數字孿生技術在智能變電站內的應用

國核電力規劃設計研究院有限公司 晏 鋒 王 林 任 重 徐海龍 徐 麗

隨著我國用電量的不斷加大，對變電站容量和穩定性要求也越來越高。基于傳感器和單片機的在線監測技術，實現了傳統變電站的智能化升級。智能變電站實現了站內電力設備監測智能化、采集信號數字化、數據通信網絡化。在線監測逐漸也替代了傳統的離線檢修，減少了大量沒必要的設備檢修，提高了運維水平[1]。

隨著科技的發展，變電站智能化發展成為新的方向。智能變電站在線監測技術實現了電力設備的實時在線監測，監測數據通過數據傳輸技術可以在后臺服務器上進行顯示，對保證變電站安全穩定運行起到了重大的作用。隨著數字孿生技術的出現，將虛擬技術和現實聯系到一起。數字孿生技術在智能變電站內的應用，可以將虛擬電力設備和現實運行中的電力設備有機結合起來。在發生故障時，能夠實時定位故障點和故障設備，為檢修提供可靠的技術支撐。對提高智能變電站智能化水平具有重大的意義。智能變電站通過后臺顯示單元對監測結果進行顯示，用戶可以通過后臺獲取現場設備運行情況。數字孿生技術是近些年被提出的概念，通過進行實體建模將現實設備和虛擬模型進行映射對應，利用傳感器采集電力設備運行參數，然后在虛擬模型中進行實時顯示。孿生技術實現了對現實設備的全周期過程監測和顯示，在智能變電站內將變電站內運行的變壓器、互感器、斷路器、套管等電力設備進行數字孿生建模，就能在后臺虛擬演示出現場電力設備的運行情況[2]，對保證電力系統安全穩定運行具有重大的意義。

1 數字孿生技術在智能變電站內應用架構

數字孿生技術是近年快速發展起來的，前期只是停留在概念階段。隨著計算機技術和模擬映射技術的發展，數字孿生技術得以成功應用。數字孿生技術是利用物理模型、智能傳感器技術將采集到的數據在虛擬模型中進行顯示。涉及到的學科較多，具有眾多物理變量，屬于一種多尺度、多概率的仿真過程[3]。數字孿生技術的核心是在虛擬空間中與現實事物完成數字映射關系，從而通過虛擬反映現實事物的變化。在技術實現上，需要對系統進行建模，并利用繪圖軟件將虛擬事物根據現實事物進行圖形繪制。利用計算機技術將二者通過數字映射系統關聯起來。數字孿生技術被廣泛應用在建筑、醫學、電力等眾多領域。

智能變電站分為三個層次，分別為過程層、間隔層和站控層，數字孿生系統在站控層。其中間隔層主要是通過傳感器和監測終端實現對電力設備電氣特性參數的采集，并就地進行數字化處理。然后通過現場總線將采集數據傳送到過程層智能電子設備IED，智能電子設備IED對數據進行匯總，然后將數據發送到站控層服務器。服務器對數據進行接收并顯示。數字孿生系統也是在后臺顯示系統基礎上進行開發，同樣調用傳感器采集的數據，將其顯示在虛擬的模型當中。

2 數字孿生技術在變電站內的應用實現

數字孿生系統構建。數字孿生技術在智能變電站內的應用，主要是在站控層網絡內根據站內電力設備種類構建虛擬系統，并使其與真實電力設備通過映射關聯在一起。虛擬系統運行情況與真實設備相同，操作人員通過虛擬平臺就能形象的獲知現場設備運行狀態[4]。也就是通過數字孿生技術，構建了處在虛擬世界和現實世界中的兩個相同智能變電站（圖1）。

圖1 數字孿生系統設計方案

2.1 孿生模型建立

孿生技術在智能變電站內實現過程中重點是完成孿生模型的建立，孿生模型要具備現實中電力設備的所有特點。模型設計包括工程模型、物理模型、組合模型、幾何模型以及邏輯模型。這些模型要通過輕量化設計，同時要具有三維模型效果，以便對電氣設備全方位的展示。其中幾何模型是對電力設備幾何機構的模型建立，物理模型是對現實設備具體實現功能的模型建立（圖2）。

圖2 孿生模型組成

2.2 設計效果

數字孿生技術在智能變電站內的應用主要是通過建立模擬智能變電站，且監測的數據可以在模擬變電站內的電力設備上進行實時顯示，包括電力設備的運行時間、出廠參數以及運行狀態等。在完成模型構建后，通過映射服務對數據進行映射分配。在站控層服務器上進行數據庫的配置和數據流設計，最終完成數字孿生系統的設計實現。從圖3中可看到，基于數字孿生技術虛擬出的動畫圖形和現實智能變電站電氣設備布局相同。通過虛擬的變電站，就可知道當前站內電氣設備的運行情況，無需到現場進行巡檢。在設備出現異常時可以準確形象的定位故障設備和故障點位，并可以調取設備的參數信息，方便故障的排查。

3 結語

本設計是數字孿生技術在智能變電站內的應用，將智能變電站在線監測技術和數字孿生技術進行有機結合。首先對數字孿生技術進行介紹，給出數字孿生技術在智能變電站內應用的架構，并對數字孿生系統進行設計，建立系統模型。通過映射技術將虛擬變電站和現實中的變電站進行映射，工作人員可通過孿生虛擬變電站了解現實中變電站內電力設備運行情況。數字孿生技術的應用，對提高智能變電站智能化水平、保證智能變電站的安全運行具有重大意義。