基于數字孿生技術的變電站二次回路設計數字化研究

文｜王其文 湯吟露 馮小強

碳達峰、碳中和的國家戰略目標把新型電力系統的發展推向了新高度，新型電力系統是實現雙碳目標的主要組成部分。“以新能源為主體的新型電力系統”的安全穩定運行嚴重依賴二次系統；同時隨著電網規模的擴大和智能化程度的提高，二次設備的類型和數量也在成倍增加，但是運維人員數量幾乎零增長；因此對二次運維的質量和效率提出了更高的要求。以靜態圖形為主的二次系統回路設計和以人工為主的分散運維模式難以進一步提升運維質量與運維效率，迫切需要通過數字孿生技術推進二次運維模式優化，加強電網及二次作業風險管控。

本文主要從數字孿生角度，應用數字建模技術提出全新的二次回路設計思路，解決變電站現場施工、運維過程中遇到的問題。

電氣二次竣工圖紙是變電站投產前重要的移交資料，為了便于查閱和共享，設計圖紙多以電子格式進行存檔，圖紙格式繁多且難以滿足電網工程設計成果統一存儲與管理的需要；電氣二次竣工圖紙中只有屏柜相關的端子排圖、部分設備間的原理圖以及電纜清冊等，缺少屏柜內的二次設備的板卡信息描述；DWG格式圖紙受繪圖軟件制約，無法進行擴展定制功能需求，同時也缺乏屏柜、設備以及相應附件的模型信息，通用性受到了一定的限制。在后續運維過程中，二次檢修人員至變電站現場往往需要攜帶大量圖紙，并進行人工查找，影響了現場檢修運維效率，延長了現場設備停電時間。

在變電站建設階段，圖紙是現場調試及施工的重要依據。實際施工過程中，施工單位針對設計圖紙問題的反饋極其有限，導致設計單位最終移交的竣工圖紙與現場實際二次回路接線極易存在不符的情況，給變電站的運維管理帶來風險。除此以外，針對竣工圖紙的修改沒有歷史變更記錄，不利于對問題原因進行復盤，同樣的問題需要多次試錯后才能形成組織記憶，為檢修班組的日常管理工作帶來了新的難題。

針對以上問題，本文提出了“基于數字孿生技術的變電站二次回路設計數字化研究”方案。通過對二次屏柜內元器件、二次設備以及二次回路進行數字化建模，結合各二次屏柜間的電纜連接表，形成全站的二次回路數字化文件，并進行可視化展示。基于這個方案，變電站運維檢修人員可通過全站二次回路連接可視化展示減少現場手動查閱圖紙的工作量，助力變電站現場消缺和故障分析，從而進一步保障電網的穩定運行。

一、變電站二次回路數字化設計

二次回路數字化設計的關鍵在于對現有電氣二次設計對象進行數字化建模。目前電氣二次設計對象包含二次屏柜（繼電保護屏柜 、開關柜、匯控柜、端子箱等）及屏柜間電纜連接關系，其中二次屏柜內包含相關的二次設備（繼電保護裝置）、端子排、空氣開關、轉換開關等設備。二次設計圖紙作為二次設備及其連接關系建模的基礎，當設計圖紙中的二次設備端口信息、物料所屬分類、物理連接關系能夠以通用的文件格式導出時，通過建模軟件加載該文件便可將這些信息全部繼承，實現二次回路數字化設計。由于二次設備種類繁多，不同廠家供貨的屏柜及配套設備也不盡相同。在變電站設計過程中進行屏柜及屏柜內部設備建模、物料回路建模時應統一設計。

如圖1所示，基于XML格式，采用SDL語言，對二次設備板卡、端口等物理能力進行建模形成二次設備設計模型（IDD）；對二次屏柜內的設備配置、接線原理以及二次設備板卡、端口等物理能力進行建模形成屏柜設計模型（CDD）；對各二次屏柜的CDD文件進行整合，并導入屏柜間的電纜連接數字化文件形成描述變電站二次回路物理配置、連接拓撲關系的設計模型文件（SDD）。

圖1 基于XML格式的二次回路數字化設計

二、數字孿生二次系統建模

（一）二次設備設計建模

二次設備主要由一個或多個不同功能的板卡構成，每塊板卡也包含一個或多個功能端口。因此二次設備設計模型文件（IDD）包含板卡元素（Board）、板卡端口元素（Port），以及端口屬性元素（PAI）。這樣具有板卡及端口屬性定義的二次設備便可以與屏柜進行關聯，再賦以設備名稱、設備標識、設備型號、設備制造商后便可變電站內二次設備進行唯一性對應，具體如圖2所示。不同廠家的二次設備均可按照此方式形成包含裝置屬性的IDD模型文件。

圖2 IDD模型結構圖

（二） 二次屏柜設計建模

相較于二次設備建模，二次屏柜的建模工作要復雜得多，因為屏柜內包含了多種不同類型的元器件物料、二次設備以及物理連接關系。元器件物料包含：端子排、空氣開關、轉換開關、壓板、復歸按鈕、打印機、繼電器、防雷器等。其中二次設備IDD模型文件如已完成可直接調用，無須重復建模。

在進行元器件建模前，需要對各元器件物料進行功能定義分類。分類的意義在于不同功能的元器件包含的屬性不一致，如采用統一的屬性定義，無法全面描述出單個物理實物的功能信息，與數字孿生的保真性相違背。

以端子排建模為例，依據二次回路功能分類，端子排可分為：直流（DC）、開入（KI）、開出（KO）、電壓（AV）、電流（AC）等屬性，端子排有了屬性分類后，可分別對每個端子進行端口定義，如圖3所示。其余元器件建模類似，不再贅述。作為二次設備與元器件的物理傳輸媒介，物理連接關系建模需要體現線纜類型、起始點設備類型及端口、功能描述。有了具體屬性的二次設備、元器件物料以及物理連接關系便可描述出一個屏柜的完整信息，形成屏柜CDD模型文件。有了屏柜模型并輔以全站電纜連接表，描述全站的二次回路物理配置、連接拓撲關系的SDD模型文件也就隨之生成。

圖3 端子排建模示例

（三）二次回路設計可視化

利用SDD文件，屏柜內二次設備與元器件間的物理連接，以及屏柜與屏柜間的二次電纜物理連接均可與實際二次回路形成映射關系。通過對單一二次設備或者屏柜間二次電纜編號查詢，利用SDD文件內設備間邏輯關聯關系，可實現與之相匹配的二次全回路可視化展示，如圖4所示。

圖4 二次回路設計可視化

二次回路可視化展示了變電站內各小室的屏柜間端子排電纜接線、屏柜內部二次設備與各元器件接線原理，并按照“正向”信息流展示跨設備間連接信息，直觀展示出二次電纜編號。除此以外，也將屏柜內二次設備的板卡、端口接線呈現了出來，最終展示出的效果與大眾認知習慣相吻合。

至于光纖回路可視化展示，也是基于SDD文件中各設備端口間的光纜連接關系，同時還可以查看端口的收發定義以及光纜連接功能。

三、 數字化設計文件全生命周期管控

基于數字化設計成果移交文件SDD，通過二次回路數字化設計移交管控平臺，進行工程化的全生命周期管控。管控平臺具備對SDD文件簽入簽出、模型校驗、在線可視化等功能。

數字化平臺不僅保障了二次回路信息及相關資料的全生命周期管控，而且實現了操作記錄、工作記錄可追溯，減少了相關的重復工作，提升了變電站運維人員的工作效率。

四、結語

通過數字孿生技術對變電站二次回路全域信息建模，將邏輯形式存在的物理連接進行可視化展示，可解決變電站運維過程中對紙質藍圖和廠家白圖的依賴，減少了手動查圖的時間，提升了運維效率。此外，數字化設計成果移交文件整合了全站二次設備及物理連接的功能分類、端口屬性、端子定義等多元化數據，建立了二次系統模型與物理實體間的邏輯對應關系，統一了二次回路設計資料存檔格式，為數字電網建設賦能。