智慧變電站數字孿生技術的應用

國網洛陽供電公司 佘彥杰 曹宜安 王耿祥 丹 倩 韓嘯旭

變電站作為電網構架中不可或缺的組成部分，對電網的安全穩定運行起著舉足輕重的作用。隨著變電站技術的發展，智慧變電站是以原有的智慧型變電站設計經驗為基礎，進行全面的優化提升。在進行此項工作落實的過程中，勢必要以人工智能技術、大數據技術、云計算技術、移動互聯網技術及物聯網技術等技術的應用來實現全面整合，并通過搭配先進的傳感技術來進行優化升級，進一步降低運檢人員的工作壓力，有效確保運行設備的安全穩定，對未來的發展而言具有十分重要的意義。

1 數字孿生技術簡述

數字孿生技術的應用其實是以物理實體對象為基礎進行數字模型的構建，并依托仿真技術、測量技術、數據分析技術來實現有效感知，進而通過預測、診斷來實現對物理實體的對象進行真實狀態的反饋，并以指令用來實現調節，從而通過行為控制來進行優化，并利用數字模型的構建，實現以相互學習為目的進行優化，這樣不僅能有效改進利益相關方對于物理實體對象生命周期內的決策，更能實現以優化發展為基礎來提升應用的效果。

孿生技術最早是以維護航天飛行器的健康為主進行應用的一項技術，并在后續發展的過程中，也以仿真技術的匹配來實現優化發展，通過診斷系統及監視系統的共同運作，實現通過仿真技術的優化，并以物聯網技術的匹配來滿足對物理實體對象的運行情況進行有效監測，進而通過對真實情況進行反饋后開展數據分析，這時就能對物理實體對象所需要的維修時間進行判讀，通過這種預警的形式實現對故障問題進行有效控制[1]。

因此，將孿生技術應用到智慧變電站中，并以數字化優化為基礎，實現對孿生技術的升級。在系統構建的過程中，以智能機器人的應用實現搭載傳感器，并通過監測手段的落實，實現對變電站內的所有電氣設備進行數據資源的確認。人工智能技術的應用，則能實現通過深度挖掘來對設備的運行情況進行智能診斷，通過其智能預判來確保運維工作的落實效果，將管控與管理工作合二為一，提升各項工作的落實效果。

為實現電網安全穩定運行，則必須要以智能化發展為基礎實現智慧化新技術的應用，從而匹配智能電網發展的需要，通過全面整合來實現保證技術應用的效果，并通過一體化打造來實現提升變電站的運行效果，使運維管理工作的改革能夠得到有效落實，真正以現代化、智能化的發展來提升變電站的運行水平，從而適應時代發展的需求。

2 數字孿生技術的特點

2.1 產品數字化

對于孿生系統技術的應用來看，在產品數字化的體現上，其實包含著所有的設計元素當中的信息。如，三維幾何模型在構建的過程中，其實就是以信息應用為基礎來進行的數據加工，而對于BOM 表、系統工程模型、多學科的仿真模型、一維至三維、軟件與控制系統設計、電氣系統設計等，其實都包含其中。與此同時，對于產品的設計工作開展來看，其實也會涉及到各種產品的各項物理性能以及其整體性能，而這些工作都需要在虛擬環境中，實現對產品本身進行優化或調整。對于該技術的應用其關鍵技術涉及到以下幾點：

首先，針對數字建模工作的開展，不僅需對各類產品的幾何結構進行三維建模，更要實現對其內部的運行進行運動約束。如，電氣系統的接觸形式、控制算法、軟件應用等內容，以建模技術的應用為基礎，通過全面的數字化建設來實現優化整合。因此，針對數字化的孿生系統構建來看，其實是以同樣的建設產品為基礎來實現基礎技術的應用。

其次，對于數字孿生系統技術的應用，其實離不開一體化的仿真驗證技術。在現實技術應用的過程中，想要實現對單個維度的物理性能進行處理，或是實現對單個系統的性能進行處理，在數值控制上通過仿真技術的應用能實現達到優化的效果。但對于一些具備著復雜性質的實際產品，由于在運行過程中會涉及到多學科、多物理場的綜合應用，這也使其具備著更難的技術攻破點。

如，針對風力發電平臺的建設，在產品的數字化處理過程中，孿生系統技術在應用時，就需對其海上漂浮的風力發電平臺的空氣動力特性、浮體的結構變形特性，浮體的水動力特性以及發電系統的響應特性等內容進行全面整合，并通過一體化構建來實現仿真驗證技術的應用，這樣才能保證產品的應用性能。基于此，針對變電廠孿生系統技術的應用，在數字化模型建設的基礎上，需將單個系統或是將多個系統進行聯合來實現仿真技術的應用，進而才能真正對產品的性能進行分析與預測。

再次，想要完善孿生系統技術并提升其應用效果，也需在建模技術與仿真技術應用的同時實現其他技術的共同使用。如，針對創成式設計技術的應用，能有效實現優化孿生系統技術的應用效果，而且對于歷史數據的仿真結果校準技術的應用來看也能起到優化作用。

2.2 生產數字化

在孿生系統技術應用的過程中，針對生產數字化來看，它其實是以生產裝配過程的優化為基礎，實現仿真等技術手段的應用。這時，在流程制造的過程中，就能夠以實際效果的保障來實現達到穩定的目的，并且也能夠實現加快生產速度。因此，對于生產數字化來看，它其實需要通過以下幾個關鍵技術的應用來進行質量保障：

首先，針對各個生產單元來看，由于需在共同時間內進行共同運作，因此在進行生產流程的建模工作落實上，也須以仿真技術的應用來實現優化，這時才能建立出有關于生產的數字化運行模式，并以孿生系統技術應用為基礎來進行整合，這其中就包含了對各個生產單元的數字化建模與展示工作。

其次，對于生產的執行階段，需以生產單元內整體工作流程的確認為基礎來實現數據應用，而且要以整體生產過程的運行效率為基礎來實現建模。在這個過程中也需要通過仿真技術的應用來實現優化整合，并以此來體現孿生系統技術應用的基礎內容。這其中包括了機械設備自動化操作過程當中的全部內容，并也需要以仿真技術的融入來實現全面優化[2]。

如，在針對不同單元的共同運作需要以協同工作的落實來進行算法的確認，并通過虛擬調試來實現驗證整體結果，這時才能保證生產的自動性。除此以外，針對自動化運行的設備來看，在生產過程中也需要通過人機交互來實現仿真技術的應用。因此在這個過程中，其實也需要通過調試技術的使用來實現支持。

2.3 性能數字化

對于孿生系統技術的應用來看，也需要以性能數字化為基礎來實現體現其技術特性。這其中包括了實際生產產品時，執行階段當中所具備的生產性能的數字化特點，同時也包括了產品使用時產品性能數字化的使用特點。但是對于這二者來看，前者更加偏向于生產與制造，而且要基于生產產線的實際情況來實現對運行信息進行反饋，進而才能夠真正以數字化技術的體現，對孿生系統技術進行優化與調整。

后者其實針對的是使用客戶的實際需求，并且要基于產品的實際特性來實現分析與應用，以此才能通過預測功能來實現將其維護性能進行體現，從而通過產品的實際運行信息進行反饋后指導產品的設計。對此，針對數字化孿生系統技術的應用來看，在性能體現上，則需要包含以下幾項關鍵技術：

首先，對于生產執行階段來看，所有的流程、材料、設備、參數、人員、設備運行狀態等信息，其實都會發生變動，而對于性能體現來看，孿生系統技術在應用的過程中，則需要將這些變動信息進行實時收集，并要在數字空間內進行更新。對此就需要通過結合物理傳感器輸入功能來實現對數據的實時轉換，并通過仿真技術的應用來實現預測，這時才能保證技術應用的效果。

其次，對于變電站來看，整個生產流程當中的物理傳感器會產生大量的數據，而這些產生的數據必須要以傳輸的形式實現系統收集，這時對于孿生系統技術的應用來看，必須要通過主動響應來實現學習，這樣才能夠做出反饋，從而才能在事故發生時實現追溯，并在后續運行的過程中，通過預測與維護功能的落實來實現有效展現自身的性能，進而才能在數字化運行下，實現有效地分析、預測，并針對產線的實際情況給予準確判斷，以此才能保證運維工作的落實效果。對此，針對孿生系統技術的應用來看，需要通過大數據技術的支持來實現數據閉環處理，這時才能保證應用的效果。

3 智慧變電站孿生系統技術的應用方案

3.1 三維建模

實現三維建模技術的有效應用，從變電站的實際需求出發，實現對電氣設備進行三維模型的構建。按照實際需求實現拆分，并進行重新細化，實現以模型構建為基礎，利用設備三維模型的動態動作，展示出現場設備的動作狀態，進而就能實現達到仿真的效果。

3.2 可視處理

通過可視化處理，就能夠實現將三維模型的信息進行有效應用，這時就能保證在管理工作開展中，實現提升運維的實際效果。畢竟對于可視化處理來看，它能夠實現以場景優化為基礎，體現孿生系統技術的應用特性。根據變電站模型來實現1：1還原，則能夠真實展現出變電站的孿生場景，這時在系統運作與控制工作開展中，就能實現對變電站周邊環境進行有效觀察，并且也可通過專業設備實現三維信息的應用，進而就能實現以數據信息觀察為主來進行實時作業。

與此同時，通過接入高精度氣象信息來實現獲取周邊的天氣情況，也能在孿生系統當中實現模擬，通過推演天氣變化趨勢來掌握氣象信息。此外，對于可視化處理工作的開展來看，也能夠通過自動定位技術的使用，來實現對變電站的內部情況進行快速定位，這時就能夠掌握實時動態信息。值得注意的是，對于可視化處理工作而言，還能夠實現落實路徑導航，這時就能以高效作業為前提，實現滿足運行的實際需求。

3.3 視頻融合

在視頻融合當中，它其實是以變電站的運檢管控為基礎來實現系統構建，并通過三維模型的構建進行視頻融合，這時就能通過自動識別來實現場景交換，而且也能實現將所有信息進行有效連接，并通過實時查看來實現對信息進行有效應用，還可通過可視化的動態處理來實現偵查與警告，進而就能有效提升管理工作開展的效果，并且也能有效對突發事件進行及時處理。

3.4 智能分析

通過大數據技術的有效融合，并將其整合到孿生系統技術當中，就能夠實現對已經形成的模型進行細致挖掘，并通過對比分析來實現檢測系統與終端之間的數據是否正常，而且也能對不同業務在執行過程中所產生的一些問題進行修正，這時就能以多元化優化為基礎來實現提升對變電系統特征分析效果，進而就能通過監測工作的落實來實現保證運行的質量。

3.5 應急管理

為有效應對突發事件，在孿生系統技術應用的過程中，能夠實現以自動化運行為基礎來實現一體化技術的應用，這時就能實現對變電站內所有的相關設施進行數據拷貝，并進行三維動態的渲染。這樣，通過孿生場景的構建、并以仿真功能進行應用，則能夠建立出相應的應急預案措施庫，從而通過虛擬技術來實現還原真實場景，則能夠有效提升現場應急管理的管控能力，并且也能通過內部共聯來實現保證監視人員在發現這些緊急情況時，能夠進行及時處理。

4 結語

對于孿生系統技術應用來看，它其實是作為智慧電網建設組成部分之一而進行落實的一項關鍵性技術。因此，這項技術在使用的過程中，不僅能夠實現優化變電站運行效果，而且也能夠真正以技術保障為基礎來提升其管理質量。