國核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司 晏 鋒 王 林 任 重 徐海龍 徐 麗

隨著我國用電量的不斷加大，對(duì)變電站容量和穩(wěn)定性要求也越來越高?；趥鞲衅骱蛦纹瑱C(jī)的在線監(jiān)測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)變電站的智能化升級(jí)。智能變電站實(shí)現(xiàn)了站內(nèi)電力設(shè)備監(jiān)測智能化、采集信號(hào)數(shù)字化、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)化。在線監(jiān)測逐漸也替代了傳統(tǒng)的離線檢修，減少了大量沒必要的設(shè)備檢修，提高了運(yùn)維水平[1]。

隨著科技的發(fā)展，變電站智能化發(fā)展成為新的方向。智能變電站在線監(jiān)測技術(shù)實(shí)現(xiàn)了電力設(shè)備的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)可以在后臺(tái)服務(wù)器上進(jìn)行顯示，對(duì)保證變電站安全穩(wěn)定運(yùn)行起到了重大的作用。隨著數(shù)字孿生技術(shù)的出現(xiàn)，將虛擬技術(shù)和現(xiàn)實(shí)聯(lián)系到一起。數(shù)字孿生技術(shù)在智能變電站內(nèi)的應(yīng)用，可以將虛擬電力設(shè)備和現(xiàn)實(shí)運(yùn)行中的電力設(shè)備有機(jī)結(jié)合起來。在發(fā)生故障時(shí)，能夠?qū)崟r(shí)定位故障點(diǎn)和故障設(shè)備，為檢修提供可靠的技術(shù)支撐。對(duì)提高智能變電站智能化水平具有重大的意義。智能變電站通過后臺(tái)顯示單元對(duì)監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行顯示，用戶可以通過后臺(tái)獲取現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行情況。數(shù)字孿生技術(shù)是近些年被提出的概念，通過進(jìn)行實(shí)體建模將現(xiàn)實(shí)設(shè)備和虛擬模型進(jìn)行映射對(duì)應(yīng)，利用傳感器采集電力設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，然后在虛擬模型中進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)實(shí)設(shè)備的全周期過程監(jiān)測和顯示，在智能變電站內(nèi)將變電站內(nèi)運(yùn)行的變壓器、互感器、斷路器、套管等電力設(shè)備進(jìn)行數(shù)字孿生建模，就能在后臺(tái)虛擬演示出現(xiàn)場電力設(shè)備的運(yùn)行情況[2]，對(duì)保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重大的意義。

1 數(shù)字孿生技術(shù)在智能變電站內(nèi)應(yīng)用架構(gòu)

數(shù)字孿生技術(shù)是近年快速發(fā)展起來的，前期只是停留在概念階段。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和模擬映射技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字孿生技術(shù)得以成功應(yīng)用。數(shù)字孿生技術(shù)是利用物理模型、智能傳感器技術(shù)將采集到的數(shù)據(jù)在虛擬模型中進(jìn)行顯示。涉及到的學(xué)科較多，具有眾多物理變量，屬于一種多尺度、多概率的仿真過程[3]。數(shù)字孿生技術(shù)的核心是在虛擬空間中與現(xiàn)實(shí)事物完成數(shù)字映射關(guān)系，從而通過虛擬反映現(xiàn)實(shí)事物的變化。在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模，并利用繪圖軟件將虛擬事物根據(jù)現(xiàn)實(shí)事物進(jìn)行圖形繪制。利用計(jì)算機(jī)技術(shù)將二者通過數(shù)字映射系統(tǒng)關(guān)聯(lián)起來。數(shù)字孿生技術(shù)被廣泛應(yīng)用在建筑、醫(yī)學(xué)、電力等眾多領(lǐng)域。

智能變電站分為三個(gè)層次，分別為過程層、間隔層和站控層，數(shù)字孿生系統(tǒng)在站控層。其中間隔層主要是通過傳感器和監(jiān)測終端實(shí)現(xiàn)對(duì)電力設(shè)備電氣特性參數(shù)的采集，并就地進(jìn)行數(shù)字化處理。然后通過現(xiàn)場總線將采集數(shù)據(jù)傳送到過程層智能電子設(shè)備IED，智能電子設(shè)備IED對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送到站控層服務(wù)器。服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收并顯示。數(shù)字孿生系統(tǒng)也是在后臺(tái)顯示系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā)，同樣調(diào)用傳感器采集的數(shù)據(jù)，將其顯示在虛擬的模型當(dāng)中。

2 數(shù)字孿生技術(shù)在變電站內(nèi)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)

數(shù)字孿生系統(tǒng)構(gòu)建。數(shù)字孿生技術(shù)在智能變電站內(nèi)的應(yīng)用，主要是在站控層網(wǎng)絡(luò)內(nèi)根據(jù)站內(nèi)電力設(shè)備種類構(gòu)建虛擬系統(tǒng)，并使其與真實(shí)電力設(shè)備通過映射關(guān)聯(lián)在一起。虛擬系統(tǒng)運(yùn)行情況與真實(shí)設(shè)備相同，操作人員通過虛擬平臺(tái)就能形象的獲知現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)[4]。也就是通過數(shù)字孿生技術(shù)，構(gòu)建了處在虛擬世界和現(xiàn)實(shí)世界中的兩個(gè)相同智能變電站（圖1）。

圖1 數(shù)字孿生系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 孿生模型建立

孿生技術(shù)在智能變電站內(nèi)實(shí)現(xiàn)過程中重點(diǎn)是完成孿生模型的建立，孿生模型要具備現(xiàn)實(shí)中電力設(shè)備的所有特點(diǎn)。模型設(shè)計(jì)包括工程模型、物理模型、組合模型、幾何模型以及邏輯模型。這些模型要通過輕量化設(shè)計(jì)，同時(shí)要具有三維模型效果，以便對(duì)電氣設(shè)備全方位的展示。其中幾何模型是對(duì)電力設(shè)備幾何機(jī)構(gòu)的模型建立，物理模型是對(duì)現(xiàn)實(shí)設(shè)備具體實(shí)現(xiàn)功能的模型建立（圖2）。

圖2 孿生模型組成

2.2 設(shè)計(jì)效果

數(shù)字孿生技術(shù)在智能變電站內(nèi)的應(yīng)用主要是通過建立模擬智能變電站，且監(jiān)測的數(shù)據(jù)可以在模擬變電站內(nèi)的電力設(shè)備上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，包括電力設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間、出廠參數(shù)以及運(yùn)行狀態(tài)等。在完成模型構(gòu)建后，通過映射服務(wù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行映射分配。在站控層服務(wù)器上進(jìn)行數(shù)據(jù)庫的配置和數(shù)據(jù)流設(shè)計(jì)，最終完成數(shù)字孿生系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。從圖3中可看到，基于數(shù)字孿生技術(shù)虛擬出的動(dòng)畫圖形和現(xiàn)實(shí)智能變電站電氣設(shè)備布局相同。通過虛擬的變電站，就可知道當(dāng)前站內(nèi)電氣設(shè)備的運(yùn)行情況，無需到現(xiàn)場進(jìn)行巡檢。在設(shè)備出現(xiàn)異常時(shí)可以準(zhǔn)確形象的定位故障設(shè)備和故障點(diǎn)位，并可以調(diào)取設(shè)備的參數(shù)信息，方便故障的排查。

3 結(jié)語

本設(shè)計(jì)是數(shù)字孿生技術(shù)在智能變電站內(nèi)的應(yīng)用，將智能變電站在線監(jiān)測技術(shù)和數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合。首先對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行介紹，給出數(shù)字孿生技術(shù)在智能變電站內(nèi)應(yīng)用的架構(gòu)，并對(duì)數(shù)字孿生系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，建立系統(tǒng)模型。通過映射技術(shù)將虛擬變電站和現(xiàn)實(shí)中的變電站進(jìn)行映射，工作人員可通過孿生虛擬變電站了解現(xiàn)實(shí)中變電站內(nèi)電力設(shè)備運(yùn)行情況。數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)提高智能變電站智能化水平、保證智能變電站的安全運(yùn)行具有重大意義。