基于數(shù)字攣生技術(shù)的變電站二次回路設(shè)計創(chuàng)新

中圖分類號：TM63：TP391.92 文獻標志碼：A

文章編號：1001-5922（2025）07-0183-03

Abstract：In order to solve the problems of manytime series features and poor Visualization efect inthe three-dimensional design of the secondary circuit of substation，a design method of secondary circuit of substation based on digitaltwin was proposed.The digital twin component of the secondary circuit of the substation was established through thepower grid information model，andthe unified managementof the secondary circuitobjects of thesubstationwasrealized.Thedigitaltwin technologywasusedto effectivelycombine thetiming characteristicsinthedesign processof thesecondary circuit ofthe substation，andonthisbasis，the three-dimensional diagramof thesecondary circuit design ofthe substation was automaticall output.The simulation environment was verified that the accuracy of the secondary circuit design of the substation was 99.7%，and the proposed methodcan effctively improve the accuracy of the secondary circuit design of the substation.

Key words：digital twins；transformer substation； secondary circuit； timing features;3D model

隨著數(shù)字技術(shù)的迅猛發(fā)展，三維模型在電網(wǎng)設(shè)計中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。近年來，我國的電力設(shè)計通過三維模型對變電站一次設(shè)備規(guī)劃、設(shè)計進行全過程管理，實現(xiàn)了變電站圖紙的快速生成 ^12] 。然而，變電站二次回路設(shè)計包含的對象多，其二次回路三維設(shè)計仍停留在起步階段[34]，難以發(fā)揮三維模型對變電站二次設(shè)計全流程應(yīng)用中的優(yōu)勢。

國內(nèi)外許多學者對變電站二次回路設(shè)計做了大量研究。如采用了標準庫映射方式，實現(xiàn)了變電站二次回路的三維自動裝配[5]。通過流程化方法，實現(xiàn)了變電站二次回路的連接與物理屬性的有效關(guān)聯(lián)[6。通過XML完成二次回路的設(shè)計檢索，并生成可視化大模型[7]。通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)，實現(xiàn)了變電站的二次設(shè)計[8]。基于此，為解決變電站二次回路三維設(shè)計中存在的時序特征多，可視化效果差的問題，提出了基于數(shù)字孿生的變電站二次回路設(shè)計方法。通過數(shù)字孿生模型，結(jié)合各類變電站二次回路對象的時序特征，實現(xiàn)變電站二次回路的信息融合與快速設(shè)計。

1變電站二次回路設(shè)計創(chuàng)新

文中所述基于數(shù)字孿生的變電站二次回路設(shè)計方法流程如圖1所示。

變電站二次電控回路自動化保護裝置DT模型包含元器件三維模型信息、各類二次回路設(shè)備的坐標信息、線路連接關(guān)系信息。

在變電站二次電控回路自動化保護裝置中的三維信息包括時序信息。因此，需要將其進行變電站二次電控回路DT時序融合信息建模。DT時序序列信息 F_b 為：

F_b=（f₁，f₂，…，f_m）

式中： m 為變電站二次電控回路自動化保護裝置DT時序信息的數(shù)量； （f₁，f₂，…，f_m ）為變電站二次電控回路自動化保護裝置DT的序列。

然后將變電站二次電控回路DT進行擬合，擬合后 F_v 為：

2 變電站二次回路設(shè)計模型

2.1數(shù)字孿生標準組件建立

電網(wǎng)信息模型（GIM）是一種電力網(wǎng)絡(luò)化的信息模型[10-11]。GIM對變電站一、二次設(shè)備的元件、拓撲結(jié)構(gòu)、屬性、連接關(guān)系等信息進行了統(tǒng)一的定義，采用標準化方式進行變電站一、二次設(shè)備進行建模。因此，文中以GIM建立數(shù)字孿生的標準組件。

在建立變電站二次回路設(shè)計的過程中，將標準規(guī)范中的二維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三維的數(shù)字孿生組件。變電站二次回路的二維標準圖紙中，將二維的橫、縱坐標映射向三維坐標體系，三維投射矩陣 q^s 為：

式中： γ 為變電站二次回路的映射函數(shù)； x^T 為變電站二次回路橫坐標的實際尺寸； x⁰ 為變電站二次回路橫坐標的原點信息； y^T 為變電站二次回路縱坐標的實際尺寸； y⁰ 為變電站二次回路縱坐標的原點信息；

經(jīng)過三維投射矩陣后，變電站二次回路信息的數(shù)字孿生組件 c^s 為：

式中： x^R 為變電站二次回路映射后的橫軸信息； y^R 為變電站二次回路映射后的縱軸信息； z^R 為變電站二次回路映射后的景深軸信息。

2.2 變電站二次回路數(shù)字孿生

數(shù)字孿生（DT）技術(shù)是一種數(shù)字化虛擬空間技

F_v=δF_b+γF_b

式中：δ為電站二次電控回路DT的灰度值； γ 為電站二次電控回路DT的灰度系數(shù)。

在建立變電站二次回路DT模型后，將各模型按設(shè)計規(guī)范進行連接。在連接過程中，對變電站二次回路的兩個DT實體進行交運算，求解元件實體的頂點，并計算器連接點。2個變電站二次回路的連接點 L_a 為：

式中： H_t 為變電站二次回路DT模型的連接面； Z 為兩個變電站二次回路的連接點的距離。

2.3變電站二次回路設(shè)計自動成圖

在變電站二次回路DT的基礎(chǔ)上，將各組件的信息，按照時序的方式自動的生成變電站二次回路三維設(shè)計圖形。

對于變電站二次回路設(shè)計工程 p ，包括由 k 個變電站二次回路元件的集合 G_k ，通過自動成圖形成變電站二次回路設(shè)計的三維圖形 E_u 為：

式中：δ為變電站二次回路設(shè)計自動成圖的修正函數(shù)；t為變電站二次回路設(shè)計各時序的時間間隔； b 為變電站二次回路設(shè)計的誤差因子。

對變電站二次回路設(shè)計的三維圖形進行正確性檢測，判斷當前設(shè)計的變電站二次回路信息是否存在問題，并對錯誤的信息進行重新設(shè)計，直至輸出正確的變電站二次回路設(shè)計信息。

3算例及結(jié)果分析

3.1場景與參數(shù)設(shè)定

文中以電力設(shè)計院負責的 220kV 變電站二次回路設(shè)計工程為例進行說明。在變電站二次回路設(shè)計的過程中，采用網(wǎng)狀布局的方式對各變電站二次回路的元件進行設(shè)計，避免設(shè)計過程中出現(xiàn)盲區(qū)。在此基礎(chǔ)上，通過變電站仿真系統(tǒng)內(nèi)容的傳感單元與輔助單元對DT所需的數(shù)據(jù)進行收集，并將數(shù)據(jù)通過應(yīng)用程序接口傳輸至分析模型進行驗證。

所提方法硬件環(huán)境為圖形工作站，采用英特爾酷睿處理器，頻率 3.2GHz ，服務(wù)器運行內(nèi)存64GB，顯卡頻率 1.6GHz ，顯卡緩存32GB，硬盤為20TB。軟件環(huán)境采用windows10操作系統(tǒng)。本文方法與圖模一體化方法[14]進行對比。

3.2 算例運行結(jié)果分析

3.2.1變電站二次回路設(shè)計性能分析

在電力設(shè)計院的仿真平臺中，輸入2、4、6、8、10、12、14、16萬個變電站二次回路數(shù)據(jù)，分別采用文中所提基于數(shù)字孿生的變電站二次回路設(shè)計方法與圖模一體化方法對比運行耗時，變電站二次回路的性能耗時如圖2所示。

由圖2可見，文中所提變電站二次回路設(shè)計方法的性能耗時在不同模型數(shù)量的情況下，每萬次平均耗時均為2.5s左右；而圖模一體化方法在訓練次數(shù)2萬次時，每萬次平均耗時8s。隨著模型數(shù)量的增多，耗時逐步增加，在16萬模型數(shù)量時，每萬次平均耗時24s。由此可見，文中所提方法變電站二次回路設(shè)計性能更優(yōu)。

3.2.2變電站二次回路設(shè)計效果

文中所提方法在變電站二次電控回路自動化保護裝置在三維圖像中呈現(xiàn)的信息清晰，能較好的反映變電站二次回路的設(shè)計結(jié)果。

3.2.3變電站二次回路設(shè)計準確率分析

在某研究院中，選擇8個場景，每個場景1000個模型，分別采用文中所提基于數(shù)字孿生的變電站二次回路設(shè)計方法與圖模一體化方法對比變電站二次回路設(shè)計準確率，變電站二次回路設(shè)計準確率對比如表1所示。

由表1可見，文中所提基于數(shù)字孿生的變電站二次回路設(shè)計方法平均變電站二次回路設(shè)計準確率為99.7%，高于圖模一體化的98.3%。因此，文中所提方法變電站二次回路設(shè)計準確率更高。

4結(jié)語

為解決變電站二次回路三維設(shè)計中存在的時序特征多，可視化效果差的問題。提出了基于數(shù)字孿生的變電站二次回路設(shè)計方法。通過數(shù)字孿生模型。該方法通過電網(wǎng)信息模型實現(xiàn)了變電站二次回路對象的統(tǒng)一管理。通過結(jié)合各類變電站二次回路對象的時序特征，實現(xiàn)變電站二次回路的信息融合與快速設(shè)計。所提方法能有效提高變電站二次回路設(shè)計的運行速度和二次回路設(shè)計準確率，提升變電站二次回路的設(shè)計水平。

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