數(shù)字孿生技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用分析

摘要：將數(shù)字孿生技術(shù)運用在智能電網(wǎng)中能夠?qū)崿F(xiàn)電網(wǎng)建設(shè)的穩(wěn)定化運行、全方位感知和網(wǎng)絡(luò)化連接。借助數(shù)字孿生技術(shù)，可以完成智能電網(wǎng)由實體狀態(tài)到虛擬空間的投射，推動智能電網(wǎng)建設(shè)管理模式的發(fā)展與轉(zhuǎn)型。通過分析智能電網(wǎng)數(shù)字孿生技術(shù)的架構(gòu)與特點，探索了數(shù)字孿生技術(shù)在智能電網(wǎng)領(lǐng)域中的應(yīng)用路徑，闡述了切實可行的技術(shù)應(yīng)用策略，旨在發(fā)揮數(shù)字孿生技術(shù)優(yōu)勢，促進智能電網(wǎng)轉(zhuǎn)型升級。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生技術(shù)"智能電網(wǎng)"技術(shù)架構(gòu)"創(chuàng)建孿生模型

Application"Analysis"of"Digital"Twin"Technology"in"Smart"Grid

HAN"Dong

Jilin"Railway"Technology"College，"Jilin，"Jilin"Province，"132299"China

Abstract："The"application"of"digital"twin"technology"in"smart"grids"can"achieve"stable"operation，"all-round"perception，"and"networked"connection"of"power"grid"construction."With"the"help"of"digital"twin"technology，"the"projection"of"smart"grid"from"physical"state"to"virtual"space"can"be"completed，"promoting"the"development"and"transformation"of"smart"grid"construction"and"management"mode."By"analyzing"the"architecture"and"characteristics"of"digital"twin"technology"in"smart"grids，"this"paper"explores"the"application"path"of"digital"twin"technology"in"the"field"of"smart"grids，"and"elaborates"on"practical"and"feasible"technical"application"strategies，"aiming"to"leverage"the"advantages"of"digital"twin"technology"and"promote"the"transformation"and"upgrading"of"smart"grids.

Key"Words："Digital"twin"technology;"Smart"grid;"Technology"architecture;"Creating"twin"models

數(shù)字孿生技術(shù)是一種新興技術(shù)，是建設(shè)智能電網(wǎng)的重要手段之一，因具有信息化、自適應(yīng)、可擴展等特點而受到廣泛關(guān)注。依托數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建新型電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，形成快速響應(yīng)、多維立體模型的電網(wǎng)運維管理模式，有利于提高供電質(zhì)量、電網(wǎng)可靠性與綜合管理水平，進一步推動我國電力行業(yè)邁入全新發(fā)展階段。同時，數(shù)字孿生技術(shù)可以將真實系統(tǒng)的物理模型和數(shù)學模型結(jié)合起來，實現(xiàn)虛實融合，為實時模擬、可視化、優(yōu)化和決策提供新的手段和思路。為此，在智能電網(wǎng)發(fā)展過程中，應(yīng)充分發(fā)揮數(shù)字孿生技術(shù)優(yōu)勢，技術(shù)人員要明確數(shù)字孿生技術(shù)架構(gòu)和特點，合理運用該技術(shù)提高電網(wǎng)精細化管理水平，優(yōu)化電網(wǎng)運行方式，提高電網(wǎng)安全穩(wěn)定性和可靠性，實現(xiàn)供需側(cè)管理的互動協(xié)同。

1"智能電網(wǎng)中數(shù)字孿生技術(shù)的概述

1.1智能電網(wǎng)中數(shù)字孿生技術(shù)的分析

數(shù)字孿生技術(shù)以物理模型為依據(jù)，在智能電網(wǎng)投運階段，匯總整理海量數(shù)據(jù)信息，包括用電量統(tǒng)計數(shù)據(jù)、電力電子設(shè)備運行數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)，建立孿生模型，在虛擬數(shù)字空間內(nèi)完成映射過程，保持控制對象虛擬模型與真實狀態(tài)的完全一致，準確預(yù)測目標事件后續(xù)發(fā)展情況，結(jié)合當前情況做出科學決策。簡單來講，數(shù)字孿生技術(shù)以數(shù)字表達、持續(xù)更新、洞察分析作為核心要素。其中，數(shù)字表達是通過三維實景模型、設(shè)備參數(shù)化模型來直觀呈現(xiàn)電網(wǎng)運行狀況；持續(xù)更新是通過現(xiàn)場采樣數(shù)據(jù)來覆蓋模型歷史數(shù)據(jù)，確保模型屬性與控制對象實際情況完全一致；洞察分析是根據(jù)已知信息，推演目標事件后續(xù)發(fā)展過程，做出科學決策[1]。

1.2智能電網(wǎng)中數(shù)字孿生技術(shù)架構(gòu)

1.2.1物理電網(wǎng)

將集中電源與分布式電源相互結(jié)合，以滿足差異性負荷需求為目標，形成結(jié)構(gòu)復(fù)雜、多設(shè)備的信息物理系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)所有物理元素數(shù)字都具備唯一性，單項元素用于描述特定信息負責優(yōu)化資源要素配置、接受反饋虛擬電網(wǎng)控制指令。

1.2.2感知層

現(xiàn)場配備多種類傳感器和智能儀表，在電網(wǎng)運行期間采集現(xiàn)場監(jiān)測信號，對信號進行預(yù)處理，轉(zhuǎn)換為可識別數(shù)字量，準確掌握單臺設(shè)備、各套子系統(tǒng)與電網(wǎng)總體運行工況，判斷實際工況與理想工況是否一致。

1.2.3傳輸層

采取光纖、總線、蜂窩無線等通信方式，在物理電網(wǎng)、虛擬電網(wǎng)間形成穩(wěn)定的通信通道，將現(xiàn)場監(jiān)測信號發(fā)送給虛擬電網(wǎng)，再向物理電網(wǎng)下達決策分析結(jié)果與控制指令。

1.2.4數(shù)據(jù)層

打造電網(wǎng)全要素、管理業(yè)務(wù)的數(shù)字化載體，構(gòu)建數(shù)學模型，依托模型高效開展電力營銷、電網(wǎng)調(diào)度等各項業(yè)務(wù)活動，并對海量數(shù)據(jù)進行融合、挖掘處理。

1.2.5平臺層

構(gòu)成虛擬電網(wǎng)的操作界面，界面上存在遠程遙控、在線檢測、狀態(tài)預(yù)測等功能欄，工作人員可通過操作界面來掌握電網(wǎng)運行情況、手動下達控制指令。

1.3智能電網(wǎng)中數(shù)字孿生技術(shù)的特點

1.3.1實時性

建立物理電網(wǎng)實體要素和虛擬電網(wǎng)孿生模型間的映射關(guān)系，實體要素所產(chǎn)生的各項數(shù)據(jù)信息第一時間反饋給孿生模型，更新模型屬性狀態(tài)，確保二者是否保持一致，避免因模型更新不及時而造成誤導決策。

1.3.2可視化

將智能電網(wǎng)運行情況、方案計劃實施效果以可視化形式進行直觀呈現(xiàn)，如通過參數(shù)化設(shè)備模型信息，準確反映目標設(shè)備的運行方式、運行參數(shù)等情況，有利于加深工作人員對電網(wǎng)狀況的了解程度。

1.3.3多源數(shù)據(jù)融合

在物理電網(wǎng)運行期間持續(xù)產(chǎn)生多種類型的數(shù)據(jù)信息，包括結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)等，虛擬電網(wǎng)對多種數(shù)據(jù)源進行融合處理、集成利用，通過增加數(shù)據(jù)總量來提高控制精度，基本不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)沖突、丟失等問題。

2"數(shù)字孿生技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用策略

2.1創(chuàng)建孿生模型

數(shù)字孿生模型由三維實景模型、參數(shù)化設(shè)備模型兩種類型組成，不同類型模型的用途作用略有不同。三維實景模型以變配電站、長距離輸電線路、智能電網(wǎng)總體結(jié)構(gòu)作為建模對象，運用無人機傾斜攝影測量等現(xiàn)代測繪技術(shù)，前往項目現(xiàn)場采集觀測數(shù)據(jù)，再把觀測數(shù)據(jù)導入專業(yè)軟件中，生成三維立體化的高精度實景模型，用于反映各套子系統(tǒng)、電網(wǎng)整體的現(xiàn)場環(huán)境與實時運行工況[2]。參數(shù)化設(shè)備模型則是以電網(wǎng)單體設(shè)備作為建模對象，掌握電網(wǎng)設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)情況，在三維空間內(nèi)搭建相同結(jié)構(gòu)的設(shè)備模型，再設(shè)定模型屬性狀態(tài)，包括設(shè)備老化程度、運行方式，保持參數(shù)化模型與實體設(shè)備的映射關(guān)系，持續(xù)把設(shè)備實時運行數(shù)據(jù)傳輸?shù)教摂M電網(wǎng)數(shù)據(jù)層，更新模型屬性信息。以變壓器數(shù)字孿生模型為例，實時數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)包括運行狀態(tài)、氣隙磁密幅值、電流、電壓等。此外，在數(shù)字孿生模型創(chuàng)建完畢后，可以設(shè)立可信度、逼真度兩項指標，對模型質(zhì)量進行評價打分。

2.2安全校核

在安全校核場景，以電網(wǎng)調(diào)度方式、運行計劃、重要業(yè)務(wù)作為校核對象，憑借數(shù)字孿生技術(shù)的決策分析能力，定期開展安全校核工作，對電網(wǎng)靜態(tài)潮流進行批量切片處理，準確揭示越限原因與時點，從而指導電網(wǎng)調(diào)度活動，提高調(diào)度合理性，改善電網(wǎng)運維情況。安全校核內(nèi)容涵蓋超短期工況預(yù)測、現(xiàn)貨出清、日內(nèi)計劃等方面，準確推演智能電網(wǎng)未來可能形成的風險隱患，科學制訂風險防范方案，降低風險系數(shù)。同時，通過安全校核，可以檢查電網(wǎng)在各種運行方式下的電壓穩(wěn)定性，確保電壓在正常范圍內(nèi)，避免電壓異常導致的設(shè)備損壞或電網(wǎng)不穩(wěn)定。并評估電網(wǎng)在短路情況下的承受能力，確保在短路故障發(fā)生時電網(wǎng)能夠迅速恢復(fù)穩(wěn)定?。?

2.3智能巡檢

隨著電網(wǎng)規(guī)模持續(xù)擴大，電力企業(yè)需依托數(shù)字孿生技術(shù)來搭建智能巡檢系統(tǒng)，具體可采取實景建模、無人機遙控巡檢、輕量化巡檢三種實現(xiàn)方式，根據(jù)巡檢要求、實際情況進行選擇。

2.3.1實景建模

搭建全部巡檢對象的數(shù)字孿生模型，模型屬性包括設(shè)計參數(shù)、施工數(shù)據(jù)、實驗數(shù)據(jù)、廠商數(shù)據(jù)，再通過現(xiàn)場配備的傳感器、探測器與攝像頭來采集現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)和觀察電網(wǎng)設(shè)備外觀狀態(tài)，從數(shù)據(jù)信息中提取異常特征量，根據(jù)特征量識別分析結(jié)果，向工作人員匯報電網(wǎng)現(xiàn)場存在的異常問題、安全隱患，再由運維人員前往現(xiàn)場指定區(qū)域加以驗證。實景建模智能巡檢系統(tǒng)有著工作效率高、精準度高的優(yōu)勢，但需要在現(xiàn)場配備大量感知設(shè)施，投資成本較為高昂，多用于大型智能電網(wǎng)，或巡檢要求嚴格的電網(wǎng)項目[3]。

2.3.2無人機遙控巡檢

借助無人機替代現(xiàn)場感知設(shè)施，系統(tǒng)自動控制無人機前往現(xiàn)場環(huán)境，或由工作人員遠程遙控無人機設(shè)備，拍攝各處巡檢對象的影像資料，從中提取異常特征量，判斷是否存在輸電線路覆冰、絕緣裝置破損等異常情況。無人機遙控巡檢方式足以滿足電網(wǎng)巡檢需求，無須因現(xiàn)場配備大量感知設(shè)施而提高投資成本，在技術(shù)、經(jīng)濟層面具備可行性。

2.3.3輕量化巡檢

在虛擬電網(wǎng)內(nèi)搭建巡檢對象的數(shù)字孿生模型，給巡檢人員配備智能移動終端設(shè)備，巡檢人員定期前往現(xiàn)場巡視檢查，無須肉眼察覺問題故障、判斷問題性質(zhì)，而是操縱移動終端設(shè)備掃描巡檢對象，獲取運行參數(shù)、外觀狀態(tài)等信息，再把信息反饋給數(shù)字孿生模型加以分析，準確驗證故障問題。相較于其他智能巡檢方式，輕量化巡檢有著成本低廉、易于實現(xiàn)的優(yōu)勢，僅需要構(gòu)建數(shù)字孿生模型與更新巡檢設(shè)備，但巡檢工作效率的提升幅度有限，主要用于智能電網(wǎng)升級改造過渡階段。

2.4可視化運維管理

在可視化運維管理場景，首先，構(gòu)建數(shù)字孿生模型，現(xiàn)場布置傳感器與攝像頭，傳感器包括溫度傳感器、濕度傳感器、電流傳感器等，以環(huán)境條件、設(shè)備運行參數(shù)作為采樣內(nèi)容，持續(xù)采集現(xiàn)場監(jiān)測信號。其次，把監(jiān)測信號轉(zhuǎn)換為可識別數(shù)字量，數(shù)據(jù)匯總整理后，發(fā)送給虛擬電網(wǎng)孿生模型，實時更新模型屬性狀態(tài)，通過三維實景模型，向工作人員可視化呈現(xiàn)空間位置信息、靜態(tài)功能位置信息、現(xiàn)場視頻監(jiān)控畫面和設(shè)備運行工況，工作人員可以遠程掌握全部電網(wǎng)設(shè)備的運行情況，直接制訂設(shè)備檢修等方案。以故障顯示為例，電網(wǎng)設(shè)備出現(xiàn)短路、超溫、斷路等運行故障后，在數(shù)字孿生模型上以特殊顏色符號來標記故障位置、顯示故障設(shè)備所處空間位置、區(qū)分故障影響區(qū)域和正常區(qū)域。此外，為保證現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)具備全面性，數(shù)字孿生模型與實體設(shè)備情況完全一致，盡量在現(xiàn)場布置更多數(shù)量的攝像頭，或把攝像頭控制權(quán)限提供給虛擬電網(wǎng)，根據(jù)可視化瀏覽需求，遠程調(diào)節(jié)攝像頭方位角度，避免形成監(jiān)控盲區(qū)[4]。

2.5故障自愈

在故障自愈場景，依托數(shù)字孿生技術(shù)來實現(xiàn)故障智能診斷、故障輔助維修兩項功能，以此來縮短故障持續(xù)時間、自愈合電網(wǎng)運行故障。

2.5.1故障智能診斷

可采取小波包變換算法，此項算法有別于傅里葉分析的全時段整體頻率特征信號，本質(zhì)上屬于提供局部時段的頻域信息變換方法，在尺度函數(shù)、小波函數(shù)均滿足差分方程的前提下，對信號進行多層小波包分解，獲取小波系數(shù)與離散值，再經(jīng)過歸一化處理，獲得能量分布特征矢量，順利提取信號特征。例如：在變壓器故障診斷環(huán)節(jié)，初始化診斷程序，在數(shù)字孿生模型內(nèi)載入振動信號等故障數(shù)據(jù)，根據(jù)處理結(jié)果提取構(gòu)建特征向量，把特征值提交給已經(jīng)訓練完畢的故障模型進行診斷，最終在系統(tǒng)操作界面上通過彈窗展示診斷結(jié)果，準確判斷故障類型、描述故障形成原因、評價故障設(shè)備受損程度[5]。

2.5.2故障輔助維修

在數(shù)字孿生模型內(nèi)導入故障數(shù)據(jù)與診斷報告，推演故障問題后續(xù)發(fā)展過程，判斷故障為臨時性故障或永久性故障。對于臨時性故障，采取故障設(shè)備停機重啟作為處理手段，重啟后即可恢復(fù)設(shè)備正常工況。對于永久性故障，虛擬電網(wǎng)直接制訂維修方案，依托孿生模型來論證方案可行性，再協(xié)助運維人員前往現(xiàn)場開展應(yīng)急搶修工作。

3"結(jié)語

綜上所述，為保證智能電網(wǎng)安全平穩(wěn)運行，切實滿足日益提高的用戶用電需求和電網(wǎng)運維管理需求，電力企業(yè)必須提高對數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用力度，依托數(shù)字孿生技術(shù)打造新型智能電網(wǎng)，積極落實創(chuàng)建孿生模型、安全校核、智能巡檢、可視化運維管理、故障自愈等多項策略，從而創(chuàng)建電網(wǎng)數(shù)據(jù)閉環(huán)賦能體系，實現(xiàn)數(shù)字世界與物理世界互動、數(shù)字化運行電網(wǎng)，并且創(chuàng)建數(shù)字能源生態(tài)，為我國電力事業(yè)健康發(fā)展保駕護航。

參考文獻

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