基于空間結構關系的電力設備三維數字孿生模型管理體系設計

摘要：本文介紹一種基于空間結構關系的電力設備三維數字孿生模型管理體系的設計，該管理體系為電力企業提供了全面性和整體性的管理方法。其核心在于對電力設備的空間結構及設備結構進行劃分，包括空間、設備、子系統以及它們之間的布局和相互關系。這種劃分有助于更好地管理三維數字孿生模型，為實體對象的定位、監測、運維仿真和預測分析等不同應用場景提供數據支持。此外，管理體系還包括定期的數據維護和更新，以確保模型與實體對象狀態的一致性，提高實體對象管理的效率和可靠性。

關鍵詞：空間結構；設備結構；三維數字孿生模型

引言

電力行業正處于數字化轉型的前沿，電力企業需要更好地理解和管理其設備，以提高效率、降低運營風險，并確保設備的可靠性和安全性，而數字孿生技術為電力設備管理帶來了前所未有的機遇[1]。本文介紹了一種基于空間結構關系的電力設備三維數字孿生模型管理體系的設計，該管理體系為電力企業提供了全面性和整體性的電力設備管理方法[2]。

1. 基于空間結構關系的電力設備三維數字孿生模型理論

1.1 電力設備三維數字孿生模型

電力設備三維數字孿生模型是一種高度精確的模型，旨在準確反映現實世界中的電力設備和系統的物理特性、操作行為和性能。這些數字孿生模型是實際電力設備的虛擬實體，在電力行業的不同領域廣泛應用。電力設備的三維數字孿生模型在電力行業的數字化轉型中發揮著重要作用，提供了更好的決策支持、更高的效率和更可靠的電力設備管理。這些模型將不斷演進，以滿足不斷變化的電力行業需求。

1.2 基于電力設備的空間結構關系理論

空間結構關系是指在物理三維空間中不同元素之間的相對位置和連接方式。在電力設備管理中，空間結構關系包括建筑物、設備、子系統，以及它們之間的布局和相容關系。這些關系對于理解和管理電力設備、建筑o57pXbTgMZM5ACaWg/60Fw==物以及它們的運行至關重要。以下是基于電力設備的空間結構關系的一些主要概念。

（1）物理布局：物理三維空間中的建筑物、設備和其他元素的相對位置和布局，包括建筑物內部的布局以及建筑物之間的相對位置。

（2）連接關系：不同元素之間的連接方式，包括物理連接以及功能上的連接，如傳感器與監控設備之間的數據連接。

（3）功能關系：不同元素之間的功能關系，如電力設備的元素與電力系統中的任務和功能之間的關系。

（4）占用范圍：每個元素在三維空間中的位置和范圍，包括建筑物的占用范圍、設備的位置以及它們在空間中的相對大小。

（5）空間層次結構：在三維空間中元素之間的層次結構，即元素之間的從屬關系和互相關系。

2. 電力設備的三維數字孿生模型管理體系設計

2.1 結構劃分

2.1.1 三維空間劃分

此過程旨在將電力設備的三維空間劃分為多個離散的子空間，以便更好地理解和管理設備的布局和結構[3]。劃分過程可表示為

其中，S代表電力設備的整個三維空間，是劃分后的子空間，每個子空間都代表一個特定的區域或建筑物。

2.1.2 主要建筑物的功能、關聯關系和占用范圍定義

在每個子空間內，定義主要建筑物的功能、關聯關系和占用范圍，以確定它們在電力設備的三維數字孿生模型中的位置和作用。此過程可表示為：

（1）功能定義

其中，Fi代表第i個建筑物的功能集合，fij代表具體的功能描述。

（2）關聯關系定義

其中，Ri代表第i個建筑物與其他建筑物的關聯關系集合，rij描述與第i個建筑物相關的其他建筑物。

（3）占用范圍定義

其中，Ai代表第i個建筑物的占用范圍，aij描述建筑物在三維空間中的位置和范圍。

2.1.3 結構化分解

通過將每個子空間內的主要建筑物的功能、關聯關系和占用范圍進行結構化分解，形成清晰的層級框架，以表示建筑物之間的關系和層次[4]。此過程可表示為

其中，Hi代表第i個空間結構或設備結構的層次結構，hij表示空間或設備。空間結構劃分如圖1所示。

為更加細致地表示每個建筑物內的設備層級結構，本文引入了設備結構（KKS）編寫。設備結構（KKS）是一種用于唯一標識和分類水力電站設備的編碼系統，通常由一系列字母和數字組成，反映了設備的層級關系和功能。本文以水輪發電機為研究對象，使用設備結構（KKS）編寫。設備結構劃分如圖2所示。

2.2 數據管理

2.2.1 建立數據管理系統

為支持電力設備的三維數字孿生模型建設和管理，建立一個數據管理系統，用D表示，其中，D包含了多個數據表，每個表存儲特定類型的信息[5]。可表示為

其中，Ti表示第i個數據表，每個表包含多個字段和記錄。

2.2.2 存儲電力設備的三維數字孿生模型

電力設備的三維數字孿生模型用M表示，存儲在數據庫中的一個特定表中，可表示為

表示M模型存儲在數據表Ti中。

2.2.3 存儲與空間結構相關的信息

與電力設備的空間結構相關的信息用變量S表示，同樣存儲在數據存儲區中

表示S信息存儲在數據表Ti中。

2.2.4 數據的準確性和完整性

為確保數據的準確性和完整性，數據驗證過程必不可少。驗證過程如下：

（1）對于模型M

（2）對于信息S

其中，V（M）表示模型M的驗證結果，表示每個數據點的差值的絕對值，n表示數據點的總數，V（S）表示信息S的驗證結果，表示每個數據點的差值的絕對值，n表示數據點的總數。

3. 電力設備三維數字孿生模型管理體系的應用場景和維護更新

3.1 應用場景

在電力設備的三維數字孿生模型管理體系設計中，不同的應用場景具有不同的數據特點和應用目標。以下是關于各個應用場景的詳細描述。

3.1.1 設備定位應用場景

數據特點：主要涉及設備的位置和坐標數據。

應用目標：提高設備定位的準確性。

效益公式

其中，B1oc表示設備定位應用場景的效益，Bmon是設備的實際位置誤差，a是一個正常數，用于調整效益的曲線。

3.1.2 監測應用場景

數據特點：包括傳感器數據、測量數據等。

應用目標：提高監測數據的準確性和時效性。

效益公式

其中，Bmon表示監測應用場景的效益，Emon是監測數據的實際誤差，t是時間間隔，β是一個正常數，用于調整效益的曲線。

3.1.3 運維仿真應用場景

數據特點：包括模型參數、運行數據等。

應用目標：提高仿真數據的逼真度和準確性。

效益公式

其中，Bsim表示運維仿真應用場景的效益，Esim是仿真數據的實際誤差，γ是一個正常數，用于調整效益的曲線。

3.2 維護和更新

管理體系會定期進行模型的維護和更新，以反映實際設備的變化。定期審核和維護是確保三維數字孿生模型的準確性和可靠性的關鍵，保證了管理體系的持續有效性。

3.2.1 維護過程

Step1數據收集：在特定時間點t，收集新數據Dnew，其中，Dnew包括電力設備的位置、狀態、參數等信息。設表示第i個數據點，數據收集可表示為

Step2數據驗證：使用驗證函數V對新數據進行驗證

得到每個數據點的驗證結果

驗證函數V對采集的數據進行驗證，返回一個二元值，其中1表示數據有效，0表示數據無效。

Step3數據篩選：根據驗證結果，篩選出有效的數據點，構成有效數據集Dvalid。有效數據集中的數據點滿足。數據篩選可表示為

Step4模型更新：如果有效數據點與現有模型M不一致，使用更新函數U來更新模型，得到更新后的模型Mupdated。模型更新可表示為：

維護過程通過數據的采集、驗證、篩選和模型的更新，確保三維數字孿生模型的持續準確性和可靠性。

3.2.2 更新過程

Step1數據對齊：將經過篩選的數據Dvalid與當前模型M進行對齊，以確保數據與模型的坐標系和結構一致。數據對齊可表示為

其中，表示對齊后的數據點，A為對齊函數。

Step2數據融合：將對齊后的數據與模型進行融合，更新模型的狀態、參數等信息。

數據融合可表示為

其中，Mmerged表示融合后的模型，F為融合函數。

Step3模型優化：對融合后的模型進行優化，以提高其準確性和性能。

模型優化可表示為

其中，Moptimized表示優化后的模型，O為優化函數。

Step4模型更新：更新優化后的模型。模型更新可表示為

更新過程通過數據的對齊、融合和優化，確保三維數字孿生模型與實際電力設備狀態的一致性，從而提高電力設備管理的效率和可靠性，同時為實際設備的變化提供及時的反映。

結語

本文提出的基于空間結構關系的電力設備三維數字孿生模型管理體系設計為電力企業提供了全面性和整體性的管理框架，有助于提高電力設備管理的效率、可靠性和安全性。通過有效的應用場景和定期的數據維護與更新，這一管理體系將推動電力行業的數字化轉型，滿足未來的能源需求。

參考文獻：

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[5]郭旺，杜江，雷婕.工程數據表的數據協同數字化資源建設方法研究[J].機電工程技術，2023，52（1）：48-52.

作者簡介：王剛，本科，工程師，研究方向：信息化。