǒng)可以對(duì)變電站設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測和故障診斷，提高運(yùn)維效率和質(zhì)量[2]。此外，系統(tǒng)還可以根據(jù)變電站內(nèi)設(shè)備狀態(tài)的變化，生成實(shí)時(shí)狀態(tài)報(bào)告或歷史狀態(tài)報(bào)告，工作人員可以根據(jù)系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)對(duì)變電站內(nèi)的關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行合理有效地維護(hù)。數(shù)字孿生技術(shù)的變電站設(shè)備運(yùn)維管理系統(tǒng)不僅能夠有效解決傳統(tǒng)變電站運(yùn)維模式中存在的問題，還能為未來數(shù)字孿生技術(shù)在變電站中應(yīng)用提供技術(shù)參考和思路借鑒。此外，通過數(shù)字孿生技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)物理對(duì)象狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)采集和監(jiān)測，并利用數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)物理對(duì)象進(jìn)行仿真分析和智能預(yù)測。

四、變電站防誤閉鎖系統(tǒng)

智能防誤閉鎖系統(tǒng)使用了數(shù)字孿生技術(shù)，利用數(shù)字孿生技術(shù)可以實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)。此外，數(shù)字孿生技術(shù)還可以適應(yīng)虛擬空間中模擬設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境。變電站防誤閉鎖系統(tǒng)主要由硬件和軟件組成。硬件設(shè)備包括機(jī)械設(shè)備、通信設(shè)備等。軟件主要由操作控制軟件和監(jiān)控系統(tǒng)軟件組成。操作控制軟件負(fù)責(zé)對(duì)機(jī)械設(shè)備的狀態(tài)信息進(jìn)行采集和監(jiān)測，并實(shí)時(shí)判斷機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)是否符合要求。監(jiān)控系統(tǒng)軟件負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行情況，并根據(jù)情況做出相應(yīng)的判斷和決策。

數(shù)字孿生技術(shù)在變電站防誤閉鎖系統(tǒng)中的應(yīng)用可以提高變電站運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性，減少工作人員的操作失誤，提高工作效率。因此，為了更好地滿足實(shí)際需求，可以選擇采用數(shù)字孿生技術(shù)來實(shí)現(xiàn)變電站防誤閉鎖系統(tǒng)的可視化監(jiān)控與運(yùn)維。在變電站防誤閉鎖系統(tǒng)中使用數(shù)字孿生技術(shù)，可以更好地提高工作人員的工作效率和管理水平。此外，數(shù)字孿生技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)可視化監(jiān)控與運(yùn)維，為變電站管理人員提供決策支持。

五、機(jī)房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

（一）機(jī)房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)

目前，大多數(shù)變電站的機(jī)房都采用傳統(tǒng)的集中監(jiān)控管理模式，對(duì)機(jī)房進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)控管理。然而，由于機(jī)房內(nèi)設(shè)備數(shù)量較多、種類繁多、分布位置分散等原因，集中監(jiān)控管理存在較大風(fēng)險(xiǎn)。因此，為解決集中監(jiān)控管理模式存在的問題，本文提出了一種基于數(shù)字孿生技術(shù)的變電站機(jī)房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。通過在變電站機(jī)房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)中引入數(shù)字孿生技術(shù)，可以將物理對(duì)象映射到虛擬空間中，并通過傳感器采集物理對(duì)象的狀態(tài)信息[3]，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理對(duì)象狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測和數(shù)字模型仿真分析。此外，該系統(tǒng)還可以根據(jù)監(jiān)測結(jié)果對(duì)物理對(duì)象進(jìn)行智能預(yù)測實(shí)現(xiàn)變電站環(huán)境監(jiān)控和運(yùn)維。

（二）遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，在控制中心系統(tǒng)的支持下，對(duì)變電站內(nèi)設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控的一種遠(yuǎn)程監(jiān)視系統(tǒng)。在遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中，對(duì)變電站內(nèi)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測的主要是站內(nèi)的各類傳感器。通過傳感器獲取設(shè)備數(shù)據(jù)，并利用服務(wù)器中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)視。在遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中，采用組態(tài)王作為開發(fā)工具。組態(tài)王作為一款功能強(qiáng)大的組態(tài)軟件，具有良好的兼容性和穩(wěn)定性，可以與各類不同類型的監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行連接。

變電站內(nèi)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)是遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中重要的組成部分。數(shù)字孿生技術(shù)可以通過采集、分析和處理來自現(xiàn)場設(shè)備傳感器數(shù)據(jù)，并利用數(shù)字模型對(duì)其進(jìn)行仿真分析和預(yù)測。隨著數(shù)字孿生技術(shù)在變電站內(nèi)的應(yīng)用越來越廣泛，數(shù)字孿生技術(shù)可以幫助變電站工作人員提前預(yù)測設(shè)備故障并制定相應(yīng)措施，從而提高了變電站運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。

六、數(shù)字化孿生變電所綜述

數(shù)字孿生（Development Evolution）是指實(shí)體與虛擬世界之間的映射關(guān)系，能夠?qū)?shí)體、資源、過程、系統(tǒng)、服務(wù)等進(jìn)行模擬、建模與實(shí)時(shí)再現(xiàn)，并具備可擴(kuò)展、自適應(yīng)、自愈合等特性。利用數(shù)字化李生技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了在數(shù)字化空間內(nèi)的可視化監(jiān)測與運(yùn)行，為變電站管理者實(shí)現(xiàn)了對(duì)變電所設(shè)施的遠(yuǎn)程監(jiān)測與維修提供了一種新的途徑。將數(shù)字化孿生技術(shù)應(yīng)用于變電所，可以對(duì)變電所進(jìn)行可視化的監(jiān)測和運(yùn)營，從而為電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行提供了強(qiáng)有力的支持。

以數(shù)字孿生技術(shù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)實(shí)中的變電站與虛擬變電站的相互映射。在線監(jiān)控技術(shù)中，可以將監(jiān)控的結(jié)果反饋到后臺(tái)運(yùn)營平臺(tái)，并對(duì)其進(jìn)行調(diào)用和展示，從而使實(shí)際的變電所的工作狀態(tài)能夠在虛擬變電所中得到實(shí)時(shí)地反映。運(yùn)行管理平臺(tái)集成了實(shí)際的變電所中的各種電氣設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)，使其能夠從后臺(tái)系統(tǒng)中獲取各種電氣設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)[4]。當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，可以為其提供有效的數(shù)據(jù)支持，判斷出故障的種類和位置，實(shí)現(xiàn)及時(shí)維修，將其扼殺在萌芽狀態(tài)。將“數(shù)字孿生”技術(shù)應(yīng)用到運(yùn)營平臺(tái)上，就等于為運(yùn)營系統(tǒng)添加了一個(gè)運(yùn)營“大腦”。本項(xiàng)目的研究成果，將虛擬與現(xiàn)實(shí)相結(jié)合，采用3D可視化技術(shù)，對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行狀況進(jìn)行快速分析，及時(shí)診斷，精確定位，提升電網(wǎng)運(yùn)行管理的可視化程度，提升電網(wǎng)的智能化管理水平。

在建立孿生虛擬變電站之后，還對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫和顯示頁面展開了設(shè)計(jì)，并對(duì)其進(jìn)行了開發(fā)，該系統(tǒng)還支持三維模型的縮放、旋轉(zhuǎn)及動(dòng)畫演示等功能。利用數(shù)字孿生技術(shù)，構(gòu)建了一個(gè)虛擬變電站的3D模型，并將主控、輔控和保安等設(shè)備收集到的數(shù)據(jù)集成到一起，這樣就可以將收集到的各種設(shè)備的狀態(tài)信息，實(shí)時(shí)地傳輸?shù)竭\(yùn)維系統(tǒng)中，這樣，運(yùn)檢人員就可以不用親自到受控站，也可以了解到受控站各個(gè)關(guān)鍵部件的工作狀況。利用該模型，可以清楚地看到各裝置的工作狀態(tài)。設(shè)計(jì)效果如圖2。

如果有設(shè)備的參數(shù)出現(xiàn)異常，可以選擇這個(gè)設(shè)備的電源，具體的看到它的參數(shù)和工作時(shí)間等信息。以變電站現(xiàn)場的避雷器為例，當(dāng)系統(tǒng)在一定時(shí)間內(nèi)，顯示一個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)的一個(gè)避雷器的數(shù)據(jù)有異常時(shí)，在孿生系統(tǒng)中，單擊這個(gè)避雷器，即可獲取有關(guān)的參數(shù)信息。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行總和、AVG、Max、TopN等聚集運(yùn)算，當(dāng)需要聚集的時(shí)候，可以直接得到聚集的結(jié)果，從而提高了查詢的效率。

七、數(shù)字孿生技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

數(shù)字孿生技術(shù)能夠?yàn)檫\(yùn)維人員提供可視化操作平臺(tái)，使他們能夠?qū)υO(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和維護(hù)[5]。

通過“設(shè)備+環(huán)境”的虛擬數(shù)字孿生，實(shí)現(xiàn)了對(duì)變電站設(shè)備和環(huán)境的三維可視化監(jiān)控，并具備故障診斷、遠(yuǎn)程控制等功能。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)在多個(gè)變電站成功應(yīng)用，效果良好，有效提升了運(yùn)維效率。利用數(shù)字孿生技術(shù)，將變電站的物理實(shí)體和虛擬實(shí)體通過傳感器連接起來，構(gòu)建了一個(gè)三維數(shù)字化模型。設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)可在可視化平臺(tái)上實(shí)時(shí)展示，故障診斷可根據(jù)設(shè)備的不同類型進(jìn)行分析診斷，對(duì)運(yùn)行環(huán)境的監(jiān)控和維護(hù)可在可視化平臺(tái)上進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

故障診斷與遠(yuǎn)程控制，在可視化平臺(tái)上對(duì)設(shè)備進(jìn)行三維展示，直觀、形象地展現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行狀況；在系統(tǒng)中對(duì)故障進(jìn)行分析診斷，并對(duì)故障位置進(jìn)行定位；通過遠(yuǎn)程控制功能對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制或操作，包括開合斷路器、改變運(yùn)行狀態(tài)等；將變壓器油溫、斷路器溫度、高壓開關(guān)溫度等關(guān)鍵參數(shù)通過傳感器連接起來，構(gòu)成變電站的三維可視化監(jiān)控平臺(tái)[6]。運(yùn)維人員可通過鼠標(biāo)在三維平臺(tái)上選擇故障位置和原因，并對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和遠(yuǎn)程控制；系統(tǒng)可根據(jù)設(shè)定的預(yù)警閾值自動(dòng)向運(yùn)維人員發(fā)出警報(bào)，將變壓器油溫升數(shù)據(jù)等關(guān)鍵參數(shù)與操作規(guī)程相結(jié)合，在可視化平臺(tái)上通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊等方式進(jìn)行培訓(xùn)。

八、結(jié)語

基于數(shù)孿生技術(shù)的變電站運(yùn)維平臺(tái)，在傳統(tǒng)的運(yùn)維應(yīng)用基礎(chǔ)上增加孿生虛擬功能。通過三維建模，將變電站內(nèi)實(shí)際電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)在孿生虛擬變電站內(nèi)進(jìn)行映射，操作人員可直觀觀察到站內(nèi)電力設(shè)備的運(yùn)行情況，為設(shè)備精準(zhǔn)運(yùn)維提供可靠的數(shù)據(jù)支撐，同時(shí)系統(tǒng)可準(zhǔn)確地對(duì)故障類型和故障位置進(jìn)行判斷，提出正確的指導(dǎo)建議。數(shù)字孿生技術(shù)在運(yùn)維平臺(tái)的應(yīng)用，可提高運(yùn)維系統(tǒng)決策能力，故障快速分析判別和定位能力，對(duì)保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的指導(dǎo)意義。

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作者單位：正泰電氣股份有限公司