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)定運行關乎到整個電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。變電站自動化、智能化的發(fā)展，不僅可以減少人力成本，提高工作效率，還可以實現(xiàn)電力資源的優(yōu)化配置。因此，在變電站中實施數(shù)字孿生技術具有重要意義。數(shù)字孿生技術將物理對象在虛擬空間中進行映射，實現(xiàn)對物理對象狀態(tài)信息的實時采集和監(jiān)測，并利用數(shù)字模型進行仿真分析和智能預測，從而提高生產(chǎn)效率和管理水平。

關鍵詞：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)控與運維基于虛擬現(xiàn)實技術與人工智能技術，可以對現(xiàn)實世界中的變電站進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時采集數(shù)據(jù)，對現(xiàn)實世界中的變電站進行智能化運維管理。通過孿生的變電站可視化監(jiān)控與運維平臺可以對變電站進行全面監(jiān)控和管理，實現(xiàn)對設備數(shù)據(jù)、運行狀態(tài)、工作過程、環(huán)境狀況等信息的采集、分析和預警。

二、智能巡檢系統(tǒng)

在變電站中實施智能巡檢系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對設備的全面監(jiān)測，并及時發(fā)現(xiàn)故障點。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)絡實現(xiàn)對變電站環(huán)境的實時監(jiān)測和預警[1]。另外，通過監(jiān)測設備狀態(tài)參數(shù)和運行工況，還可以及時發(fā)現(xiàn)故障隱患，避免設備發(fā)生故障。

變電站智能巡檢系統(tǒng)包括設備狀態(tài)監(jiān)測模塊、巡檢信息管理模塊和無線網(wǎng)絡管理模塊。在設備狀態(tài)監(jiān)測模塊中，可以對變電站內的設備進行實時監(jiān)測。當變電站內的設備出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)會自動提醒工作人員，并及時采取處理措施。在巡檢信息管理模塊中，工作人員可以及時查看巡檢信息。在無線網(wǎng)絡管理模塊中，工作人員可以通過移動網(wǎng)絡對變電站內的設備進行監(jiān)控。

在智能變電站的移動監(jiān)控系統(tǒng)中，主要包括了人員管理模塊、遠程查詢模塊、次側監(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，后臺控制模塊等。在這些工作中，像人員管理和遠程查詢的日常管理功能被設置在了遠程訪問系統(tǒng)的服務器端上，其他的都被設置在了當?shù)氐谋O(jiān)控系統(tǒng)上，具體見圖1。

三、變電站設備運維管理系統(tǒng)

變電站設備運維管理系統(tǒng)利用數(shù)字孿生技術，以三維可視化形式，模擬變電站設備運行狀態(tài)，提供可視化操作界面，便于工作人員直觀查看設備的實時運行狀態(tài)。此外，系統(tǒng)還可實現(xiàn)對變電站設備的故障診斷與分析功能，對不同設備的故障類型、原因等進行統(tǒng)計，并提供相應的故障解決方案。

基于數(shù)字孿生技術的變電站設備運維管理系統(tǒng)可以對變電站設備進行遠程監(jiān)測和故障診斷，提高運維效率和質量[2]。此外，系統(tǒng)還可以根據(jù)變電站內設備狀態(tài)的變化，生成實時狀態(tài)報告或歷史狀態(tài)報告，工作人員可以根據(jù)系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)對變電站內的關鍵設備進行合理有效地維護。數(shù)字孿生技術的變電站設備運維管理系統(tǒng)不僅能夠有效解決傳統(tǒng)變電站運維模式中存在的問題，還能為未來數(shù)字孿生技術在變電站中應用提供技術參考和思路借鑒。此外，通過數(shù)字孿生技術可以實現(xiàn)對物理對象狀態(tài)信息的實時采集和監(jiān)測，并利用數(shù)字孿生技術對物理對象進行仿真分析和智能預測。

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，利用數(shù)字孿生技術可以實時采集現(xiàn)場設備的運行數(shù)據(jù)。此外，數(shù)字孿生技術還可以適應虛擬空間中模擬設備的運行環(huán)境。變電站防誤閉鎖系統(tǒng)主要由硬件和軟件組成。硬件設備包括機械設備、通信設備等。軟件主要由操作控制軟件和監(jiān)控系統(tǒng)軟件組成。操作控制軟件負責對機械設備的狀態(tài)信息進行采集和監(jiān)測，并實時判斷機械設備的運行狀態(tài)是否符合要求。監(jiān)控系統(tǒng)軟件負責實時監(jiān)控機械設備的運行情況，并根據(jù)情況做出相應的判斷和決策。

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

五、機房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)和遠程監(jiān)控系統(tǒng)

（一）機房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)

目前，大多數(shù)變電站的機房都采用傳統(tǒng)的集中監(jiān)控管理模式，對機房進行統(tǒng)一監(jiān)控管理。然而，由于機房內設備數(shù)量較多、種類繁多、分布位置分散等原因，集中監(jiān)控管理存在較大風險。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)字孿生技術的變電站機房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。通過在變電站機房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)中引入數(shù)字孿生技術，可以將物理對象映射到虛擬空間中，并通過傳感器采集物理對象的狀態(tài)信息[3]，實現(xiàn)對物理對象狀態(tài)信息的實時監(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)測結果對物理對象進行智能預測實現(xiàn)變電站環(huán)境監(jiān)控和運維。

（二）遠程監(jiān)控系統(tǒng)

遠程監(jiān)控系統(tǒng)是以計算機網(wǎng)絡為基礎，在控制中心系統(tǒng)的支持下，對變電站內設備的實時運行狀態(tài)進行監(jiān)控的一種遠程監(jiān)視系統(tǒng)。在遠程監(jiān)控系統(tǒng)中，對變電站內設備狀態(tài)進行實時監(jiān)測的主要是站內的各類傳感器。通過傳感器獲取設備數(shù)據(jù)，并利用服務器中存儲的數(shù)據(jù)進行分析，從而實現(xiàn)對設備運行狀態(tài)的監(jiān)視。在遠程監(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)進行連接。

變電站內設備運行狀態(tài)的實時監(jiān)測系統(tǒng)是遠程監(jiān)控系統(tǒng)中重要的組成部分。數(shù)字孿生技術可以通過采集、分析和處理來自現(xiàn)場設備傳感器數(shù)據(jù)，并利用數(shù)字模型對其進行仿真分析和預測。隨著數(shù)字孿生技術在變電站內的應用越來越廣泛，數(shù)字孿生技術可以幫助變電站工作人員提前預測設備故障并制定相應措施，從而提高了變電站運行的安全性和穩(wěn)定性。

六、數(shù)字化孿生變電所綜述

數(shù)字孿生（Development Evolution）是指實體與虛擬世界之間的映射關系，能夠對實體、資源、過程、系統(tǒng)、服務等進行模擬、建模與實時再現(xiàn)，并具備可擴展、自適應、自愈合等特性。利用數(shù)字化李生技術，實現(xiàn)了在數(shù)字化空間內的可視化監(jiān)測與運行，為變電站管理者實現(xiàn)了對變電所設施的遠程監(jiān)測與維修提供了一種新的途徑。將數(shù)字化孿生技術應用于變電所，可以對變電所進行可視化的監(jiān)測和運營，從而為電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、可靠運行提供了強有力的支持。

以數(shù)字孿生技術為基礎，實現(xiàn)了現(xiàn)實中的變電站與虛擬變電站的相互映射。在線監(jiān)控技術中，可以將監(jiān)控的結果反饋到后臺運營平臺，并對其進行調用和展示，從而使實際的變電所的工作狀態(tài)能夠在虛擬變電所中得到實時地反映。運行管理平臺集成了實際的變電所中的各種電氣設備的相關數(shù)據(jù)，使其能夠從后臺系統(tǒng)中獲取各種電氣設備的相關數(shù)據(jù)[4]。當出現(xiàn)故障時，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，實現(xiàn)及時維修，將其扼殺在萌芽狀態(tài)。將“數(shù)字孿生”技術應用到運營平臺上，就等于為運營系統(tǒng)添加了一個運營“大腦”。本項目的研究成果，將虛擬與現(xiàn)實相結合，采用3D可視化技術，對電網(wǎng)運行狀況進行快速分析，及時診斷，精確定位，提升電網(wǎng)運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，還對系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫和顯示頁面展開了設計，并對其進行了開發(fā)，該系統(tǒng)還支持三維模型的縮放、旋轉及動畫演示等功能。利用數(shù)字孿生技術，構建了一個虛擬變電站的3D模型，并將主控、輔控和保安等設備收集到的數(shù)據(jù)集成到一起，這樣就可以將收集到的各種設備的狀態(tài)信息，實時地傳輸?shù)竭\維系統(tǒng)中，這樣，運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關鍵部件的工作狀況。利用該模型，可以清楚地看到各裝置的工作狀態(tài)。設計效果如圖2。

如果有設備的參數(shù)出現(xiàn)異常，可以選擇這個設備的電源，具體的看到它的參數(shù)和工作時間等信息。以變電站現(xiàn)場的避雷器為例，當系統(tǒng)在一定時間內，顯示一個時間間隔內的一個避雷器的數(shù)據(jù)有異常時，在孿生系統(tǒng)中，單擊這個避雷器，即可獲取有關的參數(shù)信息。對數(shù)據(jù)進行總和、AVG、Max、TopN等聚集運算，當需要聚集的時候，可以直接得到聚集的結果，從而提高了查詢的效率。

七、數(shù)字孿生技術在電力系統(tǒng)中的應用

數(shù)字孿生技術能夠為運維人員提供可視化操作平臺，使他們能夠對設備運行狀態(tài)進行遠程監(jiān)控和維護[5]。

通過“設備+環(huán)境”的虛擬數(shù)字孿生，實現(xiàn)了對變電站設備和環(huán)境的三維可視化監(jiān)控，并具備故障診斷、遠程控制等功能。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)在多個變電站成功應用，效果良好，有效提升了運維效率。利用數(shù)字孿生技術，將變電站的物理實體和虛擬實體通過傳感器連接起來，構建了一個三維數(shù)字化模型。設備運行狀態(tài)可在可視化平臺上實時展示，故障診斷可根據(jù)設備的不同類型進行分析診斷，對運行環(huán)境的監(jiān)控和維護可在可視化平臺上進行遠程控制。

故障診斷與遠程控制，在可視化平臺上對設備進行三維展示，直觀、形象地展現(xiàn)設備運行狀況；在系統(tǒng)中對故障進行分析診斷，并對故障位置進行定位；通過遠程控制功能對設備進行控制或操作，包括開合斷路器、改變運行狀態(tài)等；將變壓器油溫、斷路器溫度、高壓開關溫度等關鍵參數(shù)通過傳感器連接起來，構成變電站的三維可視化監(jiān)控平臺[6]。運維人員可通過鼠標在三維平臺上選擇故障位置和原因，并對設備運行狀況進行實時監(jiān)控和遠程控制；系統(tǒng)可根據(jù)設定的預警閾值自動向運維人員發(fā)出警報，將變壓器油溫升數(shù)據(jù)等關鍵參數(shù)與操作規(guī)程相結合，在可視化平臺上通過鼠標點擊等方式進行培訓。

八、結語

基于數(shù)孿生技術的變電站運維平臺，在傳統(tǒng)的運維應用基礎上增加孿生虛擬功能。通過三維建模，將變電站內實際電力設備運行狀態(tài)在孿生虛擬變電站內進行映射，操作人員可直觀觀察到站內電力設備的運行情況，為設備精準運維提供可靠的數(shù)據(jù)支撐，同時系統(tǒng)可準確地對故障類型和故障位置進行判斷，提出正確的指導建議。數(shù)字孿生技術在運維平臺的應用，可提高運維系統(tǒng)決策能力，故障快速分析判別和定位能力，對保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行具有重要的指導意義。

參考文獻

[1]曾海燕，李新國，李剛，等.基于數(shù)字孿生的變電站智能運檢一體化平臺.湖北省，國網(wǎng)湖北省電力有限公司武漢供電公司，2022-05-07.

[2]李江成，劉建戈，張鵬宇，等.變電站數(shù)字孿生技術研究與應用[J].電氣應用，2022，41（7）：29-36.

[3]王林，晏鋒，任重，等.基于數(shù)字孿生技術的變電站運維平臺的研究[J].電工技術，2021，555（21）：167-168+171.

[4]劉海峰，池威威，賈志輝，等.變電站數(shù)字孿生系統(tǒng)的設計與應用[J].河北電力技術，2021，40（3）：8-14.

[5]高賽.數(shù)字孿生的變電站巡檢系統(tǒng)數(shù)字化模型[D].北京：華北電力大學，2021.

[6]范永恒.變電站綜合自動化安全監(jiān)控與運維一體化研究[D].吉林：長春大學，2020.

作者單位：正泰電氣股份有限公司