基于數字孿生技術的10kV 配網電力設備運行狀態監測方法

張盈新，馮曜明，藍 逸

（深圳龍華供電局，廣東 深圳 518000）

引言

國內10kV 配電網目前已經被廣泛應用，但是目前國內高壓直流配電技術還不夠成熟，影響配電網運行穩定性與安全性的因素較多，需要對10kV 配網電力設備運行狀態進行實時監測，為設備維修提供參考依據[1]。由于10kV 配電網內部結構比較復雜，電力設備數量和種類較多，因此監測具有較高難度?，F有監測方法在實際應用中漏檢率較高，并且監測響應時間較長，無法滿足實際需求，為此提出基于數字孿生技術的10kV 配網電力設備運行狀態監測方法，為電力設備運行狀態監測提供參考依據。

1 構建配網電力設備運行狀態監測架構

為了簡化監測流程和難度，利用數字孿生技術構建10kV 配電網電力設備虛擬模型，實現電力設備運行狀態可視化實時監燮。此次基于數字孿生模型構建的監測架構主要由物理層、數據層、孿生層以及服務層四部分組成。物理層位于整體架構的最頂層，與配電網電力設備連接，由智能網關、無線網絡以及傳感器組成，為設備運行狀態監測提供物理支撐[2]。利用數據層連接孿生層與物理層，數據層功能是數據采集、數據清洗和數據傳輸和處理，為設備狀態虛實轉換提供數據支持[3]。孿生層是電力設備運行狀態監測的核心層，主要是利用數字孿生技術對電力設備運行狀態虛擬化，由數字孿生、設備孿生和邏輯孿生組成，用于電力設備運行場景搭建[4]。服務層功能是為用戶提供電力設備運行狀態監測服務，作出電力設備運行狀態監測決策[5]?；谝陨辖⒌谋O測架構，將監測流程劃分為三個步驟，電力設備運行狀態信號獲取及并行處理、基于數字孿生技術的狀態量虛實映射、電力設備運行狀態特征提取及監測。

2 電力設備運行狀態信號獲取及并行處理

基于上文構建的監測架構，首先利用無線傳感技術獲取到電力設備運行狀態信號，設備的運行狀態量主要包括溫度、電流、電壓。采用ASKF/A7R7 溫度傳感器、IHFA-A5F5 電流傳感器以及IOUF-A5F5 電壓傳感器采集到設備溫度、電流和電壓信號。將溫度傳感器安裝在電力設備靠近電源處，將電流傳感器與電壓傳感器接入到電力設備主線上，根據實際情況對傳感器的掃描頻率、掃描周期以及掃描范圍等技術參數進行設定，通過網絡接口將無線傳感器接入網絡，利用AIOU-TGS4 讀卡器自動讀取到傳感器采集到的狀態信號?？紤]到無線傳感器采集設備狀態信號過程中容易受到外界因素干擾，采集到的狀態量信號中存在較大噪聲，需要并行去除。通過集合經驗模態分解原始信號，獲取幾階基本模態分量，利用閾值區分信號模態分量中的有用部分和噪聲部分，實現噪聲信號濾波處理，其用公式表示為：

式中，y 表示去噪后的設備狀態量信號；i 表示基本模式分量數量；ei表示經過閾值處理后的基本模式分量；n 表示基本模式分量長度。通過信號重構，獲取到無噪聲的電力設備運行狀態量信號。

3 基于數字孿生技術的狀態量虛實映射

利用數字孿生技術對獲取到的狀態量信號虛實映射，建立電力設備運行狀態孿生模型。首先根據電力設備規格、長度、寬度等數據建立電力設備幾何模型，將設備對應的屬性值添加到幾何模型上，并建立數據接口，構建狀態量數據信號與孿生模型的聯系。將電力設備運行行為、邏輯在模型中體現和集成，使實際電力設備與虛擬電力設備初步融合，然后采用“條件- 狀態- 事件”構建電力設備運行狀態數字孿生模型，表示為：

式中，FU 表示數字孿生電力設備；TU 表示實際電力設備；? 表示實際電力設備與數字孿生電力設備對應映射關系；IP 表示數字孿生電力設備幾何模型集合；YH 表示數字孿生電力設備物理屬性集合；RT 表示數字孿生電力設備運行邏輯模型集合；MK 表示數字孿生電力設備運行動作行為集合；← 表示電力設備運行邏輯、運行行為在幾何模型中關聯集成；? ?表示自然連接。WE 表示需滿足的數字孿生電力設備運行狀態的實時屬性集；PO 表示匹配的狀態模式；BN表示狀態模式與電力設備運行狀態實時屬性集匹配時電力設備運行行為。將獲取的狀態量信號導入到上述模型中，即可實現對狀態量虛實映射。

4 電力設備運行狀態特征提取及監測

利用關聯規則在上文建立的數字孿生模型中構建規則庫，描述正常狀態下電力設備運行邏輯。將電力設備運行狀態特征關聯規則形式定義如下：

式中，D 表示電力設備運行狀態特征關聯規則的條件；K 表示關聯規則；V 表示關聯結果，即電力設備運行狀態特征。將關聯到的狀態特征與規則庫中的規則進行比對，計算得到狀態特征與參考特征比對，計算出兩種特征相似度，其計算公式為：

式中，RYF 表示當前電力設備運行狀態特征與參考狀態特征相似度；UK 表示電力設備狀態特征可信度；BK表示表示電力設備狀態特征的支持度；ε 表示10kV配電網中第g 個電力設備的關聯結果；δ 表示參考規則；GVN 表示規則庫中狀態量數量；POK 表示規則庫中關聯條件的事物數量。在此設定一個監測閾值，如果相似度大于該閾值，則表示電力設備運行狀態與規則庫中正常運行狀態相似度較高，運行狀態為正常；反之則為異常狀態。根據閾值確定電力設備運行狀態，輸出監測結果，進而完成10kV 配網電力設備運行狀態監測。

5 實驗論證

5.1 實驗準備及設計

為了檢驗本次提出方法的可靠性，選擇某10kV配電網為實驗環境。該配電網供電規模較大，電力設備共計100 臺，其中包括SIFH-AF75 發電機5 臺、AOFJ/A6F4 變壓器8 臺、ISYRFA-A4F7 電壓互感器與AIATJA-A4F5 電流互感器各5 臺、OUFAR-A4F5接觸器5 臺、PASUI-AF87 電動機5 臺、FAUT/A5F5隔 離 開 關27 臺，ETWTY-A4F5 斷 路 器5 臺，IYFA-A5G8 熔斷器8 臺，母線27 段，每段1 000 m，該配電網電機容量為200 KN。大部分電力設備使用時間已經超過了5 年，長期燮荷運行下經常發生短路故障、斷路故障等，符合實驗需求。選擇傳統方法作為對比方法。實驗中利用IAFY-A7F4 放電干擾器對該配電網電力設備進行干擾，產生干擾信號，分別為氣泡放電、雷擊放電、懸浮放電以及油中放電等。此次實驗采用IEC600261：2010 標準，實驗準備了溫度傳感器、電流傳感器以及電壓傳感器各10 臺，實驗時間為30 h，共采集到0.26GB 電力設備運行狀態量信號，通過數據并行處理后得到0.23GB 信號。具體監測結果見表1。

從表1 可以看出，監測結果與實際情況基本一致，說明本次設計方法可以完成配電網電力設備運行狀態監測任務。

表1 10kV 配網電力設備運行狀態監測結果

5.2 實驗結果與討論

以響應時間、漏檢率作為監測方法響應性能和準確性能的評價指標。以電力設備數量作為變量，每次監測時間為30 min，在監測周期內對監測結果響應時間進行記錄，以獲取到電力設備運行狀態量信號為起始時間，以監測結果輸出時間為結束時間，使用電子表格對實驗數據記錄，具體數據見表2。

從表2 可以看出，設計方法響應時間比較短，響應速度比較快，雖然響應時間會隨著監測對象數量的增加而有所延長，但是增長幅度比較小，最短響應時間為0.09 s，當監測對象數量達到100 個時，設計方法響應時間僅為0.37 s，可以將監測響應時間燮制在1 s 以內，數值較小，基本可以忽略不計，說明設計方法可以實現對配電網電力設備運行狀態的實時監測。傳統方法響應時間相對比較長，響應速度比較慢，并且響應時間會隨著監測對象數量的增加而大幅度延長。因此實驗證明了在響應性能方面，設計方法優于兩種傳統方法。

表2 三種方法監測響應時間對比（s）

其次對精度進行評價，漏檢率是評價監測方法的一個重要精度指標，也是漏檢次數與監測總次數的比值，可以反映出配電網電力設備運行狀態監測中的漏檢情況。實驗以監測時間為變量，每10 h 統計一次漏檢次數。漏檢率對比圖見圖1。

從圖1 可以看出，設計方法的漏檢率較低，平均漏檢率為0.79%，雖然漏檢率會隨著監測時間的增加而不斷增大，但是增長幅度比較小，基本可以將漏檢率燮制在1%以內，符合相關規范要求。傳統方法在配電網電力設備運行狀態監測中漏檢率遠遠高于設計方法。因此本次實驗證明了，在精度方面設計方法也優于傳統方法，更適用于10kV 配網電力設備運行狀態監測。

圖1 三種方法漏檢率對比圖

6 結論

針對傳統方法存在的不足和缺陷，將數字孿生技術應用到10kV 配電網電力設備運行狀態監測中，提出了一個新的監測思路，并通過實驗論證了該思路的可行性與適用性，有效縮短了電力設備運行狀態監測響應時間，提高了電力設備運行狀態監測精度，實現了對傳統方法的優化與創新。