面向“共智”的配電網(wǎng)數(shù)字孿生評(píng)價(jià)系統(tǒng)

國(guó)網(wǎng)上海市電力公司浦東供電公司 湯蕾 云智慧（北京）科技有限公司 陸興海

安世亞太科技股份有限公司高級(jí)副總裁 田鋒 上海友頤信息技術(shù)有限公司總經(jīng)理 黨志濤

數(shù)字孿生在最近幾年內(nèi)被業(yè)界重新談起。各領(lǐng)域都基于數(shù)字孿生的技術(shù)理念來構(gòu)建相應(yīng)的體系、方案及生態(tài)，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域已經(jīng)有不少企業(yè)在積極嘗試落地。數(shù)字孿生有5 個(gè)成熟度等級(jí)，從“數(shù)化”“互動(dòng)”“先知”“先覺”，到最高等級(jí)的“共智”，代表數(shù)字孿生體的不同成長(zhǎng)階段。面向新一代配電網(wǎng)規(guī)劃、建設(shè)、維護(hù)和管理需要的配電網(wǎng)數(shù)字孿生體（DNDT：Distribute Network Digital Twin），已經(jīng)逐步實(shí)施到“先覺”階段，在某些場(chǎng)景中已開始探索“共智”。建設(shè)配電網(wǎng)數(shù)字孿生評(píng)價(jià)系 統(tǒng)（DNDT-ES：Distribute Network Digital Twin Evaluate System），能夠支撐加快建立安全、經(jīng)濟(jì)、精準(zhǔn)、智能的配電網(wǎng)建設(shè)、運(yùn)維與運(yùn)營(yíng)模式，打造智慧可靠、節(jié)本增效的下一代配電網(wǎng)建設(shè)新標(biāo)桿，探索可復(fù)制可推廣的物聯(lián)網(wǎng)高質(zhì)量發(fā)展路徑。

配電網(wǎng)數(shù)字孿生體

DNDT的概念定義

配電網(wǎng)數(shù)字孿生體，是真實(shí)世界的配電網(wǎng)在虛擬數(shù)字空間的完整映射，通過全覆蓋度的高密度動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，完全反映實(shí)體及其之間關(guān)系在全生命周期時(shí)間尺度內(nèi)的動(dòng)態(tài)變化，實(shí)現(xiàn)基于數(shù)字孿生體全模型數(shù)據(jù)智能分析、動(dòng)態(tài)決策、互感協(xié)作。

DNDT的典型特點(diǎn)

面向全生命周期。

面向全生命周期的配電網(wǎng)數(shù)字孿生體需要能夠細(xì)化粒度到全網(wǎng)、廠站端、設(shè)備、部件和原子零件等不同層級(jí)，將所有過程性數(shù)據(jù)按時(shí)間線進(jìn)行建模與存儲(chǔ)，當(dāng)有設(shè)備發(fā)生故障并觸發(fā)告警事件后，運(yùn)檢人員能夠清晰得到當(dāng)前設(shè)備的所有生命演進(jìn)進(jìn)程數(shù)據(jù)。通過對(duì)設(shè)備全生命周期的記錄與推演，幫助運(yùn)維人員快速分析設(shè)備隱患與故障，高效進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)防范與故障維修。

全數(shù)據(jù)與全感知。

數(shù)化是配電網(wǎng)數(shù)字孿生體構(gòu)建的核心基礎(chǔ)支撐工作，是構(gòu)建在數(shù)據(jù)全覆蓋度、體系化細(xì)粒度與高實(shí)時(shí)性特點(diǎn)基礎(chǔ)之上的。

所謂全覆蓋，是將構(gòu)成配電網(wǎng)的所有設(shè)備、流程、組織和人員進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)建模，對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)以及環(huán)境運(yùn)維情況開展全面、準(zhǔn)確、及時(shí)的狀態(tài)感知；

所謂“體系化細(xì)粒度”，是指一切數(shù)化的指標(biāo)必須能構(gòu)建面向建設(shè)、應(yīng)用、評(píng)估與考核的配電網(wǎng)指標(biāo)體系，同時(shí)指標(biāo)體系是能夠穿透到最底層單一技術(shù)的指標(biāo)；

高實(shí)時(shí)性與數(shù)據(jù)的采集密度以及靈敏感知關(guān)系密切，只有在更小的時(shí)間間隔下傳感與采集數(shù)據(jù)，數(shù)字孿生體才能更及時(shí)感知物理對(duì)象的變化，才能更快地作出決定與反饋。

階梯構(gòu)建與螺旋進(jìn)化。

DNDT 的成熟度是按照一定的階梯性規(guī)律來實(shí)現(xiàn)的。每個(gè)階段都是在上一個(gè)階段的基礎(chǔ)上不斷優(yōu)化與成長(zhǎng)，而下一個(gè)階段的更高要求又反向促進(jìn)上一階段的不斷優(yōu)化與完善。而且，很難出現(xiàn)跨越階段發(fā)展的情況出現(xiàn)，因?yàn)槊恳粋€(gè)成熟度階段都是下一個(gè)階段開始的基礎(chǔ)和出發(fā)點(diǎn)。

配電網(wǎng)數(shù)字孿生評(píng)價(jià)系統(tǒng)

DNDT-ES定義

配電網(wǎng)數(shù)字孿生評(píng)價(jià)系統(tǒng)是數(shù)字孿生理念與技術(shù)在電力行業(yè)的落地實(shí)踐，系統(tǒng)基于多種監(jiān)測(cè)手段，匯聚變電站一次、二次設(shè)備以及電纜、線路等數(shù)據(jù)資源構(gòu)建配電網(wǎng)數(shù)字孿生體，以人工智能、大數(shù)據(jù)為核心，進(jìn)行智能診斷、預(yù)測(cè)性維護(hù)，實(shí)現(xiàn)全對(duì)象的精益管理、精益檢測(cè)和精益管控，加強(qiáng)配電網(wǎng)全狀態(tài)量感知力與協(xié)作力，增強(qiáng)安全生產(chǎn)保障能力，提高運(yùn)檢精益管理水平。建設(shè)配電網(wǎng)數(shù)字孿生系統(tǒng)，以全壽命周期精益管理為鏈條，能夠支撐加快建立安全、經(jīng)濟(jì)、精準(zhǔn)、智能的運(yùn)維檢修模式，探索可復(fù)制可推廣的物聯(lián)網(wǎng)高質(zhì)量發(fā)展方向，全方位打造智慧可靠、節(jié)本增效的下一代配電網(wǎng)新標(biāo)桿。

DNDT-ES系統(tǒng)架構(gòu)

配電網(wǎng)數(shù)字孿生評(píng)價(jià)系統(tǒng)包括物理世界感知、數(shù)據(jù)接口、通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)與智能服務(wù)以及應(yīng)用系統(tǒng)層。系統(tǒng)架構(gòu)如右頁(yè)圖所示。

物理世界感知：面向傳感器、智能終端單元，對(duì)設(shè)備運(yùn)行、設(shè)備安全等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、感知。通過標(biāo)準(zhǔn)化服務(wù)接口、通信統(tǒng)一傳輸協(xié)議，將應(yīng)用感知層的數(shù)據(jù)進(jìn)行接入；

通信網(wǎng)絡(luò)：利用先進(jìn)的信息通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互通、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)以及資源互操作的功能。在不同的業(yè)務(wù)場(chǎng)景下，通過靈活的網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度滿足不同場(chǎng)景下通信的差異性需求；

數(shù)據(jù)智能服務(wù)：對(duì)海量電力接入數(shù)據(jù)的采集與處理，建立統(tǒng)一數(shù)學(xué)模型與配電網(wǎng)指標(biāo)體系，集中統(tǒng)一、實(shí)時(shí)高效地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、形成配電網(wǎng)數(shù)據(jù)治理體系；通過智能算法對(duì)多源實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，使其具有高吞吐量、高容錯(cuò)的特點(diǎn)；

應(yīng)用系統(tǒng)：針對(duì)各類用戶構(gòu)建面向配電網(wǎng)全生命周期的變電、配電、架空、電纜四大類下的一系列運(yùn)營(yíng)、監(jiān)控與運(yùn)維分析應(yīng)用系統(tǒng)，滿足支撐用戶在日常以及應(yīng)急等各種場(chǎng)景下的工作需求；在不同電網(wǎng)公司和配電網(wǎng)建設(shè)的不同階段和成熟度等級(jí)，應(yīng)用系統(tǒng)沒有唯一、固定的界定范圍。

面向運(yùn)維的典型場(chǎng)景

面向配電網(wǎng)全生命周期運(yùn)行、監(jiān)控與運(yùn)維分析下的一系列變電、配電、架空、電纜四大類下的細(xì)化場(chǎng)景有很多，這里選取一些典型的在不同的數(shù)字孿生體成熟度階段的不同領(lǐng)域進(jìn)行舉例說明。

配電網(wǎng)可視化管控。

該場(chǎng)景屬于“數(shù)化”成熟度面向設(shè)備運(yùn)維檢修階段的應(yīng)用。利用數(shù)字孿生技術(shù)，匯聚轄區(qū)內(nèi)變電站、桿塔、架空線路以及線纜的環(huán)境和設(shè)備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過3D 可視化、VR 巡視可視化的方式進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)展示，利用大數(shù)據(jù)分析、人工智能等技術(shù)手段對(duì)數(shù)據(jù)挖掘分析，實(shí)現(xiàn)變電站設(shè)備的全狀態(tài)量感知與管理。該場(chǎng)景可充分展現(xiàn)智慧變電站運(yùn)維建設(shè)、調(diào)度和設(shè)備管理水平，幫助電網(wǎng)公司管理層進(jìn)行高效智能的綜合指揮決策。

1）配電網(wǎng)整體運(yùn)行態(tài)勢(shì)感知：基于GIS地圖工具，標(biāo)記變電站地理位置，展示電力走線形式，3D可視的視覺效果。

2）變電站內(nèi)/外景：3D實(shí)體、透明展示，直觀具像，空間立體感強(qiáng)烈，設(shè)備綜合運(yùn)行指標(biāo)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)展示。

3）設(shè)備三維展示：變電站設(shè)備3D實(shí)體、透明展示，設(shè)備虛擬模型數(shù)學(xué)仿真映射，全局信息實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)刷新。

4）專題展示分析：對(duì)整個(gè)電網(wǎng)網(wǎng)架（發(fā)、輸、配、變、用）不同維度的三維展示方式，反映真實(shí)電網(wǎng)網(wǎng)架、架空線路、電纜線路等各類專題的三維場(chǎng)景。如可設(shè)置電纜管道透明度，并對(duì)不同透明度的電纜管道及管道內(nèi)電纜進(jìn)行展示等。

變電站設(shè)備故障告警。

該場(chǎng)景屬于“先知”成熟度面向配電網(wǎng)中變電站設(shè)備運(yùn)維檢修的應(yīng)用。通過對(duì)變電站動(dòng)力設(shè)備、室內(nèi)外環(huán)境數(shù)據(jù)、電力隧道氣體、安防報(bào)警、設(shè)備控制、電纜溫度等數(shù)據(jù)指標(biāo)進(jìn)行梳理，將各種經(jīng)驗(yàn)變?yōu)楸O(jiān)控系統(tǒng)中的告警模板，實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，將事故后報(bào)警轉(zhuǎn)變?yōu)槭鹿是邦A(yù)警、事故時(shí)控制；將人工式的故障判斷轉(zhuǎn)變?yōu)榧夹g(shù)以及規(guī)則性的自動(dòng)化判斷。

基于知識(shí)圖譜的多種應(yīng)用。

該場(chǎng)景屬于“先覺”成熟度面向配電網(wǎng)中設(shè)備運(yùn)維檢修的應(yīng)用。知識(shí)圖譜在智能電網(wǎng)領(lǐng)域的典型應(yīng)用包括如電力設(shè)備缺陷記錄檢索、智能變電站二次安全措施自動(dòng)生成、設(shè)備故障診斷與管理等。比如借助知識(shí)圖譜技術(shù)，利用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法，基于智能推理對(duì)變電站與配電站設(shè)備、線纜和架空線等狀態(tài)評(píng)價(jià)和故障診斷提供智能推理診斷和相似缺陷案例報(bào)告推薦。

智能決策大腦。

該場(chǎng)景屬于“共智”成熟度面向配電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)管理以及設(shè)備運(yùn)維檢修的應(yīng)用。該場(chǎng)景也是智能配電網(wǎng)建設(shè)的高級(jí)階段，通過智能決策大腦，能夠達(dá)到“統(tǒng)一管控”與變電站數(shù)字孿生體之間以及與輸電線路數(shù)字孿生體之間“自由互助”的平衡。以此實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)與電力系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的協(xié)調(diào)和優(yōu)化運(yùn)行以及故障情況下的問題定位、隔離、恢復(fù)和負(fù)荷轉(zhuǎn)移等；以在“國(guó)家電網(wǎng)公司智能配電網(wǎng)頂層設(shè)計(jì)技術(shù)路線”規(guī)劃中提到的配電網(wǎng)智能化運(yùn)維管控平臺(tái)為例，基于配電網(wǎng)大數(shù)據(jù)、利用人工智能技術(shù)，為配電網(wǎng)運(yùn)維檢修管理提供智能決策和協(xié)同指揮，縱向?qū)崿F(xiàn)“國(guó)網(wǎng)—網(wǎng)省—地市—縣—班所”逐級(jí)管控，橫向?qū)崿F(xiàn)配電網(wǎng)配變?cè)O(shè)備的“站線變”逐級(jí)管控。

總結(jié)與展望

數(shù)字孿生體模型及其評(píng)價(jià)系統(tǒng)最終的目標(biāo)，需要圍繞用戶的核心需求，通過針對(duì)建立數(shù)字孿生的全數(shù)據(jù)模型實(shí)現(xiàn)基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、算法融合工程化的場(chǎng)景化賦能。本文給出了面向“共智”的配電網(wǎng)數(shù)字孿生評(píng)價(jià)系統(tǒng)的典型場(chǎng)景，但是“共智”是建立在前面一系列的“數(shù)化”“互動(dòng)”“先知”“先覺”的成熟度基礎(chǔ)之上的，在企業(yè)構(gòu)建數(shù)字孿生體及其評(píng)價(jià)系統(tǒng)的過程中，要按照科學(xué)和迭代的思路不斷螺旋式地完善與優(yōu)化。而且隨著數(shù)字孿生技術(shù)理念在配電網(wǎng)的不斷落地與成熟，相信有更多、更高階的“共智”場(chǎng)景會(huì)被大家探索與實(shí)踐，為構(gòu)建安全、可靠、高效、節(jié)本的配電網(wǎng)貢獻(xiàn)智慧力量。■