數字孿生技術在城市軌道交通供電系統中的應用場景分析

鄒 東 馮劍冰,2

(1. 廣州地鐵集團有限公司， 510330， 廣州； 2. 華南理工大學電力學院， 510641， 廣州∥第一作者， 正高級工程師)

數字孿生技術近年來已成為炙手可熱、被寄予極高期望的發展方向之一。國際上最具權威的IT(互聯網技術)調研與咨詢服務公司Gartner，從2016年起連續5年將數字孿生技術列為未來十大戰略技術之一。

數字孿生技術其內涵是構建一個數字孿生體，其最終表現形式是對物理實體完整、精確的數字化描述，可用來對物理實體進行模擬、監控、診斷、預測及控制，具有實時同步、忠實映射特性，是能夠實現物理世界與信息世界交互、融合的技術手段。

數字孿生技術在各領域的應用發展迅速，而無論國內還是國外，有關數字孿生技術在城市軌道交通供電系統的應用大都處于探索階段。城市軌道交通供電系統是電力系統在城市軌道交通這一特定場景下的特殊系統，探索數字孿生技術在城市軌道交通供電系統的廣泛和深入應用，可以給該系統及其設備，以及其上游的制造、下游的運維帶來革命性的改變。

1 數字孿生技術在城市軌道交通供電系統中的應用方向分析

上海軌道交通、深圳地鐵、廣州地鐵等已開始探討將數字孿生技術應用于智能供電，如應用于建設過程中對供電設備進行BIM(建筑信息模型)建模分析、運營過程中對供電設備進行智能運維等。但從目前國內各城市地鐵公司的智能供電建設和智能運維情況來看，智能供電建設更側重于智能信息集成展示層面，往往是多個信息化系統、自動化系統的簡單堆積，各系統之間缺乏緊密聯系，很難從整體上、系統性上解決智能供電實施中存在的問題，對節能降耗、提質增效的作用不強，偏離了智能供電的初衷，也很少通過智能供電建設推進管理模式變革，未真正做到提質增效。

數字孿生技術在城市軌道交通供電系統的應用，就是通過對供電系統的智能化改造，以自動化、數字化、信息化為基礎，充分發揮數字孿生技術強大的分析處理能力，實現供電設備全生命周期管理及壽命可視管控，解決供電系統運行故障預測與分析、線網級供電系統聯調聯試，實現供電系統運維向狀態修轉變，提升供電系統運維管理能力，提高能源利用效率，推動節能減排。

2 數字孿生技術在城市軌道交通供電系統的應用模式分析

數字孿生技術在城市軌道交通供電系統中的應用，主要體現在數字空間構建現實供電系統的映射模型，借助仿真、模型推演、數據分析、迭代優化等手段，實現供電系統管理和服務的數據驅動、智能決策，最終達到現實供電系統和數字供電系統同步運轉、雙向互動， 實現供電系統綜合效能提升。基于數字孿生技術的城市軌道交通供電系統如圖1所示。

注：PI——美國OSI公司的實時數據； ERP——企業資源計劃。

首先，通過數字孿生技術構建一套虛擬的城市軌道交通供電系統，這是一個完整的、系統化的數字化系統；然后，對該虛擬系統中的設備及其設備內部件進行數字建模，并建立所有設備的檔案資料，基于此，實現運行信息實時交互和對未來運行情況的超前預測。該虛擬系統囊括了所有設備及其部件在設計、工廠制造、工廠調試、現場安裝等運行前所有階段的歷史信息，以及運行階段的實時數據、交互信息、未來運行情況的預測數據，因此可形成虛擬系統與現實系統的鏡像對應和數字化映射，最終形成可視、可控、可管的基于數字孿生技術的城市軌道交通供電系統。

其次，要實現智能供電系統的核心能力，需要充分應用云計算、大數據、物聯網、移動應用等先進信息技術，在現有的城市軌道交通供電通信系統、供電監控系統、供電管理信息系統、供電輔助監控系統等基礎上，進行數字孿生建模、信息物理融合、交換與協同。為促進數字孿生技術的落地應用，必須抓住數字孿生技術的數據和模型這兩個核心，以工業互聯網平臺、管理云平臺和綜合監控數據庫為支撐，在智能設備層、智能控制層、智能監管層和智能決策層構建符合智能供電系統要求的模型，實現供電過程的全面感知、協同優化、預測預警和科學決策。基于數字孿生技術的城市軌道交通智能供電系統體系架構如圖2所示。

3 數字孿生技術在城市軌道交通供電系統中的應用場景分析

數字孿生技術源于設備全壽命周期管理(PLM)，具備覆蓋全周期各階段的應用基礎和向多領域拓展的能力：從設備的生命周期開始，到設備的數字化設計、設備的數字樣機、工廠的智能制造、設備安裝的BIM場景、設備運維的故障診斷、設備狀態維修等。除單機設備外，參照CPS(信息物理系統)和ACP(平行系統)的理念，還可以進一步應用于整個系統級的孿生，對整個供電系統的控制進行平行模擬、故障推演、分析預測、系統優化和仿真試驗。

3.1 數字化設計和虛擬制造

與城市電網的標準化和垂直管理不同，城市軌道交通的供電設備，通常因系統設計和用戶需求的差異，定制化設備較多，這就對設備的設計和性能提出更復雜的要求。采用數字孿生技術，對各類設備進行數字化設計，可將設備的設計信息、制造信息和其他附屬信息均定義至產品的數字化模型中，保障了數字孿生體在產品全生命周期中的唯一性和起始基礎。結合VMT(虛擬制造技術)，可以在產品設計階段生成DMU(數字樣機)，對設備的制造過程、產品性能和定制化進行模擬和預測。基于數字孿生技術的城市軌道交通供電設備設計流程如圖3所示。圖4 為110 kV電力變壓器數字化設計樣機。圖5 為35 kV整流變壓器數字化設計樣機。

GB/T 26100—2010《機械產品數字樣機通用要求》中，將數字樣機定義為對機械產品的數字化描述，不僅反映產品的幾何屬性，還反映產品的功能和性能。數字樣機也將傳統的三維模型從靜態表達上升至反映功能和性能的動態表達。數字孿生技術正好全面承接了數字樣機這一未來趨勢。

注：ECMS——電氣監控管理系統； PSCADA——電力監控系統； ISCS——綜合監控系統； GIS——氣體絕緣開關設備。

圖3 基于數字孿生技術的城市軌道交通供電設備設計流程

3.2 數字化工廠和智能制造

數字化工廠(DF)是針對設備制造環節的數字化融合。制造設備是制造過程的核心要素，實現制造設備的數字化、網絡化和智能化，可以將制造設備與擬造產品的數字模型進行有機結合。這不僅可以虛擬生產過程和監督制造質量，還可以對產品的數字孿生體進行修正和傳遞，并使其附著有生產環節的信息。在產品制造過程中，結合傳感器、物聯網、5 G等技術與數字模型進行實時虛實互動，使制造過程更加智能化，同時也累積了制造過程中產生的大量數據。圖6 為導入智能生產線的35 kV C-GIS數字化模型。

圖4 110 kV電力變壓器數字化設計樣機

圖5 35 kV整流變壓器數字化設計樣機

圖6 導入智能生產線35 kV C-GIS數字化模型

以某城市軌道交通電氣設備制造商的生產為例，其城市軌道交通用開關柜的生產，引入了全數字化智能生產線。直接輸入產品的數字化模型，可直接生成各組件的物料清單和規格參數；系統可根據設備的構成生成產品制造工藝流程、質量標準等并傳遞至生成線，生產線依據模型和工藝流程進行生成。該生產線可最大程度減少人工參與，整個制造過程是模型1.0向N.0的不斷演進過程。從設計階段開始直到制造階段完成，產品的數字孿生模型不斷附著元器件的規格型號、質量標準等新增信息，為下一步的虛實同步交付奠定了基礎。圖7為數字化智能生產線管理平臺結構體系。

圖7 數字化智能生產線管理平臺結構體系

3.3 數字化應用及智能運維階段

3.3.1 設備狀態維修和壽命管理

在向用戶交付設備的同時，如能向設備運維方交付設備的數字孿生體，則可在設備運維過程中繼續進行數字孿生體與實體設備的虛實映射，從而實現設備的狀態維修和壽命精準預測。

傳統的設備運維基本上處于計劃維修階段，對設備的狀態判斷大部分源于理論推導和經驗積累，是對設備進行定期、定量的維護或檢修。如果獲得精準的設備數字孿生體，則可獲得設備及其各組成部分的精準狀態和維修需求，就可按設備的狀態安排針對性的維護或檢修。設備狀態維修，將會使設備運維發生革命性改變，可以使運維部門的人工成本、備件成本大幅度降低，并可使停電時間和備件庫存減少。同時，根據設備運行過程中的數據記錄和機理性預測，可以掌握設備的預期壽命。這樣，一方面可以進行相應的設備壽命延長維護；另一方面可以在設備壽命終結時形成全壽命周期質量總結報告，用以指導新的產品設計和質量提升。

目前，廣州地鐵、上海地鐵等已開始在軌道交通供電系統中開展設備狀態評估和壽命管理，通過對供電設備狀態的監測，對其變化趨勢和易損件的重點預判，以及應用數據驅動模型等手段，形成對供電系統設備進行全面、科學的判斷和狀態化維修管理。而對供電設備的全面狀態感知，是建立在設備的數字化孿生體基礎之上的。

在設備數字孿生技術基礎之上，設備的PHM(故障預測與健康管理)才能真正實現。圖8 為基于數字孿生技術的供電設備狀態修和壽命管理流程。圖9 為基于數字孿生技術的設備全壽命周期的虛實互動關系。

3.3.2 供電系統運行健康管理

通過對城市軌道交通供電系統進行整體的數字孿生(或者類似于平行系統的功能)，可以開發出大量系統性的高級應用功能。

1) 高精度的實時潮流計算。依靠系統的數字孿生能力，可以將潮流計算的理論模型與實際(采集)量進行虛實互動，修正出高精度的數字孿生模型；通過高精度的數字孿生模型，可以對系統運行進行精確預測和診斷，以及在各類運行模式下的運行預判。

2) 健康管理和風險預測。擁有高精度的數字孿生系統，可以對系統運行進行全方位健康管理，特別是對各類極端故障情況下的系統災備能力進行精準預判。城市軌道交通供電系統通常在設計時，按照既定的設計原則進行計算和配置，系統可運行在既定的工況下；但在實際運行時，為保障城市交通和社會秩序，運營部門通常將挖掘系統的極端供電能力，以在極端情況下盡可能向列車或車站進行供電。精準的系統數字孿生模型，將無需考慮既定工況，可對各類極端情況進行預測和災備支撐

圖8 基于數字孿生技術的供電設備狀態修和壽命管理流程

圖9 基于數字孿生技術的設備全壽命周期的虛實互動關系

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3.3.3 系統虛擬試驗和系統優化模擬

1) 系統虛擬試驗。系統涉及的大量聯動試驗、短路試驗和滿載試驗等，均可以通過在數字孿生模型中進行模擬。通過虛擬試驗，一方面可以驗證系統的閉鎖、整定值等的正確性和合理性；另一方面可以作為實體試驗的預演，以指導實體試驗的過程。

2) 系統優化和經濟運行。對供電系統的各角度優化，以及經濟性運行，都可以在系統數字孿生模型中進行預演和驗證；通過在虛體中對系統進行配置和模式切換，找到系統最佳的、最經濟的運行方式，對降低成本、提高系統可靠性均有巨大意義。

4 結語

數字孿生技術為物理世界和數據世界建立了親密的橋梁，它們之間的虛實互動，將成為未來數字世界、智慧世界的基石。

數字孿生技術在城市軌道交通供電系統的應用，還處于起步階段。盡管數字孿生技術的建模技術、傳感技術、數據驅動模型和模型的高保真性都處于百花齊放的前夜，但是可以肯定地預計，數字孿生技術將在城市軌道交通供電系統中得以全面應用并推動顛覆性的技術變革。

本文探討了數字孿生技術在城市軌道交通供電系統的應用場景，希望籍此推動數字孿生技術在城市軌道交通行業的全面應用。