山西振中電力股份有限公司 王 桐

輸變電設(shè)備是電力系統(tǒng)中的重要組成部分，對電力傳輸和分配起著關(guān)鍵的作用。為了確保輸變電設(shè)備的安全運行和高效運維，數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)運而生。數(shù)字孿生技術(shù)是指將實際設(shè)備建模和仿真，實現(xiàn)設(shè)備的虛擬化，以提供更準確、實時的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷，從而優(yōu)化設(shè)備的運維管理。本文將探討數(shù)字孿生技術(shù)在輸變電設(shè)備運維中的應(yīng)用。

1 輸變電設(shè)備數(shù)字孿生內(nèi)涵

輸變電設(shè)備的管理采取全生命周期管理模式，各階段的管理要求為：設(shè)計階段，存儲與設(shè)計有關(guān)的各類數(shù)據(jù)、模型等資料，在運維管理工作中存在需求時可及時調(diào)用，發(fā)揮出數(shù)據(jù)的利用價值；制造階段，嚴格管控生產(chǎn)流程和生產(chǎn)工藝，采取標準化生產(chǎn)模式，進行出廠檢驗，保證輸變電設(shè)備各零部件及整體裝置的生產(chǎn)質(zhì)量，記錄各項制造信息，以便溯源；交付階段，嚴格執(zhí)行輸變電設(shè)備的質(zhì)量標準，必須在各項指標均符合要求后才可交付；運維階段，全面監(jiān)測輸變電設(shè)備，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)客觀評價輸變電設(shè)備當(dāng)前的運行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)異常后及時處理，并根據(jù)某個時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)變化趨勢預(yù)測輸變電設(shè)備在后續(xù)可能出現(xiàn)的故障，進行源頭管控；報廢階段，對于達到報廢年限的輸變電設(shè)備，需要停用，進行報廢、回收，對各零部件采取無害化處理措施。

2 輸變電設(shè)備運維中數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用

2.1 全面感知技術(shù)的應(yīng)用

通過傳感器采集輸變電設(shè)備的運行數(shù)據(jù)，用于反映設(shè)備的運行狀態(tài)，為運維工作提供參考。下文是輸變電設(shè)備的常用傳感裝置及各自的功能[1]。

壓力傳感器：能夠在電磁環(huán)境中測量變壓器內(nèi)部的壓力，即便此傳感器所處環(huán)境復(fù)雜，也仍然能夠正常采集壓力信息。

溶解氣體傳感裝置：基于光學(xué)技術(shù)的油中氣體傳感裝置、氫離子火焰?zhèn)鞲衅鞯染禽斪冸娫O(shè)備日常監(jiān)測中較為常見的溶解氣體傳感裝置。

油中電傳感裝置：主要功能在于測量變壓器內(nèi)部的電場，該裝置對環(huán)境的適應(yīng)性強，采用非接觸測量方式，即便在復(fù)雜電場中仍然能夠有效測量。

2.2 數(shù)據(jù)處理技術(shù)的應(yīng)用

2.2.1 異常傳感裝置評估

對傳感裝置進行離線試驗的可操作性差，且即便條件允許，離線試驗也存在周期長、操作煩瑣等難點，要批量評價各類傳感裝置的運行狀態(tài)并非易事?？紤]到上述方法的局限性，提出對傳感裝置實時數(shù)據(jù)異常特征進行有效性評估的優(yōu)化方法，基本原理是：通過滑動窗口從監(jiān)測數(shù)據(jù)流中獲得部分數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)變化率、連續(xù)相同值、異常值及變異系數(shù)四個維度進行綜合評價，能夠提升評價結(jié)果的可靠性，同時還設(shè)置了容忍度調(diào)整評判的嚴厲程度。按照該方法進行異常傳感裝置評估時，獲得的評估結(jié)果準確可靠，且無須傳感裝置退出運行，提升了可操作性。

2.2.2 數(shù)據(jù)清洗

詳細檢測數(shù)據(jù)流中的異常數(shù)據(jù)，由于異常數(shù)據(jù)的類型較多，需要采取多樣化的檢查方法，避免遺漏。例如，設(shè)置簡單的判斷條件，檢測數(shù)據(jù)流中的空值、超量程值；通過檢索時間戳的方式發(fā)現(xiàn)丟失值；根據(jù)拉依達準則確定奇異值。經(jīng)過檢測后，確定異常值并將其剔除，此時將產(chǎn)生空值，且在整個數(shù)據(jù)流中也有可能出現(xiàn)空值數(shù)據(jù)，考慮到時間維度上狀態(tài)量有狀態(tài)轉(zhuǎn)移的情況，采用馬爾可夫過程進行描述，即通過轉(zhuǎn)移概率來反映各狀態(tài)時系統(tǒng)的具體表現(xiàn)，確定系統(tǒng)的變化情況，實現(xiàn)對缺失數(shù)據(jù)的補全，詳細反映系統(tǒng)的細微波動。

2.2.3 數(shù)據(jù)選擇

在安裝輸變電設(shè)備時，同步配置多種類型的傳感裝置，隨著輸變電設(shè)備運行時間的延長，監(jiān)測數(shù)據(jù)越發(fā)豐富，若選擇較長的時間序列建立數(shù)字孿生體模型，其中含有部分時間較早的數(shù)據(jù)，該時間序列的數(shù)據(jù)并不能準確地反映出輸變電設(shè)備當(dāng)前的運行狀態(tài)；若建立孿生數(shù)字模型時選擇的是較短的時間序列，數(shù)據(jù)缺乏全面性，也難以準確地反映輸變電設(shè)備的真實情況。最優(yōu)數(shù)據(jù)的選擇基于混沌理論進行，流程如圖1所示。

圖1 最優(yōu)數(shù)據(jù)集選擇流程圖

根據(jù)Lyapunov 指數(shù)評價輸變電設(shè)備狀態(tài)量時間序列數(shù)據(jù)集：若具備混沌特征，則重構(gòu)相空間，確定最優(yōu)數(shù)據(jù)集長度與嵌入維數(shù)的關(guān)系，據(jù)此確定最優(yōu)數(shù)據(jù)集；若不具有混沌特性，最優(yōu)數(shù)據(jù)應(yīng)取所有數(shù)據(jù)。

2.3 數(shù)字孿生模型

2.3.1 異常狀態(tài)快速檢出

傳感裝置采集輸變電設(shè)備運行數(shù)據(jù)，采用Canopy 聚類方法構(gòu)成可反映設(shè)備狀態(tài)的兩個幾何體，即正常和異常兩種狀態(tài)。狀態(tài)量具有動態(tài)變化的特性，將隨著設(shè)備運行狀態(tài)的變化而發(fā)生改變，此時分析高維變權(quán)空間中狀態(tài)量的位置，根據(jù)變化情況評價輸變電設(shè)備的運行狀態(tài)，例如幾何體從正常變化至異常時，則表明被檢測的輸變電設(shè)備存在特殊情況，需做深入分析，采取管控措施。

2.3.2 設(shè)備狀態(tài)差異化評估

第一，變壓器運行狀態(tài)的影響因素。鎖定某區(qū)域電網(wǎng)或特定的范圍，考慮其中的各類變壓器，建立全體數(shù)字孿生模型，并以設(shè)備類型、電壓等級、實際負載等影響因素為主要的依據(jù)，劃分出數(shù)字孿生體[2]。在形成影響因素分類后，采用CLARANS 方法確定各自數(shù)字孿生體的聚類中心，并確定距離度量（馬哈拉諾比斯距離），此方法能夠應(yīng)對溶解氣體變化尺度的差異或其他維度的差異，更加有效地依據(jù)油中溶解氣體狀態(tài)量進行分析，確定設(shè)備差異化程度。

第二，油中溶解氣體分布模型。按上述分析思路確定變壓器的最優(yōu)影響因素，建立變壓器數(shù)字孿生模型。由于油中溶解氣體存在累積效應(yīng)，在差異化劃分時，最優(yōu)影響因素選取的是電壓等級這一因素。以研究范圍內(nèi)的220kV 變壓器和500kV 變壓器為例，繪制H2體積分數(shù)頻率和C2H6產(chǎn)氣率頻率的分布圖，如圖2、圖3所示。

圖2 H2體積分數(shù)頻率分布圖（220kV 變壓器）

根據(jù)圖2、圖3可知，氣體體積分數(shù)和產(chǎn)氣率數(shù)據(jù)均符合威布爾分布，結(jié)合前文確定的最優(yōu)影響因素（電壓等級），建立該因素分類下的威布爾分布模型?？紤]注意狀態(tài)和警示狀態(tài)兩種情況，分別指的是變壓器有缺陷、有故障，應(yīng)根據(jù)模型反映出的狀態(tài)信息做準確地分析，再按照模型計算溶解氣體體積分數(shù)及產(chǎn)氣率差異化閾值。在構(gòu)建數(shù)字孿生體的分布模型后，將注意狀態(tài)時的缺陷率和警示狀態(tài)時的故障率建立關(guān)聯(lián)，則有：累積概率分別與故障率、故障率關(guān)聯(lián)時，各自對應(yīng)的估計值分別指的是注意值、警示值。

第三，變壓器差異化評價。群體變壓器數(shù)字孿生分布模型獲取差異化閾值，將實時獲取的數(shù)據(jù)與之比較，可以準確地進行差異化評估，確定變壓器的具體狀態(tài)，細分為如下幾種狀態(tài)。

式中，c、cAttn、cAlm分別為氣體體積分數(shù)及其注意值、警示值；r、rAttn、rAlm分別為產(chǎn)氣率及其注意值、警示值。在確定群體設(shè)備數(shù)字孿生體的影響因素后，進行對比，明確最優(yōu)影響因素，盡可能準確地反映設(shè)備間的差異性，同時還可依據(jù)該因素做差異化劃分，確定差異化評價閾值。

2.3.3 設(shè)備狀態(tài)精細化評估

對于模型中指標層的狀態(tài)量，主要是區(qū)分正常和注意狀態(tài)、注意和異常狀態(tài)、異常和嚴重狀態(tài)各自的閾值，分別記為y1、y2、y3，與此同時還建立狀態(tài)量的模糊隸屬函數(shù)，用于反映實體變壓器的實際運行規(guī)律。在確定某變壓器的監(jiān)測值后，根據(jù)實際測定的數(shù)據(jù)建立模糊隸屬函數(shù)，再確定隸屬度，根據(jù)此數(shù)據(jù)判斷被測變壓器的狀態(tài)，具體分為正常、注意、異常和嚴重四種狀態(tài)。

本文建立的精細化評估數(shù)字孿生體具有細致性，可以精細表達設(shè)備部位和性能，反映指定設(shè)備的真實情況，同時也能夠修正實時數(shù)據(jù)對狀態(tài)量之間的關(guān)系，從而進一步提升數(shù)字孿生體的精確性，能夠更為有效地用于設(shè)備狀態(tài)的精細化評估。

2.3.4 設(shè)備故障診斷

根據(jù)實體設(shè)備的實時數(shù)據(jù)建立數(shù)字孿生體，用于設(shè)備故障的診斷。設(shè)備實時數(shù)據(jù)與數(shù)字孿生體交互，同時設(shè)備的歷史故障數(shù)據(jù)會被數(shù)字孿生體所記錄，因此信息具有全面性。引入稀疏自編碼器，將深度信念網(wǎng)絡(luò)與之結(jié)合可以建立故障模式分類器，在故障診斷中提供重要的輔助作用，便于準確地判斷故障。

設(shè)備的歷史案例數(shù)據(jù)具有重要的應(yīng)用價值，例如在故障診斷數(shù)字孿生模型中，該部分數(shù)據(jù)可作為關(guān)鍵依據(jù)用于建立設(shè)備狀態(tài)量與故障模式的映射關(guān)系，設(shè)備數(shù)字孿生體的特征可通過實時數(shù)據(jù)驅(qū)動診斷模型而獲得，持續(xù)優(yōu)化迭代診斷模型，提升其在設(shè)備診斷中的可行性。

3 數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展趨勢

在通信技術(shù)日益發(fā)展之下，提供了更多有利的技術(shù)條件，構(gòu)建出高質(zhì)量的全量輸變電設(shè)備孿生體，其涵蓋的內(nèi)容具有全面性，例如設(shè)計、制造、運維等階段的孿生體模型均包含在內(nèi)，且除了單臺設(shè)備的各類孿生體模型外，還能夠反映出設(shè)備之間的關(guān)系，具體又體現(xiàn)在位置關(guān)系、電氣關(guān)系等方面，綜合應(yīng)用價值高[3]。

4 結(jié)語

通過數(shù)字孿生技術(shù)，可以實現(xiàn)設(shè)備的虛擬化和智能化管理，提高設(shè)備運維的效率和可靠性。然而，數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用還面臨一些挑戰(zhàn)，如數(shù)據(jù)安全性、模型準確性等問題。因此，在數(shù)字孿生技術(shù)的推廣和應(yīng)用過程中，需要綜合考慮技術(shù)、安全和經(jīng)濟等多方面因素，不斷完善和優(yōu)化技術(shù)和管理手段，為輸變電設(shè)備的安全運行和高效運維提供可靠的支持。