基于數(shù)字孿生的電網(wǎng)基礎(chǔ)資源運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景可視化

張鵬飛 劉朋熙 章愛(ài)武 王尉

安徽省思極科技有限公司 安徽 合肥 230022

引言

隨著數(shù)字經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，電網(wǎng)資源與數(shù)字經(jīng)濟(jì)的融合不斷深入，同時(shí)國(guó)家、工信部、國(guó)資委和國(guó)網(wǎng)公司層面分別出臺(tái)相關(guān)配套政策，鼓勵(lì)電信企業(yè)與電力企業(yè)的資源共享、合作共贏。

國(guó)網(wǎng)公司積極響應(yīng)國(guó)家戰(zhàn)略，積極培養(yǎng)、布局開拓新業(yè)務(wù)、新業(yè)態(tài)、新模式，明確了要圍繞資源增值復(fù)用、業(yè)務(wù)創(chuàng)新賦能、數(shù)據(jù)共享應(yīng)用、平臺(tái)建設(shè)運(yùn)營(yíng)等方面，實(shí)現(xiàn)公司新的增長(zhǎng)極。傳統(tǒng)二維的電網(wǎng)基礎(chǔ)資源運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景可視化系統(tǒng)和方法已經(jīng)不能適應(yīng)國(guó)網(wǎng)公司發(fā)展的新要求，迫切需要加快數(shù)字孿生技術(shù)在電網(wǎng)基礎(chǔ)資源運(yùn)營(yíng)的研究和應(yīng)用。

本課題運(yùn)用“數(shù)字孿生”技術(shù)結(jié)合電網(wǎng)基礎(chǔ)資源運(yùn)營(yíng)業(yè)務(wù)，對(duì)基于數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)多站融合和共享?xiàng)U塔三維建模與全景監(jiān)控，物聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)感知與數(shù)據(jù)可視化展示等典型業(yè)務(wù)場(chǎng)景進(jìn)行深入研究，促進(jìn)數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)的深度融合，提升電網(wǎng)基礎(chǔ)資源運(yùn)營(yíng)業(yè)務(wù)精益化管理水平[1]。目前本課題的研究成果已在安徽省思極科技有限公司示范應(yīng)用，為電網(wǎng)基礎(chǔ)資源運(yùn)行和運(yùn)營(yíng)監(jiān)控提供技術(shù)保障。

本文的主要貢獻(xiàn)如下：①通過(guò)“數(shù)字孿生”技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了多站融合和共享?xiàng)U塔三維建模與全景監(jiān)控；②綜合運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)與數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)感知與數(shù)據(jù)可視化展示。

1 相關(guān)工作

2020年，國(guó)家全面啟動(dòng)實(shí)施“新基建”戰(zhàn)略，包括信息基礎(chǔ)設(shè)施、融合基礎(chǔ)設(shè)施和創(chuàng)新基礎(chǔ)設(shè)施三方面，涉及5G基建、特高壓、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等諸多領(lǐng)域，為貫徹國(guó)家“新基建”決策部署和國(guó)家電網(wǎng)公司新戰(zhàn)略，搶抓發(fā)展新機(jī)遇，各網(wǎng)省思極科技公司逐步開展電力桿塔、溝道、變電站等基礎(chǔ)資源開展運(yùn)營(yíng)。

在電網(wǎng)基礎(chǔ)資源運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)可視化方面，目前應(yīng)用系統(tǒng)多是基于二維地理空間實(shí)現(xiàn)了部分業(yè)務(wù)場(chǎng)景的可視化，主要存在的問(wèn)題包括：平臺(tái)管理界面仍以二維表單和二維的拓?fù)湟晥D為主，在復(fù)雜的運(yùn)維場(chǎng)景中，缺乏直觀立體的方式將管理對(duì)象和實(shí)際的物理空間聯(lián)動(dòng)起來(lái)輔助認(rèn)知；平臺(tái)可視化運(yùn)營(yíng)的功能不夠完善和靈活，無(wú)法按照專業(yè)領(lǐng)域或應(yīng)用場(chǎng)景，把空間數(shù)據(jù)、資源信息、運(yùn)維檢修和用戶信息進(jìn)行組裝融合；缺少完整的電網(wǎng)資源運(yùn)營(yíng)成果與業(yè)務(wù)深化應(yīng)用的可視化集中展示。本文主要從這些方面入手，將“數(shù)字孿生”技術(shù)與電網(wǎng)基礎(chǔ)資源運(yùn)營(yíng)業(yè)務(wù)相結(jié)合，做電網(wǎng)基礎(chǔ)資源運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景可視化平臺(tái)的研究與應(yīng)用。

2 需求分析

2.1 功能定位

主要以電網(wǎng)基礎(chǔ)資源實(shí)際運(yùn)營(yíng)的場(chǎng)景為基礎(chǔ)，通過(guò)場(chǎng)景建模和物聯(lián)感知結(jié)合運(yùn)營(yíng)信息，實(shí)踐了現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景與虛擬場(chǎng)景融合，為電網(wǎng)基礎(chǔ)資源運(yùn)行監(jiān)控和管理提供智能化手段，提高了各網(wǎng)省思極科技公司開展電網(wǎng)基礎(chǔ)資源運(yùn)營(yíng)業(yè)務(wù)的效率。

在業(yè)務(wù)上，選取典型多站融合和桿塔敷掛光纜以及附掛基站的共享資源運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景進(jìn)行三維實(shí)景建模，并融合物聯(lián)狀態(tài)感知信息，實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景的全數(shù)字化映射，輔助重點(diǎn)項(xiàng)目的精準(zhǔn)運(yùn)營(yíng)與運(yùn)行監(jiān)控[2]。

在技術(shù)上，通過(guò)在市縣公司層面開展的電網(wǎng)基礎(chǔ)資源運(yùn)營(yíng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)結(jié)合PMS2.0系統(tǒng)中的設(shè)備臺(tái)賬、位置和線路數(shù)據(jù)，為供電公司持續(xù)開展電網(wǎng)基礎(chǔ)資源運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景可視化應(yīng)用提供技術(shù)實(shí)踐依據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)融合

電網(wǎng)基礎(chǔ)資源運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景建模，需要和運(yùn)行監(jiān)控相關(guān)的設(shè)備臺(tái)賬、電網(wǎng)拓?fù)洹?dòng)環(huán)監(jiān)控、運(yùn)營(yíng)等數(shù)據(jù)，同時(shí)還需要集成了TMS系統(tǒng)、PMS2.0系統(tǒng)和電網(wǎng)基礎(chǔ)資源運(yùn)營(yíng)平臺(tái)運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)，同時(shí)通過(guò)數(shù)據(jù)治理，實(shí)現(xiàn)海量、多源、異構(gòu)數(shù)據(jù)有效整合和數(shù)據(jù)質(zhì)量提升，從而為平臺(tái)建設(shè)提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

2.3 功能需求

根據(jù)基于數(shù)字孿生的電網(wǎng)基礎(chǔ)資源運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景可視化平臺(tái)的功能定位，主要提供以下功能：

2.3.1 多站融合和共享?xiàng)U塔三維建模與全景監(jiān)控。根據(jù)多站融合站點(diǎn)與桿塔周邊自然環(huán)境與電網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行三維建模，全方位展示多站融合站點(diǎn)建筑外貌、電力設(shè)備放置位置、設(shè)備外貌，桿塔的設(shè)備信息敷掛線路走向、附掛基站等信息。

2.3.2 物聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)感知與數(shù)據(jù)可視化展示。通過(guò)三維場(chǎng)景遞進(jìn)式方式展示多站融合站房?jī)?nèi)監(jiān)控?cái)z像頭、室內(nèi)溫度與濕度、電力設(shè)備基本信息與運(yùn)營(yíng)信息。

3 平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 技術(shù)架構(gòu)

本平臺(tái)在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上遵循國(guó)家電網(wǎng)公司相關(guān)技術(shù)規(guī)范，進(jìn)行架構(gòu)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，具體技術(shù)架構(gòu)設(shè)計(jì)參考如下圖所示：①數(shù)據(jù)層，實(shí)現(xiàn)海量、多源、異構(gòu)的電網(wǎng)基礎(chǔ)資源運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)的接入、融合與治理；②平臺(tái)層，與電網(wǎng)基礎(chǔ)資源運(yùn)營(yíng)平臺(tái)互通，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無(wú)縫銜接，實(shí)時(shí)更新展示，平臺(tái)接入跳轉(zhuǎn)的目的；③應(yīng)用層，通過(guò)可視化組件實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景、租賃信息、機(jī)房監(jiān)控、線路運(yùn)營(yíng)可視化；④場(chǎng)景層，通過(guò)三維模型立體的展示運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景。通過(guò)層層遞進(jìn)的操作，展示合同信息、機(jī)房運(yùn)維監(jiān)控信息和桿塔運(yùn)營(yíng)信息[3]。

3.2 功能架構(gòu)

根據(jù)基于數(shù)字孿生的電網(wǎng)基礎(chǔ)資源運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景可視化的需求分析，功能架構(gòu)下圖所示：

圖1 功能架構(gòu)

3.3 多站融合和共享?xiàng)U塔三維建模與全景監(jiān)控

3.3.1 建筑場(chǎng)景建模實(shí)現(xiàn)可視化。通過(guò)實(shí)地考察觀測(cè)多站融合與桿塔等電網(wǎng)資源所在環(huán)境，對(duì)建筑與周邊環(huán)境進(jìn)行建模，實(shí)現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實(shí)環(huán)境一一對(duì)應(yīng)，立體的展示資源所在建筑或周邊建筑場(chǎng)景。

3.3.2 多站融合站房建模實(shí)現(xiàn)可視化。對(duì)多站融合站房進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，根據(jù)站房?jī)?nèi)建筑結(jié)構(gòu)，房間高度，墻壁厚度，窗戶位置等諸多建筑特征進(jìn)行建模，實(shí)現(xiàn)虛擬場(chǎng)景等比再現(xiàn)現(xiàn)實(shí)站房場(chǎng)景。

3.3.3 構(gòu)建電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)備數(shù)字孿生體。在建筑模型中存在大量電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)備，比如機(jī)柜、UPS、服務(wù)器等，為了能夠全方位展示設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，需要?jiǎng)?chuàng)建對(duì)應(yīng)的孿生體從而形象的表示物品的存在。

3.4 物聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)感知與數(shù)據(jù)可視化

3.4.1 動(dòng)環(huán)監(jiān)控可視化。通過(guò)對(duì)分布在各多站融合機(jī)房的電源柜、UPS、空調(diào)、溫濕度、煙感等機(jī)房環(huán)境的各種參數(shù)進(jìn)行遙測(cè)、遙信和遙控,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其運(yùn)行參數(shù)，診斷故障，展示和分析相關(guān)數(shù)據(jù)，并對(duì)設(shè)備進(jìn)行集中監(jiān)控。

3.4.2 視頻監(jiān)控可視化。基于多站融合站房和電網(wǎng)設(shè)備周邊監(jiān)控?cái)z像頭將監(jiān)控視頻信息接入電網(wǎng)基礎(chǔ)資源運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景可視化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實(shí)結(jié)合。

3.4.3 運(yùn)營(yíng)信息可視化。采用數(shù)字孿生技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)中心的虛擬仿真，讓運(yùn)維管理人員可以清晰直觀地掌握實(shí)際運(yùn)營(yíng)中的電網(wǎng)基礎(chǔ)資源的有效信息，實(shí)現(xiàn)透明化與可視化管理，進(jìn)而有效提升資產(chǎn)管理與監(jiān)控管理的效率。

3.5 關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點(diǎn)

首次運(yùn)用數(shù)字孿生技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多站融合和共享?xiàng)U塔三維建模與全景監(jiān)控。選取典型多站融合和桿塔敷掛光纜以及附掛基站的共享資源運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景進(jìn)行三維實(shí)景建模，并融合物聯(lián)狀態(tài)感知信息，實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景的全數(shù)字化映射，輔助重點(diǎn)項(xiàng)目的精準(zhǔn)運(yùn)營(yíng)與運(yùn)行監(jiān)控。對(duì)多站融合示范站，實(shí)現(xiàn)站內(nèi)設(shè)備、環(huán)境布局、告警信息、視頻監(jiān)控、動(dòng)環(huán)信息以及運(yùn)營(yíng)信息的三維全景可視化，全方位監(jiān)控示范站的運(yùn)營(yíng)和運(yùn)行信息，提升運(yùn)維服務(wù)水平[4]；對(duì)桿塔敷掛光纜及附掛基站，實(shí)現(xiàn)桿塔設(shè)備、敷掛線路走向、附掛基站和運(yùn)營(yíng)信息的三維全景可視化，實(shí)現(xiàn)共享?xiàng)U塔運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景的全方位示范展示。

實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)感知與數(shù)據(jù)可視化。集成動(dòng)環(huán)監(jiān)控的溫濕度感應(yīng)器、溫度、濕度、煙感、水浸、UPS等數(shù)據(jù)。綜合運(yùn)用溫度云圖等可視化方法，實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、直觀動(dòng)態(tài)地展示運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景中運(yùn)行環(huán)境信息、負(fù)荷信息、監(jiān)控信息、告警信息，為電網(wǎng)基礎(chǔ)資源運(yùn)行維護(hù)提供可視化支撐。

4 典型業(yè)務(wù)場(chǎng)景

根據(jù)平臺(tái)功能定位和功能需求，本文從中選擇多站融合和共享?xiàng)U塔三維建模與全景監(jiān)控、物聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)感知與數(shù)據(jù)可視化展示兩個(gè)典型的業(yè)務(wù)場(chǎng)景進(jìn)行重點(diǎn)論述。

4.1 多站融合和共享?xiàng)U塔三維建模與全景監(jiān)控

4.1.1 分析需求。選擇典型的多站融合和桿塔敷掛光纜以及附掛基站的共享資源運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景進(jìn)行建模實(shí)現(xiàn)全景監(jiān)控。

4.1.2 分析方法。建筑物建模需要到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際考察實(shí)體建筑，記錄建筑特征數(shù)據(jù)作為依據(jù)。通過(guò)3D場(chǎng)景制作引擎“CompusBuilder”與3D城市組件“CityBuilder”實(shí)現(xiàn)3D建模，并將模型放入3D模型庫(kù)“ThingDepot”用于加載使用。

4.1.3 分析結(jié)果。通過(guò)以上方法可實(shí)現(xiàn)多站融合和共享?xiàng)U塔三維建模，將建好的模型加載到電網(wǎng)基礎(chǔ)資源運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景可視化實(shí)現(xiàn)全景監(jiān)控。

4.1.4 業(yè)務(wù)成效。通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用，相比二維場(chǎng)景，為運(yùn)營(yíng)資源空間信息的展示提供了更豐富、逼真的平臺(tái)，方便運(yùn)維人員根據(jù)信息提示和結(jié)合自己相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)，從而做出準(zhǔn)確而快速的判斷，高效穩(wěn)定的維護(hù)運(yùn)營(yíng)現(xiàn)場(chǎng)各類設(shè)備的正常運(yùn)行。

4.2 物聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)感知與數(shù)據(jù)可視化展示

4.2.1 分析需求。通過(guò)溫度傳感器、濕度傳感器等智能物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娋W(wǎng)基礎(chǔ)資源運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景可視化，實(shí)現(xiàn)站內(nèi)環(huán)境的持續(xù)監(jiān)控，通過(guò)溫度云圖等數(shù)據(jù)可視化展示方式，清晰地展現(xiàn)電網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行環(huán)境狀態(tài)。通過(guò)操作數(shù)字孿生體查看對(duì)應(yīng)電力設(shè)備的運(yùn)營(yíng)信息，實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)信息可視化。

4.2.2 分析方法。物聯(lián)網(wǎng)對(duì)環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測(cè)進(jìn)行有效數(shù)據(jù)采集提供了強(qiáng)大的技術(shù)保障，通過(guò)智能傳感器對(duì)表征事物或現(xiàn)象狀態(tài)的物理量進(jìn)行變送和轉(zhuǎn)換，然后再通過(guò)數(shù)據(jù)可視化技術(shù)將其展示出來(lái)，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行環(huán)境的狀態(tài)感知與數(shù)據(jù)可視化展示。在建立的三維模型中根據(jù)實(shí)際場(chǎng)景情況存在大量與電力設(shè)備對(duì)應(yīng)是數(shù)字孿生體，從過(guò)點(diǎn)擊查看等操作展示該設(shè)備的基本信息與運(yùn)營(yíng)信息，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化展示。

4.2.3 分析結(jié)果。將物聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)感知技術(shù)和數(shù)據(jù)可視化技術(shù)融合到三維場(chǎng)景中，可清晰立體地了解到場(chǎng)景中每個(gè)區(qū)域的溫度和濕度情況、UPS電壓電流情況。如果環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在正

常范圍，則數(shù)值指示條顯示為綠色，接近臨界值顯示為黃色，超出臨界值顯示為紅色，可進(jìn)行預(yù)警展示，對(duì)電力設(shè)備運(yùn)維起到重要作用。

4.2.4 業(yè)務(wù)成效。通過(guò)三維場(chǎng)景，直觀動(dòng)態(tài)地展示了運(yùn)營(yíng)現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行環(huán)境、動(dòng)環(huán)信息，輔助運(yùn)維人員快掌握和發(fā)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，結(jié)合故障分析方法的使用，可以迅速排除相關(guān)故障，有效保障了電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)資源運(yùn)行穩(wěn)定性。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)電力運(yùn)行與運(yùn)營(yíng)業(yè)務(wù)場(chǎng)景進(jìn)行分析，結(jié)合經(jīng)典業(yè)務(wù)場(chǎng)景的特征，通過(guò)基于數(shù)字孿生的電網(wǎng)基礎(chǔ)資源運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景可視化平臺(tái)的功能定位和功能需求進(jìn)行深入分析，進(jìn)行了設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，通過(guò)動(dòng)環(huán)監(jiān)測(cè)可視化展示、電網(wǎng)資源運(yùn)行典型業(yè)務(wù)場(chǎng)景的研究過(guò)程、業(yè)務(wù)成效的深入闡述，表明基于數(shù)字孿生的電網(wǎng)基礎(chǔ)資源運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景可視化平臺(tái)為電網(wǎng)基礎(chǔ)資源運(yùn)行監(jiān)測(cè)與運(yùn)營(yíng)分析等方面效果顯著，具有重要的參考價(jià)值[5]。