數(shù)字孿生技術在電力綜合自動化系統(tǒng)中的應用

向東偉

（長沙銘亞電氣有限公司，湖南 長沙 410010）

0 引 言

電力系統(tǒng)的變電站是電網(wǎng)的核心環(huán)節(jié)，承擔著高低壓變換和供電的重要任務。變電站一般都會建在相對偏僻的區(qū)域，給運維管理造成了很多不便。針對此問題，無人值守變電站應運而生，并在電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)得到了普遍推廣和使用。電力綜合自動化系統(tǒng)是一種基于自動化、計算機網(wǎng)絡和信息化技術，集保護、監(jiān)測、控制以及通信等功能于一體的保障和監(jiān)視系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以促使各保障設備、測控設備等實現(xiàn)信息互換和數(shù)據(jù)共享，完成變電站運行監(jiān)視和控制任務，不僅能夠提高電網(wǎng)的生產(chǎn)效率，而且還可以降低運營成本，保證了電網(wǎng)的可持續(xù)發(fā)展[1]。

在智能電網(wǎng)建設的大背景下，變電站全面升級，生產(chǎn)系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)也需要進一步升級。數(shù)字孿生作為新一代高新技術和提高效能的重要工具，在建模、數(shù)據(jù)采集、分析預測、虛擬仿真、變電站智能改造以及遠程數(shù)字化監(jiān)控等方面發(fā)揮著重要作用，同時也能夠有效提升電網(wǎng)建設和管理的水平。智能化無人值守變電站數(shù)字孿生整體效果如圖1所示。

1 電力綜合自動化系統(tǒng)架

電力綜合自動化系統(tǒng)一般采用分層分布式設計，包括站控管理層、網(wǎng)絡通信層以及現(xiàn)場設備層。根據(jù)用戶用電規(guī)模、用電設備分布以及占地面積等信息綜合考慮組網(wǎng)方式，如圖2所示。

網(wǎng)絡通信層將采集和處理后的數(shù)據(jù)信號經(jīng)網(wǎng)絡傳輸?shù)秸究毓芾韺樱鲉卧獪y控裝置相互獨立、互不影響，功能上不依賴于站控計算機[2]。在主控制室配置兩臺主計算機，兩臺主機同時運行，一主一備，操作人員可以通過工作站對變電全部一次和二次設備進行監(jiān)視、測量、記錄，并對變電所區(qū)域內(nèi)的主要一、二次設備實現(xiàn)遠程操控。此外，運行人員可通過微機五防PC機進行防誤模擬操作。

2 數(shù)字孿生技術的應用

數(shù)字孿生技術是以數(shù)據(jù)建模為驅(qū)動，以虛擬孿生體和數(shù)字化網(wǎng)絡傳輸通道為支撐的新一代數(shù)字化制造技術。數(shù)字孿生系統(tǒng)可對映射體狀態(tài)進行實時分析、反饋，通過閉環(huán)的方式將所需信息進行最大限度優(yōu)化，從而實現(xiàn)全生命周期的模擬仿真。數(shù)字孿生技術通過感知控制連接采集端（入口）和反饋端（出口），并通過數(shù)據(jù)集成方式實現(xiàn)異構設備和感知系統(tǒng)的互聯(lián)。物理實體在模型構建過程中，可對其現(xiàn)實狀態(tài)進行有規(guī)律的映射，這樣就形成了完整的映射鏈條。要打通產(chǎn)品全生命周期和生產(chǎn)的全過程價值鏈條，就需要對實體中的業(yè)務需求和特點進行分析、理解。此外，人工操作是必不可少的環(huán)節(jié)。通過人機交互將人工因素融入到系統(tǒng)中，運維人員通過可視化和智能化的界面將控制命令反饋給現(xiàn)實實體，這樣就實現(xiàn)了數(shù)字孿生的全閉環(huán)優(yōu)化[3]。使用數(shù)字孿生技術來構建輕量化電力綜合自動化系統(tǒng)的可視化場景，建立動態(tài)的數(shù)字化變電站模型及可視化系統(tǒng)，實現(xiàn)運行狀態(tài)全局監(jiān)控、電壓電流回路可視化、設備實時監(jiān)控、設備智能化管理以及感知數(shù)據(jù)實時監(jiān)測等功能。

2.1 運行狀態(tài)全局監(jiān)控

通過對多源數(shù)據(jù)的綜合分析，在界面中實時展示變電站正常、警戒、告警等狀態(tài)信息，可以快速定位發(fā)出預警的變電站。將電網(wǎng)負荷信息展示在頁面面板上，可直觀了解當前負荷數(shù)據(jù)及歷史負荷數(shù)據(jù)，實現(xiàn)整個輸電網(wǎng)管控的可視、可知及可控。變電站全局狀態(tài)監(jiān)控界面如圖3所示。

2.2 電壓電流回路可視化

通過可視化技術展示電壓互感器和電流互感器供電的全部回路走向，結(jié)合科技感元素模擬電流流動效果，實現(xiàn)對一次設備（變壓器、斷路器、隔離開關等直接用于生產(chǎn)和使用電能的設備）運行工況的監(jiān)視、測量、控制及調(diào)節(jié)等。運行狀態(tài)及負荷情況監(jiān)控界面如圖4所示。

2.3 設備實時監(jiān)控

在變電站可視化系統(tǒng)中將一次設備規(guī)模和感知設備規(guī)模顯示在頁面面板中，便于運維人員統(tǒng)計相關設備數(shù)量。根據(jù)設備監(jiān)測傳感器閾值判斷的情況，由后臺給前臺推送狀態(tài)參數(shù)，前臺根據(jù)狀態(tài)參數(shù)將對應設備圖標放入該位置。數(shù)字孿生變電站監(jiān)控系統(tǒng)的設備監(jiān)控利用人工智能分析等技術對設備實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)進行分析研判和實時診斷，由人工預防檢修轉(zhuǎn)換為智能預測檢修[4]。變電站設備實時監(jiān)控界面如圖5所示。

2.4 設備智能化管理

變電站部署溫度、濕度等智能感知元件，實現(xiàn)變壓器、氣體絕緣變電站、開關柜等設備及環(huán)境信息的全面實時感知。在設備實時感知列表中，設備的報警、故障、空閑、在線等狀態(tài)信息以不同顏色展示，實現(xiàn)一次設備的實時狀態(tài)監(jiān)測與評估。通過智能分析，自動對設備壽命、負載等進行評估，并進行智能化實時計算。針對不同負載的設備做出不同的配置，使得設備管理決策不再盲目，建立從設備、現(xiàn)場到企業(yè)管理之間的高效溝通橋梁。設備智能化管理界面如圖6所示。

2.5 感知數(shù)據(jù)實時監(jiān)測

每一種傳感器根據(jù)實際安裝位置分布點位，將GIS等一次設備的在線監(jiān)測點一一標識出來。每個點位的傳感器狀態(tài)都有相應的展示效果，如告警以紅色標注、異常情況以紅色閃爍的形式展現(xiàn)。當鼠標滑到傳感器點位時，展示其實時狀態(tài)信息面板；點擊傳感器點位時，進入其詳情列表，查看該傳感器的歷史數(shù)據(jù)及趨勢曲線。同時，可以方便地根據(jù)傳感器菜單切換查詢其他位置的傳感器歷史數(shù)據(jù)與趨勢曲線[5]。感知數(shù)據(jù)實時監(jiān)測界面如圖7所示。

3 結(jié) 論

綜上所述，電力綜合自動化系統(tǒng)的核心在于對全站的運行情況進行完整監(jiān)控和管理。利用數(shù)字孿生技術對電力綜合自動化系統(tǒng)進行全面的建模和仿真，并通過實際監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，結(jié)果充分展現(xiàn)了數(shù)字孿生技術的保真性、可計算性以及閉環(huán)性，能夠?qū)崿F(xiàn)智能化無人值守電站全面感知、協(xié)同優(yōu)化、預測預警以及科學決策的高質(zhì)量管理。