基于數(shù)字孿生的數(shù)字電力設備思考與展望

彭在興，王頌，陳佳莉，張曦，錢海，邱建，王帥兵，趙林杰，李銳海

（1.南方電網(wǎng)科學研究院， 廣州 510663；2.中國南方電網(wǎng)有限責任公司生產(chǎn)技術部， 廣州 510663；3.中國南方電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心， 廣州 510663）

0 引言

我國對數(shù)字電網(wǎng)技術的系統(tǒng)性研究已有近2年時間，但對于數(shù)字電網(wǎng)組成部分的數(shù)字電力設備，在數(shù)字電網(wǎng)中應具有什么樣的功能和性能，數(shù)字電網(wǎng)中的數(shù)字電力設備和智能電網(wǎng)中的智能電力設備有何區(qū)別，數(shù)字電力設備的基本組成、質(zhì)量特性、試驗驗證等問題，未見相關報道。分析并研究上述問題，對于我國數(shù)字電網(wǎng)的研究和建設具有重要意義。

數(shù)字電力設備是數(shù)字電網(wǎng)的組成部分［1］，在基本理念上是一脈相承的。因此，數(shù)字電力設備同樣是以數(shù)字技術為核心驅(qū)動力，以數(shù)據(jù)為關鍵生產(chǎn)要素，以新一代信息網(wǎng)絡為基礎，通過數(shù)字技術與電力設備全生命周期的相關業(yè)務、管理深度融合，不斷提高數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化水平，而形成的新型電力設備的生態(tài)系統(tǒng)。

本文根據(jù)質(zhì)量管理體系理論結(jié)合電力設備的發(fā)展歷程揭示了電力設備質(zhì)量特性的發(fā)展規(guī)律，通過梳理電力設備數(shù)字化、網(wǎng)絡化和智能化技術現(xiàn)狀結(jié)合電力設備質(zhì)量特性的發(fā)展規(guī)律，提出了數(shù)字電力設備的基本組成、質(zhì)量特性、數(shù)字孿生模型、數(shù)字數(shù)據(jù)模型及試驗驗證方法，根據(jù)提出的數(shù)字電力設備基本理念，明確了數(shù)字電力設備的發(fā)展路徑。

1 電力設備的發(fā)展歷程

電力設備是電力系統(tǒng)的組成部分，當電力系統(tǒng)對電力設備的需求發(fā)生變化時，即要求電力設備承受的應力在發(fā)生變化，電力設備的質(zhì)量特性也在發(fā)生變化［2-3］。在GJB9001C—2017《質(zhì)量管理體系要求》［4］中，把這種質(zhì)量特性稱之為專用質(zhì)量特性。這一類特性是一種確定性的特性，可在物理空間獨立存在。另一方面，隨著電力設備的應用，在制造、安裝和使用等全生命周期全過程中將產(chǎn)生諸多業(yè)務，這些業(yè)務對電力設備提出了新的需求。在GJB9001C《質(zhì)量管理體系要求》中，把這種質(zhì)量特性稱之為通用質(zhì)量特性。這一類質(zhì)量特性不能在物理空間獨立存在的就是時間的特性，它用來度量產(chǎn)品的專用特性與時間有關的特性。電力設備的發(fā)展歷程是質(zhì)量特性的發(fā)展過程，首先由于電力系統(tǒng)的發(fā)展而對電力設備提出需求引起電力設備專用質(zhì)量特性的發(fā)展變化，然后緊接著是電力系統(tǒng)在使用等全生命周期過程中業(yè)務對電力設備提出需求引起電力設備的通用質(zhì)量特性的發(fā)展變化，兩種特性發(fā)展相互影響、相互促進，螺旋式上升推動電力設備的發(fā)展。

2 電力設備數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化現(xiàn)狀

電力設備數(shù)字化是指利用數(shù)字技術將電力設備許多復雜多變的信息轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢远攘康臄?shù)字、數(shù)據(jù)，成為可計算的對象；網(wǎng)絡化指利用信息通信技術實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享；從感覺到記憶再到思維這一過程稱為“智慧”，智慧的結(jié)果產(chǎn)生了行為和語言，將行為和語言的表達過程稱為“能力”，兩者合稱“智能”［5］。

近年來，在電力設備數(shù)字化、網(wǎng)絡化和智能化方面的研究和應用上取得了一些可喜的成果，但智能電力設備的實用化、商業(yè)化程度還不夠，其主要原因有3條。

1）電力設備數(shù)據(jù)收集不全面或數(shù)字化程度不高，主要表現(xiàn)為：（1）電力設備的外部施加應力如自然環(huán)境、運行工況等數(shù)據(jù)收集不全面或數(shù)字化程度不高；（2）電力設備內(nèi)部特性數(shù)據(jù)如結(jié)構尺寸和內(nèi)部特性如材料性能等數(shù)據(jù)收集不全面或數(shù)字化程度不高；（3）電力設備的外部可觀測數(shù)據(jù)如開關管理人員五官感知、試驗檢測和在線監(jiān)測的數(shù)據(jù)收集不全面或數(shù)字化程度不高。

2）電力設備的網(wǎng)絡化程度不夠。主要表現(xiàn)為：（1）通過SCADA系統(tǒng)收集了部分的電力設備運行工況數(shù)據(jù)，但由于網(wǎng)絡安全問題，大部分運行工況數(shù)據(jù)還不能通過網(wǎng)絡共享；（2）電力設備通過在線監(jiān)測網(wǎng)絡收集一部分電力設備外部可觀測數(shù)據(jù)和自然環(huán)境，但電力設備全生命周期各個環(huán)節(jié)的大量人機交互終端、設計工具、測試和試驗裝置所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)未能通過網(wǎng)絡化收集；（3）電力設備數(shù)據(jù)共享的安全性問題未徹底解決，電力設備數(shù)據(jù)共享的機制未解決，電力設備與社會公共知識數(shù)據(jù)、公共氣象數(shù)據(jù)未能較好地通過網(wǎng)絡化進行收集。

3）電力設備的內(nèi)部狀態(tài)不夠透明，即電力設備的內(nèi)部狀態(tài)不能在數(shù)字空間全面、準確、實時更新。主要表現(xiàn)為：即使通過物聯(lián)網(wǎng)等收集了電力設備的外部施加應力數(shù)據(jù)和電力設備的外部可觀測數(shù)據(jù)，但由于缺乏有效的狀態(tài)評估模型，內(nèi)部狀態(tài)不能在數(shù)字空間實時更新，或更新不全、或不夠準確、或不夠及時，造成電力設備的內(nèi)部狀態(tài)無法實現(xiàn)全面、實時的“可觀測”，進而無法有效地實現(xiàn)其預期的“可控制”和“自動化”等功能。

綜上所述，數(shù)字化是網(wǎng)絡化和智能化的基礎，網(wǎng)絡化是數(shù)字化和智能化的提質(zhì)增效工具，智能化是數(shù)字化和網(wǎng)絡化的目標。電力設備全生命周期管理的業(yè)務需求以及數(shù)字化技術的現(xiàn)狀，決定了電力設備數(shù)字化的內(nèi)容和規(guī)模，電力設備數(shù)字化的內(nèi)容和規(guī)模決定了網(wǎng)絡化的規(guī)模以及電力設備智能化的實現(xiàn)程度。

因此，電力設備數(shù)字化是基礎，其關鍵是電力設備數(shù)據(jù)的高效收集及數(shù)字化，在電力設備數(shù)字化還未實現(xiàn)的當下，一味追求網(wǎng)絡化和智能化，只會本末倒置，這也是數(shù)字化、網(wǎng)絡化和智能化的電力設備稱之為“數(shù)字電力設備”的原因；電力設備網(wǎng)絡化是工具，其關鍵是建立安全的、支持數(shù)據(jù)交易與共享的物聯(lián)網(wǎng)；電力設備智能化是終極目標，其關鍵是全面、準確、實時狀態(tài)評估，在現(xiàn)有的條件下，通過產(chǎn)品設計、型式試驗、工藝測試、出廠試驗、現(xiàn)場試驗及預防性試驗等基本可以獲得較為完整的電力設備狀態(tài)評估所需的數(shù)據(jù)，因此對于數(shù)字電力設備來說，傳感技術不是關鍵，電力設備內(nèi)部狀態(tài)全面、準確、實時的狀態(tài)評估是關鍵。

3 數(shù)字電力設備

3.1 數(shù)字電力設備的基本組成

數(shù)字電力設備可以簡單理解為基于數(shù)字孿生的電力設備。數(shù)字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應的實體裝備的全生命周期過程。數(shù)字孿生是一種超越現(xiàn)實的概念，可以被視為一個或多個重要的、彼此依賴的裝備系統(tǒng)的數(shù)字映射系統(tǒng)［6］。數(shù)字電力設備在物理上是傳統(tǒng)電力設備和其數(shù)字映射系統(tǒng)組成，該數(shù)字映射系統(tǒng)（或稱之為數(shù)字孿生裝置、或稱之為狀態(tài)評估裝置、或稱之為數(shù)字接口）實現(xiàn)的功能包括數(shù)字數(shù)據(jù)的獲取、傳輸、存儲、分析和展示等。同時，數(shù)字電力設備在邏輯上是數(shù)字電力設備的物理實體和虛擬實體組成，虛擬實體存在于數(shù)字空間即數(shù)字映射系統(tǒng)中，其最終的目的是實現(xiàn)電力設備實時數(shù)字化可觀測，支撐全生命周期各項業(yè)務的提質(zhì)增效。

3.2 數(shù)字電力設備的質(zhì)量特性

在引言中已經(jīng)明確了數(shù)字電力設備的概念，但未明確數(shù)字電力設備的功能和性能，即數(shù)字電力設備的質(zhì)量特性。在梳理電力設備發(fā)展過程中可以發(fā)現(xiàn)，電力設備的質(zhì)量特性可以分為專用特性和通用質(zhì)量特性，專用質(zhì)量特性是由于電力系統(tǒng)的發(fā)展而發(fā)展的，而通用質(zhì)量特性是電力設備全生命周期業(yè)務需求的發(fā)展而發(fā)展。隨著數(shù)字電網(wǎng)的發(fā)展，電網(wǎng)要求能夠?qū)崟r的獲取電力設備的數(shù)字化狀態(tài)，因此對電力設備提出了專用質(zhì)量特性要求，數(shù)字電力設備的核心功能為自身狀態(tài)的數(shù)字映射，即實時獲得電力設備自身狀態(tài)的數(shù)字化信息。因此描述數(shù)字電力設備的專用質(zhì)量特性指標分別為以下3個：數(shù)字化顆粒度、數(shù)字映射誤差、數(shù)字映射時間。數(shù)字化顆粒度是指能夠映射設備的空間層級，如類別級，設備級，單元級、元件級、部件級、零件級、材料級等；數(shù)字映射誤差即電力設備在物理空間與數(shù)字空間之間偏差；數(shù)字映射時間是指在物理空間的實體發(fā)生變化后，在相關觀測數(shù)據(jù)準備好開始到在電力設備數(shù)字孿生體在數(shù)字空間同步更新的時間。數(shù)字電力設備同樣存在通用質(zhì)量特性，這個與傳統(tǒng)電力設備一致，不再贅述。

數(shù)字電力設備的專用質(zhì)量特性技術指標跟具體電力設備的應用場景和需求密切相關，如數(shù)字化顆粒度對于某些電力設備需要的是設備級，有些電力設備需要的是材料級；另外還跟電力設備的性能相關，如要求數(shù)字化僅為設備級的絕緣性能，材料級的機械性能等。又如數(shù)字映射誤差，對于大部分電力設備用戶均希望能夠?qū)崟r識別設備內(nèi)部狀態(tài)變量分別處于正常、注意、異常和嚴重的狀態(tài)，有些場景可能僅需要識別正常和嚴重狀態(tài)，這些均跟數(shù)字映射誤差有著密切的聯(lián)系。又如數(shù)字映射時間，受電力設備觀測周期和觀測時間的影響，對于電力設備暫態(tài)過程的觀測要求觀測連續(xù)、觀測時間短，對電力設備的數(shù)字映射時間要求較高，而對電力設備緩慢劣化過程，對電力設備的數(shù)字映射時間要求不高。

數(shù)字電力設備和以往的智能電力設備的專用質(zhì)量特性存在本質(zhì)區(qū)別，智能電力設備的專用質(zhì)量特性在于電力設備外部特性的檢測精度，如溫度監(jiān)測系統(tǒng)的測量精度為±1 ℃等，智能電力設備的專用質(zhì)量特性在某種程度上其實質(zhì)為在線監(jiān)測系統(tǒng)的專用質(zhì)量特性，跟電力設備的本體關系不大，因此，從根本上說，智能電力設備目前還未提出其專用質(zhì)量特性，因此智能電力設備并未發(fā)生質(zhì)的飛躍。而數(shù)字電力設備的專用質(zhì)量特性數(shù)字化顆粒度、數(shù)字映射誤差和數(shù)字映射時間等專用質(zhì)量特性指標跟電力設備本體密切相關，是電力設備專用質(zhì)量特性新的補充，是電力設備新的質(zhì)的飛躍，因此數(shù)字電力設備相對于傳統(tǒng)電力設備來說是一種新型的電力設備。這也是本文提出“數(shù)字電力設備”以區(qū)別于“智能電力設備”的根本原因。

3.3 電力設備的數(shù)據(jù)孿生模型

電力設備的數(shù)字孿生模型，也稱之為電力設備基于數(shù)字孿生的狀態(tài)評估模型。電力設備的數(shù)字孿生模型描述如圖1所示。

圖1 電力設備的數(shù)字孿生模型Fig.1 Digital twin model of power equipment

依據(jù)現(xiàn)代控制理論［7］，電力設備的數(shù)字孿生模型可用式（1）所示系統(tǒng)動態(tài)方程來描述［8］。

式中：AA、BB、CC、DD為系數(shù)矩陣；x˙為狀態(tài)向量；x、uu為輸入向量；yy為輸出向量。

依據(jù)可靠性工程理論可知，針對電力設備進行狀態(tài)評估，xx表示電力設備內(nèi)部狀態(tài)，包括電力設備的幾何尺寸和內(nèi)部特性如材料性能等，uu表示電力設備的外部施加應力，包括電力設備的工作條件和環(huán)境條件等，yy表示電力設備的外部可觀測量，由反映電力設備內(nèi)部狀態(tài)的特征參量組成。電力設備狀態(tài)評估的本質(zhì)即為首先建立uu、xx和yy之間一一映射關系，然后在進行狀態(tài)評估時根據(jù)已知的輸入向量和輸出向量，通過事先建立好的一一映射關系反推xx的情況，即獲得電力設備的內(nèi)部狀態(tài)［9-13］。

因此數(shù)字電力設備要具備實用價值最關鍵的是建立電力設備輸入向量、輸出向量和狀態(tài)向量之間的一一映射關系，即電力設備的數(shù)字孿生模型，然后通過收集外部的輸入向量和輸出向量，即可獲得電力設備狀態(tài)的實時變化［14-18］。以下針對GIS設備內(nèi)部過熱的數(shù)字孿生模型，詳細說明如下。

GIS設備內(nèi)部過熱故障在電網(wǎng)頻繁發(fā)生［9］，如何提前獲得GIS內(nèi)部導體的溫升狀態(tài)是亟待解決的難題［12］。本文將GIS內(nèi)部導體溫升差（即導體故障部位的溫升與正常部位的溫升之差）θc設為狀態(tài)向量x=[θc]，GIS的運行電流I、環(huán)境溫度T，空氣壓強P組成的向量設為輸入向量u=[I，T，P]，將GIS的外殼溫升差θs設為輸出向量y=[θs]，本文事先針對不同型號的GIS在設計時建立GIS的數(shù)字孿生模型，即建立輸出向量在不同的輸入向量下，內(nèi)部狀態(tài)向量和輸出向量之間的映射關系，在現(xiàn)場實際運行時即可利用上述數(shù)字孿生模型通過外殼的溫度而獲得GIS的內(nèi)部導體溫度，具有良好的應用價值。

3.4 電力設備的數(shù)字數(shù)據(jù)模型

電力設備的數(shù)字數(shù)據(jù)模型，是在電力設備的數(shù)字孿生模型基礎上增加相關的管理數(shù)據(jù)發(fā)展而來，其主要目的是支撐電力設備全生命周期管理的提質(zhì)增效。電力設備的數(shù)字數(shù)據(jù)模型框架如圖2所示。

根據(jù)電力設備在空間維度觀測到的存在形式及數(shù)據(jù)應用需要將電力設備分解到類別、設備、單元、元件、部件和零件各個層級不同空間顆粒度的數(shù)據(jù)描述對象。根據(jù)電力設備在時間維度觀測到的存在形式及數(shù)據(jù)應用需要將電力設備按照全生命周期分解為設計、制造、安裝、運行和退役各個階段不同時間顆粒度的數(shù)據(jù)描述過程。按照電力設備在邏輯維度觀測到的存在形式及數(shù)據(jù)應用需求將電力設備分解為數(shù)據(jù)、信息、知識、策略、方案、決策、計劃等從數(shù)據(jù)產(chǎn)生到數(shù)據(jù)應用的全部邏輯環(huán)節(jié)。

將所述電力設備的所觀測到的數(shù)據(jù)進行數(shù)字化，分為輸入向量、輸出向量和狀態(tài)向量，并從數(shù)據(jù)中提取輸入向量、輸出向量和狀態(tài)向量的中特征參量，即獲得信息；建立輸入向量、輸出向量和狀態(tài)向量之間的關系，記為狀態(tài)評估模型；獲得設備狀態(tài)評估模型各參量及各參量之間關系在全生命周期內(nèi)的變化規(guī)律，記為相關知識；當現(xiàn)實客觀世界出現(xiàn)變化時，更新設備的輸入向量、輸出向量或狀態(tài)向量，并調(diào)整設備的工作狀態(tài)使其符合預期，形成策略；將策略傳遞給輸入向量的主體，所述主體根據(jù)自身的狀態(tài)對策略進行響應；將信息傳遞給所述電力設備，所述電力設備根據(jù)傳遞的信息對方案進行優(yōu)選；根據(jù)方案優(yōu)選的結(jié)果傳遞給責任主體進行決策，形成最終方案；將確定的最終方案從時間維度上進行安排形成計劃。

數(shù)據(jù)描述對象和過程數(shù)字數(shù)據(jù)可以分解為輸入向量、狀態(tài)向量和輸出向量，信息及以上邏輯環(huán)節(jié)數(shù)字數(shù)據(jù)均通過數(shù)字數(shù)據(jù)邏輯推理或計算獲得。

電力設備所有空間層級、時間階段和邏輯環(huán)節(jié)共同組成了電力設備全息數(shù)字數(shù)據(jù)模型，能夠統(tǒng)一電力設備全生命周期管理全過程的數(shù)據(jù)建模方法，便于電力設備數(shù)據(jù)的管理。

3.5 數(shù)字電力設備的試驗驗證

由于數(shù)字電力設備的主要功能是自身狀態(tài)的實時數(shù)字化映射，因此重點是3個指標：數(shù)字化顆粒度、數(shù)字映射誤差、數(shù)字映射時間。因此數(shù)字電力設備的試驗方法主要模擬數(shù)字電力設備不同顆粒度空間層級狀態(tài)的各種變化，施加在全生命周期過程中電力設備受到的各種應力，通獲取電力設備的外部輸出數(shù)據(jù)，映射展示出電力設備的實時內(nèi)部狀態(tài)數(shù)字數(shù)據(jù)。記錄映射的時間，同時記錄模擬的狀態(tài)數(shù)據(jù)與實際映射的數(shù)據(jù)進行比對，計算數(shù)字映射誤差。由于測試的指標均為專用質(zhì)量特性指標，指標試驗驗證可以在獨立的空間進行［19-20］。以下針對GIS設備內(nèi)部過熱的數(shù)字孿生模型數(shù)字映射誤差的試驗方法詳細說明如下。

在試驗室搭建GIS設備溫升試驗平臺，通過改變觸頭尺寸和（或）材料模擬觸頭過熱故障，開展溫升試驗，通過調(diào)節(jié)試驗電流，使GIS設備內(nèi)部導體溫升差（GIS內(nèi)部正常導體和故障導體之間的溫升差）在0～40 K之間變化，用紅外成像儀或在線監(jiān)測裝置測試GIS外殼的溫升差，用熱電偶方式測量GIS內(nèi)部導體的溫升，獲得GIS內(nèi)部導體溫升差的實測值，通過前期建立好的數(shù)字孿生模型以及GIS外殼溫升差的實測值計算GIS內(nèi)部導體溫升差的數(shù)字映射值，GIS內(nèi)部導體溫升差映射值與實測值的偏差，即為數(shù)字映射誤差。數(shù)字映射誤差可以分級，如5%、10%，按照運維的實際需要一般至少為10%。

4 數(shù)字電力設備的發(fā)展路徑

電力設備類別眾多，從數(shù)字電網(wǎng)的需求來看，均應成為數(shù)字電力設備，但不同的電力設備可以采取不同的數(shù)字化顆粒度。對于那些結(jié)構簡單、可靠性、故障率影響較小的設備，基于技術經(jīng)濟原則，建議其顆粒度較粗，達類別級或設備級即可；而對于開關、變壓器和換流器等在電網(wǎng)起到至關重要的作用，且故障率較高，基于技術經(jīng)濟原則，建議其顆粒度較細，可達零件級甚至材料級。

數(shù)字電力設備牽涉的全生命周期各個環(huán)節(jié)的需求較多［21-26］，但最核心的需求是運行環(huán)節(jié)的需求，因此應從運行環(huán)節(jié)的狀態(tài)評估需求為核心開展數(shù)字電力設備的技術研究，然后再逐步擴展至全生命周期各個環(huán)節(jié)的需求。而對于運行環(huán)節(jié)的狀態(tài)評估需求，應以目前電力設備的典型故障模式為研究重點，開展基于數(shù)字孿生的故障預警技術研究。

開展數(shù)字電力設備的研究，首先應從技術標準研究著手，先建立某幾類典型電力設備的數(shù)字孿生模型，開展試點應用，再不斷進行優(yōu)化升級。

5 結(jié)語

本文根據(jù)質(zhì)量管理體系理論、可靠性工程理論、現(xiàn)代控制理論等，通過理論分析的方法結(jié)合電力設備的發(fā)展歷程得出以下結(jié)論。

1）電力設備的發(fā)展歷程是質(zhì)量特性的發(fā)展過程，通用質(zhì)量特性和專用質(zhì)量特性發(fā)展相互影響、相互促進，螺旋式上升推動電力設備的發(fā)展。

2）對于數(shù)字電力設備來說，數(shù)字化是網(wǎng)絡化和智能化的基礎，網(wǎng)絡化是數(shù)字化和智能化的提質(zhì)增效工具，智能化是數(shù)字化和網(wǎng)絡化的目標；傳感技術不是關鍵，電力設備內(nèi)部狀態(tài)全面、準確、實時的狀態(tài)評估是關鍵。

3）數(shù)字電力設備在物理上是傳統(tǒng)電力設備和其數(shù)字映射系統(tǒng)組成；在邏輯上是數(shù)字電力設備的物理實體和虛擬實體組成。

4）數(shù)字電力設備基于數(shù)字孿生的狀態(tài)評估模型用狀態(tài)空間方程來建模，是實現(xiàn)電力設備數(shù)字化的關鍵。

5）數(shù)字電力設備的主要專用質(zhì)量特性指標包括數(shù)字化顆粒度、數(shù)字映射誤差、數(shù)字映射時間，指標的試驗驗證可以在獨立的空間進行。