基于數字孿生的變電站運行狀態評估模型設計

買合布拜·肖開提，李新濤，賈俊強，馬占軍，薛高倩

（1.國網新疆電力有限公司信息通信公司，新疆 烏魯木齊 830000；2.國網新疆電力有限公司，新疆烏魯木齊 830000）

當前，在變電站運行管理信息的監測中，存在著信息處理速度慢、過分依賴硬件配置、無法以較小代價維護多個容器以及無法以毫秒級成批創建容器等問題。目前的評估方法不能在一定情況下自行調節生成時間和精細策略，也不能解決以前業務被強行捆綁到某個主機上問題，無法避免由于過度負載而導致主站故障，更不能確保系統穩定性和可靠性。同時，由于工作人員的閱覽不便，不能實現智能評估。為此，目前提出了一種智能化變電站狀態維護系統總體框架，并將3D 可視化技術引入到自動控制系統中，建立了變電站三維模擬系統，從而為操作人員提供直觀信息[1]；使用基于隨機矩陣理論的評估方法，利用高維時序隨機矩陣，從單環定律半徑出發，統計分析評估和異常檢測結果。通過對數據對比，對系統關鍵狀態進行評價，并對異常進行檢測[2]。由于配電網規模大、動態特性復雜、建模仿真困難，傳統的規劃、設計和運行控制方法難以適應配電網多時間、多業務協同需要。在此基礎上，提出了基于數字孿生的變電站運行狀態評估模型設計。

1 運行狀態評估與數字孿生程度分析

1.1 變電站運行數據預處理

由于大數據挖掘所獲得的數據中存在著許多不同維數，其數值差異較大。因此，將變電站工作的數據看作是一種平滑隨機序列，其數據由以下公式表達：

使用滑動平均法，計算變電站參數真實的平滑值，公式為：

變電站運行數據預處理過程如圖1 所示。

圖1 變電站運行數據預處理過程

由圖1 可知，針對出現的風險情況，需及時采取相應策略，由此完成數據預處理。

1.2 變電站運行狀態評分

充分考慮變電站運行過程中各個方面因素，計算各類設備評分[5-7]，公式為：

式中，wk,i表示變壓器設備k的綜合評估結果；表示變壓器設備k的第i個指標評分結果；表示變壓器設備k的家族缺陷所對應的評分結果；wk,i表示變壓器設備k的第i個指標歸一化權重[8]。

在變電站運行狀態評估層，按照百分評分制計算變電站運行狀態評估得分，并根據四個等級的劃分進行預警：如果計算結果小于或等于60 分，則說明變電站出現了嚴重故障情況；如果計算結果在60～80 分之間，則說明變電站出現了異常情況；如果計算結果在80～90 分之間，則說明變電站出現了需要注意的情況；如果計算結果在90～100 分之間，則說明變電站正常[9-10]。

1.3 變電站設備數字孿生程度分析

根據變電站運行狀態評分結果，判斷變電站各個設備運行情況，進而確定各個設備孿生程度。

1.3.1 主變壓器

對于主變壓器孿生程度的確定，主要從分接頭潮流、溫度、空載以及回路巡視關鍵點出發，保證基于數字孿生的變電站在實際操作中，能準確地反映出分接頭對潮流的影響；無其他系統投入情況下，變壓器溫度與外部環境溫度變化一致[11]。在冷卻系統投入情況下，變壓器溫度升高；變壓器空載下產生勵磁涌流，主要用于檢驗變壓器回路是否正常[12]。

1.3.2 配電裝置

對于配電裝置孿生程度的確定，主要從如下方面入手：正確分析正常和事故情況下電氣設備運行的潮流，當工作人員發出相關操作指令后，配電裝置發出正確響應。反之，如果指令錯誤，那么配電裝置將會遵守“五防”規則閉鎖，產生錯誤提示音，并正確演示出錯誤操作后出現的各種問題[13]。

1.3.3 直流系統柜

對于直流系統柜的孿生程度的確定，主要從運行特性、表計顯示關鍵點出發。其中直流系統柜的高頻開關電源的運行特性，應與可控硅實際設備運行特性一致，在該情況下進行的模擬行為，能夠及時調整蓄電池組的充放電[14]；調節直流系統柜調整蓄電池組充放電，通過絕緣監察裝置表顯示系統故障情況。

根據變電站設備孿生程度分析結果，建立變電站運行狀態評估模型。

2 模型構建

2.1 數字孿生技術變電站三維場景展示

利用三維模型軟件3D MAX，對現場設備進行實時模擬，將材料貼圖導入到已建好的模型。首先將模型通過拓撲軟件由高模轉換成低模形式，然后使用烘焙軟件在低模上恢復高模細節，最后轉換成OBJ 格式導入三維模型軟件3D MAX 中進行貼圖處理，由此制作三維場景[15]。基于此，設計的數字孿生技術變電站三維場景自動生成步驟如下所示：

步驟1：構建一、二次三維數字化組件庫；

步驟2：在控制集成模擬系統中，建立一、二次設備的模型參數；

步驟3：根據變電站一次場景布置和二次場景屏幕位置，編輯并產生布局概要；

步驟4：通過組件庫的設備匹配查詢，生成變電站一、二次場景；

步驟5：通過對變電站一、二次場景控制件組的初始狀態進行調節，得到最終的變電站三維場景[16]。

2.2 模型設計

根據專家打分獲取判斷矩陣，公式為：

式中，λmn表示m目標對n目標的相對重要程度取值參考。

根據判斷矩陣分析特征向量，對其進行歸一化處理，所獲取的結果為同一層次不同排序權重結果，并進行一致性檢驗：

步驟1：一致性指標計算公式為：

式中，c表示判斷矩陣的階數；εmax表示最大特征值。

步驟2：一致性比例計算公式為：

式中，R表示平均隨機一致性指標，與判斷矩陣階數有關。當計算結果滿足P＜0.2 時，則說明判斷矩陣一致性具有實際意義，也由此說明權重分配是合理的。

3 實 驗

3.1 實驗對象及數據整理

以國網新疆電力公司220 kV 變電站中的變壓器為例，由此驗證基于數字孿生的變電站運行狀態評估模型構建的合理性。

變壓器設備參數展示效果如圖2 所示。

圖2 變壓器設備參數展示效果

根據變電站變壓器設備運行參數，總結運行特點，設定變壓器各個指標權重，如表1 所示。

表1 變壓器各個指標權重

所有數據能夠直接從變壓器中得到大部分信息，小部分數據由傳感器統計獲得。

3.2 實驗過程

對變壓器進行停電實驗，發現變壓器鐵心對地的絕緣電阻為0。變壓器繞組變形是故障原因之一，不同頻率下變壓器高壓、低壓繞組響應結果如圖3所示。

圖3 變壓器高壓、低壓繞組響應結果

由圖3 可知，變壓器高壓繞組響應最大值為5 dB，最小值為-70 dB；變壓器低壓繞組響應最大值為-2 dB，最小值為-46 dB。

3.3 實驗結果與分析

對于變壓器高壓、低壓繞組異常情況，分別使用變電站輔助設備監控系統三維建模、基于隨機矩陣理論的評估方法和數字孿生評估模型，對比分析變電站高壓、低壓繞組響應情況，以此作為評估指標，分析結果如圖4 所示。

圖4 三種方法變壓器運行狀態評估分析

由圖4 可知，使用變電站輔助設備監控系統三維建模，變壓器高壓繞組響應最大值為4 dB，最小值為-61 dB；變壓器低壓繞組響應最大值為-19 dB，最小值為-44 dB；使用基于隨機矩陣理論的評估方法，變壓器高壓繞組響應最大值為3 dB，最小值為-67 dB；變壓器低壓繞組響應最大值為-30 dB，最小值為-57 dB；使用數字孿生評估模型，變壓器高壓繞組響應最大值為5 dB，最小值為-69 dB；變壓器低壓繞組響應最大值為-2 dB，最小值為-45 dB。

通過上述分析結果可知，使用數字孿生評估模型評估的變壓器繞組響應結果與真實值存在最大為1 dB 的誤差，說明使用該模型評估結果精準。

4 結束語

該文設計的基于數字孿生的變電站運行狀態評估模型，以數字孿生為基礎，主要是對變電站生產狀況、故障情況進行實時監測，并將實時數據與數字孿生技術相結合，使現場實際情況得到真實再現。該模型能夠實現數字仿真和實際實體模型之間實時數據交互，并對故障進行數字化、智能化預警，將有關數據可視化地顯示在數字孿生系統中。