基于數(shù)字孿生的變電站運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估模型設(shè)計(jì)

買合布拜·肖開提，李新濤，賈俊強(qiáng)，馬占軍，薛高倩

（1.國(guó)網(wǎng)新疆電力有限公司信息通信公司，新疆 烏魯木齊 830000；2.國(guó)網(wǎng)新疆電力有限公司，新疆烏魯木齊 830000）

當(dāng)前，在變電站運(yùn)行管理信息的監(jiān)測(cè)中，存在著信息處理速度慢、過(guò)分依賴硬件配置、無(wú)法以較小代價(jià)維護(hù)多個(gè)容器以及無(wú)法以毫秒級(jí)成批創(chuàng)建容器等問題。目前的評(píng)估方法不能在一定情況下自行調(diào)節(jié)生成時(shí)間和精細(xì)策略，也不能解決以前業(yè)務(wù)被強(qiáng)行捆綁到某個(gè)主機(jī)上問題，無(wú)法避免由于過(guò)度負(fù)載而導(dǎo)致主站故障，更不能確保系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性。同時(shí)，由于工作人員的閱覽不便，不能實(shí)現(xiàn)智能評(píng)估。為此，目前提出了一種智能化變電站狀態(tài)維護(hù)系統(tǒng)總體框架，并將3D 可視化技術(shù)引入到自動(dòng)控制系統(tǒng)中，建立了變電站三維模擬系統(tǒng)，從而為操作人員提供直觀信息[1]；使用基于隨機(jī)矩陣?yán)碚摰脑u(píng)估方法，利用高維時(shí)序隨機(jī)矩陣，從單環(huán)定律半徑出發(fā)，統(tǒng)計(jì)分析評(píng)估和異常檢測(cè)結(jié)果。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)對(duì)比，對(duì)系統(tǒng)關(guān)鍵狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)，并對(duì)異常進(jìn)行檢測(cè)[2]。由于配電網(wǎng)規(guī)模大、動(dòng)態(tài)特性復(fù)雜、建模仿真困難，傳統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)和運(yùn)行控制方法難以適應(yīng)配電網(wǎng)多時(shí)間、多業(yè)務(wù)協(xié)同需要。在此基礎(chǔ)上，提出了基于數(shù)字孿生的變電站運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估模型設(shè)計(jì)。

1 運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估與數(shù)字孿生程度分析

1.1 變電站運(yùn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于大數(shù)據(jù)挖掘所獲得的數(shù)據(jù)中存在著許多不同維數(shù)，其數(shù)值差異較大。因此，將變電站工作的數(shù)據(jù)看作是一種平滑隨機(jī)序列，其數(shù)據(jù)由以下公式表達(dá)：

使用滑動(dòng)平均法，計(jì)算變電站參數(shù)真實(shí)的平滑值，公式為：

變電站運(yùn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理過(guò)程如圖1 所示。

圖1 變電站運(yùn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理過(guò)程

由圖1 可知，針對(duì)出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)情況，需及時(shí)采取相應(yīng)策略，由此完成數(shù)據(jù)預(yù)處理。

1.2 變電站運(yùn)行狀態(tài)評(píng)分

充分考慮變電站運(yùn)行過(guò)程中各個(gè)方面因素，計(jì)算各類設(shè)備評(píng)分[5-7]，公式為：

式中，wk,i表示變壓器設(shè)備k的綜合評(píng)估結(jié)果；表示變壓器設(shè)備k的第i個(gè)指標(biāo)評(píng)分結(jié)果；表示變壓器設(shè)備k的家族缺陷所對(duì)應(yīng)的評(píng)分結(jié)果；wk,i表示變壓器設(shè)備k的第i個(gè)指標(biāo)歸一化權(quán)重[8]。

在變電站運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估層，按照百分評(píng)分制計(jì)算變電站運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估得分，并根據(jù)四個(gè)等級(jí)的劃分進(jìn)行預(yù)警：如果計(jì)算結(jié)果小于或等于60 分，則說(shuō)明變電站出現(xiàn)了嚴(yán)重故障情況；如果計(jì)算結(jié)果在60～80 分之間，則說(shuō)明變電站出現(xiàn)了異常情況；如果計(jì)算結(jié)果在80～90 分之間，則說(shuō)明變電站出現(xiàn)了需要注意的情況；如果計(jì)算結(jié)果在90～100 分之間，則說(shuō)明變電站正常[9-10]。

1.3 變電站設(shè)備數(shù)字孿生程度分析

根據(jù)變電站運(yùn)行狀態(tài)評(píng)分結(jié)果，判斷變電站各個(gè)設(shè)備運(yùn)行情況，進(jìn)而確定各個(gè)設(shè)備孿生程度。

1.3.1 主變壓器

對(duì)于主變壓器孿生程度的確定，主要從分接頭潮流、溫度、空載以及回路巡視關(guān)鍵點(diǎn)出發(fā)，保證基于數(shù)字孿生的變電站在實(shí)際操作中，能準(zhǔn)確地反映出分接頭對(duì)潮流的影響；無(wú)其他系統(tǒng)投入情況下，變壓器溫度與外部環(huán)境溫度變化一致[11]。在冷卻系統(tǒng)投入情況下，變壓器溫度升高；變壓器空載下產(chǎn)生勵(lì)磁涌流，主要用于檢驗(yàn)變壓器回路是否正常[12]。

1.3.2 配電裝置

對(duì)于配電裝置孿生程度的確定，主要從如下方面入手：正確分析正常和事故情況下電氣設(shè)備運(yùn)行的潮流，當(dāng)工作人員發(fā)出相關(guān)操作指令后，配電裝置發(fā)出正確響應(yīng)。反之，如果指令錯(cuò)誤，那么配電裝置將會(huì)遵守“五防”規(guī)則閉鎖，產(chǎn)生錯(cuò)誤提示音，并正確演示出錯(cuò)誤操作后出現(xiàn)的各種問題[13]。

1.3.3 直流系統(tǒng)柜

對(duì)于直流系統(tǒng)柜的孿生程度的確定，主要從運(yùn)行特性、表計(jì)顯示關(guān)鍵點(diǎn)出發(fā)。其中直流系統(tǒng)柜的高頻開關(guān)電源的運(yùn)行特性，應(yīng)與可控硅實(shí)際設(shè)備運(yùn)行特性一致，在該情況下進(jìn)行的模擬行為，能夠及時(shí)調(diào)整蓄電池組的充放電[14]；調(diào)節(jié)直流系統(tǒng)柜調(diào)整蓄電池組充放電，通過(guò)絕緣監(jiān)察裝置表顯示系統(tǒng)故障情況。

根據(jù)變電站設(shè)備孿生程度分析結(jié)果，建立變電站運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估模型。

2 模型構(gòu)建

2.1 數(shù)字孿生技術(shù)變電站三維場(chǎng)景展示

利用三維模型軟件3D MAX，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)模擬，將材料貼圖導(dǎo)入到已建好的模型。首先將模型通過(guò)拓?fù)滠浖筛吣＾D(zhuǎn)換成低模形式，然后使用烘焙軟件在低模上恢復(fù)高模細(xì)節(jié)，最后轉(zhuǎn)換成OBJ 格式導(dǎo)入三維模型軟件3D MAX 中進(jìn)行貼圖處理，由此制作三維場(chǎng)景[15]。基于此，設(shè)計(jì)的數(shù)字孿生技術(shù)變電站三維場(chǎng)景自動(dòng)生成步驟如下所示：

步驟1：構(gòu)建一、二次三維數(shù)字化組件庫(kù)；

步驟2：在控制集成模擬系統(tǒng)中，建立一、二次設(shè)備的模型參數(shù)；

步驟3：根據(jù)變電站一次場(chǎng)景布置和二次場(chǎng)景屏幕位置，編輯并產(chǎn)生布局概要；

步驟4：通過(guò)組件庫(kù)的設(shè)備匹配查詢，生成變電站一、二次場(chǎng)景；

步驟5：通過(guò)對(duì)變電站一、二次場(chǎng)景控制件組的初始狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)，得到最終的變電站三維場(chǎng)景[16]。

2.2 模型設(shè)計(jì)

根據(jù)專家打分獲取判斷矩陣，公式為：

式中，λmn表示m目標(biāo)對(duì)n目標(biāo)的相對(duì)重要程度取值參考。

根據(jù)判斷矩陣分析特征向量，對(duì)其進(jìn)行歸一化處理，所獲取的結(jié)果為同一層次不同排序權(quán)重結(jié)果，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)：

步驟1：一致性指標(biāo)計(jì)算公式為：

式中，c表示判斷矩陣的階數(shù)；εmax表示最大特征值。

步驟2：一致性比例計(jì)算公式為：

式中，R表示平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，與判斷矩陣階數(shù)有關(guān)。當(dāng)計(jì)算結(jié)果滿足P＜0.2 時(shí)，則說(shuō)明判斷矩陣一致性具有實(shí)際意義，也由此說(shuō)明權(quán)重分配是合理的。

3 實(shí) 驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象及數(shù)據(jù)整理

以國(guó)網(wǎng)新疆電力公司220 kV 變電站中的變壓器為例，由此驗(yàn)證基于數(shù)字孿生的變電站運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估模型構(gòu)建的合理性。

變壓器設(shè)備參數(shù)展示效果如圖2 所示。

圖2 變壓器設(shè)備參數(shù)展示效果

根據(jù)變電站變壓器設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，總結(jié)運(yùn)行特點(diǎn)，設(shè)定變壓器各個(gè)指標(biāo)權(quán)重，如表1 所示。

表1 變壓器各個(gè)指標(biāo)權(quán)重

所有數(shù)據(jù)能夠直接從變壓器中得到大部分信息，小部分?jǐn)?shù)據(jù)由傳感器統(tǒng)計(jì)獲得。

3.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

對(duì)變壓器進(jìn)行停電實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)變壓器鐵心對(duì)地的絕緣電阻為0。變壓器繞組變形是故障原因之一，不同頻率下變壓器高壓、低壓繞組響應(yīng)結(jié)果如圖3所示。

圖3 變壓器高壓、低壓繞組響應(yīng)結(jié)果

由圖3 可知，變壓器高壓繞組響應(yīng)最大值為5 dB，最小值為-70 dB；變壓器低壓繞組響應(yīng)最大值為-2 dB，最小值為-46 dB。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)于變壓器高壓、低壓繞組異常情況，分別使用變電站輔助設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)三維建模、基于隨機(jī)矩陣?yán)碚摰脑u(píng)估方法和數(shù)字孿生評(píng)估模型，對(duì)比分析變電站高壓、低壓繞組響應(yīng)情況，以此作為評(píng)估指標(biāo)，分析結(jié)果如圖4 所示。

圖4 三種方法變壓器運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估分析

由圖4 可知，使用變電站輔助設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)三維建模，變壓器高壓繞組響應(yīng)最大值為4 dB，最小值為-61 dB；變壓器低壓繞組響應(yīng)最大值為-19 dB，最小值為-44 dB；使用基于隨機(jī)矩陣?yán)碚摰脑u(píng)估方法，變壓器高壓繞組響應(yīng)最大值為3 dB，最小值為-67 dB；變壓器低壓繞組響應(yīng)最大值為-30 dB，最小值為-57 dB；使用數(shù)字孿生評(píng)估模型，變壓器高壓繞組響應(yīng)最大值為5 dB，最小值為-69 dB；變壓器低壓繞組響應(yīng)最大值為-2 dB，最小值為-45 dB。

通過(guò)上述分析結(jié)果可知，使用數(shù)字孿生評(píng)估模型評(píng)估的變壓器繞組響應(yīng)結(jié)果與真實(shí)值存在最大為1 dB 的誤差，說(shuō)明使用該模型評(píng)估結(jié)果精準(zhǔn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

該文設(shè)計(jì)的基于數(shù)字孿生的變電站運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估模型，以數(shù)字孿生為基礎(chǔ)，主要是對(duì)變電站生產(chǎn)狀況、故障情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與數(shù)字孿生技術(shù)相結(jié)合，使現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況得到真實(shí)再現(xiàn)。該模型能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字仿真和實(shí)際實(shí)體模型之間實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互，并對(duì)故障進(jìn)行數(shù)字化、智能化預(yù)警，將有關(guān)數(shù)據(jù)可視化地顯示在數(shù)字孿生系統(tǒng)中。