基于數字孿生技術的電力設備不間斷巡視系統設計

王林，李云偉，任重，徐海龍，翟宇婧，盧偉

(國核電力規劃設計研究院有限公司，北京 100095)

0 引言

作為維護電力系統安全運行的基礎工作，電力巡視可以有效地保障設備安全，減少設備故障率。目前的輸配電線路巡檢和變電所巡檢多為手工操作，現場需要人工輸入，工作量大，巡檢出錯概率高[1]。對此，文獻[2]利用移動終端識別二維碼實現設備的檢驗管理，統計分析設備檢驗率、漏檢率、人員到達率、設備異常情況等信息，并對檢驗人員的工作進行監督檢查。文獻[3]開發一套C/S架構的設備管理系統，檢查記錄更加規范，人工成本低。但是，上述方法在檢測過程中會產生中斷，將一段時間的數據傳輸到PC機，從而減少了電力設備不間斷檢測系統的覆蓋范圍。

數字孿生技術(digital twin technology)充分利用物理模型、傳感器更新等數據，結合仿真過程在虛擬空間中完成映射，以反映相應物理設備的整個生命周期過程。結構模型分為5個維度，包括實體對象、虛擬模型、連接、數據和服務系統。因此，將數字孿生技術應用于電力設備連續巡視系統的設計工作中，可以使電力設備巡視范圍擴大，并最大限度地保證巡視精度。

1 電力設備不間斷巡視硬件系統設計

1.1 巡視工作站與移動終端

巡視工作站是對巡視資料進行管理的重要工作環境。安裝巡視工作站，可對巡視相關工作進行管理、維護記錄、查詢、巡視任務、下載結果等。手持式巡視終端可采用PDA或EDA，攜帶方便，使用靈活，可用于移動現場作業，尤其適合野外采集，巡視設備連接采集設備和工作站，進行有線或無線通信。

1.2 ARM控制器

S3C2416是一款基于ARM9內核的處理器，其速度可達667MHz；內部自帶豐富的接口，包括液晶屏接口、USB接口、UART、SPI、IIC，攝像頭和以太網接口等。在S3C2416處理器工作時，為了保證處理器正常工作配置相應電路。具體包括時鐘電路、存儲電路、FLASH存儲器的運行器和基本運行數據；SDRAM電路，增強了系統的操作能力；RS232接口電路，完成了系統運行調試；JTAG調試接口電路，并在調試期間實現了程序燒寫等功能。

1.3 射頻識別單元

射頻識別裝置由1個讀寫器、1個電子標簽(即所謂的應答器)和1個天線3部分組成。安裝該射頻識別裝置是為了識別巡視目標的身份。圖1為射頻識別裝置的工作原理。

圖1 RFID射頻識別單元工作原理圖

圖1中，就主動式RFID而言，電子標簽可主動地將內部信息發送給讀寫器，讀寫器按順序接收讀寫數據并自動進行處理。對被動式RFID而言，電子標簽發送信息所需的能量來自讀卡器的信號，讀卡器從標簽上獲取能量后，將標簽內部的信息數據返回給讀卡器。

1.4 系統電路設計

ARM控制器內部電路，具有SD卡存儲、RS232接口、復位、RTC時鐘電源、穩壓等功能。設計SD卡存儲器主要考慮兩個方面的功能：一是系統存儲器的擴展，如需在智能巡視終端增加小型數據庫系統，則原有的FLASH存儲器不能滿足要求；第二，對系統可進行升級。在系統軟件升級過程中，可先設置系統從SD卡啟動，然后由SD卡對系統進行升級。在系統開發方案中，這種升級操作避免了采用JTAG燒錄的升級方式，簡化了系統的使用[4-5]。該系統采用8 G的SD存儲卡設計，在系統功能要求較高的情況下，可增加SD卡的存儲容量。RS232接口電路采用了標準的MAX3232芯片，這種芯片比較常用，具有很高的性能。利用串口可打印調試程序的相關信息，監控程序的執行位置，方便系統開發。連續巡視系統終端需要提供死機復位按鈕。此外，通常會有不同的觸發方式，如長時間按復位鍵，以實現系統程序的升級。盡管這個功能并不常用，但它對于系統的功能完整性是非常重要的。采用Max811T芯片設計復位系統電路，抗干擾能力強，能有效地排除誤觸發動作，避免因干擾而造成誤復位。圖2顯示了RTC時鐘電源電路和復位電路。

圖2 RTC時鐘電源和復位電路圖

此外，ARM控制器部分和不同RFID射頻部分的芯片需要采用不同的電壓等級。比如ARM控制的核心電壓是1.8 V，接口電壓是3.3 V，USB接口電壓是5 V等。而且需要較高的電壓精度，采用RT9701芯片實現不同等級電壓供給；RT9701是一種LDO型的電源芯片，它具有電源精度高、電源波紋小的特點，能夠很好地滿足各種用電芯片的使用要求。圖3中顯示了其基本的電路。

圖3 RT9701系列芯片應用電路圖

2 電力設備不間斷巡視系統軟件功能設計

電力設備不間斷巡視系統軟件用于傳輸檢測，主要承載相應的標準化操作規程，指導操作人員進行現場操作、填寫設備故障記錄、上傳現場數據、查詢歷史數據等，并顯示在網頁上，其主要功能如表1所示。

表1 電力設備不間斷巡視系統軟件功能

表1中各個功能字段代表不同的功能，值得注意的是，需要定期刻錄數據光盤，將其備份。

2.1 構建數字孿生全息電力設備工作模型

數字孿生技術為變電站的模擬巡視提供了設計依據和理論依據，但變電站安全隱患仍時有發生。采用數字孿生技術建立虛擬變電站三維模型，接入變電站主控、輔控、安防等設備檢測點，實時采集各種狀態信息，無需運檢人員前往變電站現場，即可掌握變電站運行狀態，為變電站實現“連續設備巡視”提供可靠支持，并對設備異常及時報警，延長設備使用壽命。結合目前電力設備的運行情況，給出了數字孿生線的運行原理，如圖4所示。

圖4 數字孿生運行原理圖

圖4中電力設備運行時，服務系統根據生產計劃控制實體生產線進行實際生產活動；同時，孿生生產線實時映射生產作業實時數據；分析計算的結果可以反饋給以后的服務系統，用于生產過程的報警、控制優化和預測分析。根據數字雙全息電源設備的工作模式，將電源設備的數字空間與物理空間的映射分為設備、環境和系統3個部分。電氣設備實時測繪生產線機器人、AGV、加工設備等設備的動作、空間位置、工作狀態，完成各工位的加工過程。

2.2 不間斷巡視路線規劃與控制

以建立的數字孿生全息電力設備工作模型為基礎，采用單源最短路徑算法不間斷規劃和控制巡視線路。對最優子結構的性質進行描述：

P(m,n)={Vm…Vi…Vj…Vn}

(1)

式(1)表示m到頂點n的最短路徑，i和j表示該路徑上的中點，那么P(i,j)一定是i到j的最短路徑。按照最優子結構思想，設G為有權重的有向圖，具體可表示為

G=(V,E)

(2)

式(2)所表示的有向圖權值都>0。對未確定最短路徑頂點的集合，按最短路徑長度的遞增順序，添加到當前路線中，經過更新迭代得出巡視路徑的最終規劃結果。

巡視路線控制程序要求按直線行駛。用P1、P2兩點間連線作為機器人直線參考軌跡，即期望路徑。移動控制算法是指根據機器人當前的位置和航向信息，對機器人進行實時調整，實現機器人在預定路線上的直線運動軌跡跟蹤控制機器人的當前位置與期望運動軌跡偏離距離S和機器人行駛方向與期望運動軌跡方向的航向偏差θ可通過下式得出：

(3)

定義被控對象為機器人左右兩輪的輪速差ΔV。因為巡視機器人采用差速驅動，所以在理想情況下可以忽略車輪的側滑和車輪與轉軸的摩擦，通過速度差來確定左右輪的輪速。假定速度差ΔV、ΔS和Δθ均為線性關系，且線性系數分別為KΔS、KΔθ。控制器的控制量的輸出ΔV為

ΔV=KΔS·ΔS+KΔθ·Δθ

(4)

結合控制器增益自調節特性，對巡視設備左右兩輪速度差ΔV進行控制，控制模型為

ΔV=k0r+k1ΔS+k2Δθ

(5)

式中：ki為非負的自適應參數；ΔS和Δθ分別為巡視機器人與期望路徑之間的偏離距離和角度。

2.3 電力設備運行數據不間斷采集與傳輸

巡視設備到達待檢設備后，利用移動終端上的設備對電力設備標簽進行自動識別，獲取電子標簽所包含的設備/編號信息。不間斷采集的運行數據包括電力設備編號和參數。對連續采集的電力設備運行數據進行分組整理，利用 GPRS無線通信網絡在硬件系統中實現數據傳輸。移動終端上無中斷的電力設備巡視數據產生的 PDU包數據經 SNDC層與 LLC層處理后通過空中接口和在 GSM網絡中的 SGSN傳輸到 GGSN。GGSN先解裝接收到的消息，然后轉換成可用的格式，例如 PSPDN，以便公共數據網傳送。數據采集與傳輸流程如下：

首先，引用隧道技術，封裝其他協議的運行數據報文于自己的傳輸協議的運行數據報文內，并在其網絡中進行傳輸。也就是在一種網絡協議內對另一種網絡協議進行傳輸，一邊實施封裝，一邊實施解封裝。在整個傳輸過程中，隧道表示被封裝的數據包在網絡上傳輸時經過的邏輯路徑。其次，隧道技術是虛擬的點對點連接路徑，其兩端需分別封裝及解封裝數據，運行數據報文。最后，將生產的運行數據報文進行封裝、傳輸及解封裝的全過程是隧道技術的主要內容，其結構模型如圖5所示。

圖5 隧道技術結構模型

設備A和設備B必須支持IPv4/IPv6雙協議棧。IPv6 over IPv4技術可以在原IPv4報頭前封裝上相應的IPv6報頭，實現在IPv4網絡中對IPv6運行數據報文進行傳輸，完成相互隔離的IPv6網絡通信。

2.4 實現電力設備不間斷巡視功能

按照所發出的巡視任務，選擇相應的巡視路線，在填寫巡視信息時，系統將判斷所選巡視的設備是否已經巡視。如果已經巡視，則重新選擇；如果沒有巡視的保存路線，則由系統管理員將新的巡視路線分配給巡視員；如果需要修改巡視路線，則需要先取消分配，然后修改巡視路線信息，再分配巡視員。若系統管理指派的巡視員有其他安排，則系統管理需先查詢巡視員指派，然后取消指派，再將巡視員指派給其他巡視員。若要刪除該線路，則需要先取消分配人員，然后再向該線路分配巡視員。巡視人員通過自己的用戶登錄系統后，查詢到已分配給自己的巡視路線，按巡視路線逐條巡視電力設備，找出需要檢查的設備，根據地理信息圖上的線路和設備說明，查看設備情況，登記缺陷信息，然后將缺陷信息以文字和圖片的形式發送到服務器端，進行下一臺設備的檢測。圖6為執行巡視任務的整個設計流程。

圖6 巡視任務執行流程圖

將實時、不間斷生產電力設備的檢測結果輸入系統數據庫，用檢測時域表示。在無線通信網絡的支持下，檢測信息自動讀取和更新，通過監聽器發送到系統移動端，提示用戶更新巡視任務，巡視標識等信息，實現自動化巡視更新。對電力設備進行遠程更新的巡視更新內容包括電力設備的運行狀態、位置等，并且在遠程不間斷更新過程中，控制更新時間不少于0.5 s。

3 系統測試

以數字孿生技術為基礎的電力設備連續巡視系統的測試任務，主要是驗證系統中的所有功能需求是否完全實現，并驗證電力設備智能巡視系統是否滿足需求分析所描述的內容以及各功能模塊的輸入、輸出是否正確。從需求分析階段就開始系統的測試準備工作，系統中的設備管理模塊、巡視路線管理模塊、報修管理模塊、統計分析模塊、系統管理模塊等模塊都已編制好測試計劃，針對各個模塊的功能編寫了測試用例，完成了兩步工作之后就可以對系統進行測試。方案和用例是測試的基礎和方法。試驗過程中不僅要有測試人員參與，還要有系統開發人員、用戶共同參與，共同完成試驗工作，確保系統正常、有效地運行。

采用數字孿生技術，在win7操作系統上開發了一套電力設備連續監測系統。利用 EclipseJeeOxygen、Oracle數據庫、PL/SQL、Tomcat開發工具。 Spring、Struct2、Mybaits框架、Oracle數據庫以及 BaiduMap的 API實現與 Java結合使用 JavaWeb。表2為系統測試環境中 PC端和服務器的具體配置。

表2 系統測試環境配置表

將所設計的基于數字孿生技術的電力設備不間斷巡視系統導入到系統測試環境中，得出系統的運行界面，如圖7所示。

圖7 電力設備不間斷巡視系統運行界面

選擇某電力生產企業作為系統測試的數據來源，并結合電力設備的運行情況，提交巡視任務。

實驗分別從功能和性能兩個方面進行量化測試，其中系統功能測試就是設計系統在電力設備運行環境中的巡視情況，在待檢測環境下設置電力設備的運行狀態，并將輸出的巡視結果與設置狀態進行比對，從而得出巡視功能的測試結果。而系統性能測試主要從響應時間、每秒最大并發數兩個方面進行。其中響應時間可以直接反映出系統的不間斷巡視能力，響應時間越長，說明不間斷性能越弱。另外，為了充分體現出設計系統的運行優勢，還設置了文獻[2]電力設備巡視系統和文獻[3]中提出的基于移動終端的電力設備巡視系統作為實驗的兩個對比系統。經過系統的運行以及相關數據的分析，得出系統巡視功能的測試對比結果，如表3所示。

從表3中的輸出結果可以直觀地看出，本文設計的電力設備巡視系統輸出的結果更加接近設置的電力設備運行狀態，即設計系統的巡視功能更優。同理可以得出巡視系統運行性能的量化測試結果，如表4所示。

表3 系統巡視功能測試結果

通過對表4中數據的計算，3種巡視系統的平均響應時間分別為0.68s、0.47s和0.19s，從每秒最大并發數方面來看，3個系統的平均并發數分別為157.1、174.4和217.7，即所設計的基于數字孿生技術的電力設備不間斷巡視系統在運行性能上具有更明顯的優勢。

表4 系統運行性能測試結果

4 結語

將信息處理技術手段和電力設施的巡視工作結合在一起，引入數字孿生技術，完成對電力設備不間斷巡視系統優化設計，其平均響應時間為0.19s，平均并發數為217.7，系統輸出的結果更加接近設置的電力設備運行狀態，有較高的巡視功能和應用價值，可以有效地減輕人員巡視的工作量，提高電力設備巡視工作的信息化管理水平。