淺談基于數(shù)字孿生的配電室關(guān)鍵技術(shù)研究

任運業(yè)

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：在傳統(tǒng)配電室的應用過程中，受環(huán)境、運維以及管理等外界因素的影響，導致傳統(tǒng)配電室難以發(fā)揮實際價值。在此基礎上，數(shù)字孿生配電室關(guān)鍵技術(shù)應運而生，數(shù)字孿生配電技術(shù)主要依托于孿生全景三維建模技術(shù)，構(gòu)建配電室及配電設備的三維全景虛擬模型；再根據(jù)其中數(shù)據(jù)對此進行建模，掌握和操控配電室的運行狀態(tài)。數(shù)字孿生配電室關(guān)鍵技術(shù)具有節(jié)省成本和減少工作量的優(yōu)勢，是配電室向智慧數(shù)據(jù)和感知轉(zhuǎn)型的重要渠道，鑒于此，本文通過對數(shù)字孿生的配電室關(guān)鍵技術(shù)進行研究，為改變傳統(tǒng)的運行模式、提高工作效率和運維質(zhì)量提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生；配電室；關(guān)鍵技術(shù)

0引言

配電室是電網(wǎng)系統(tǒng)的終端，它是分布*廣的電力設施之一，對電能的輸送和分配起著非常重要的作用。傳統(tǒng)的配電室管理都是采用人工巡查和定時檢查的方式進行，導致了配電室中的安全隱患得不到及時解決，只有出現(xiàn)問題時才能發(fā)現(xiàn)故障。數(shù)字孿生為這些難題的解決提供了新途徑。“數(shù)字李生"是利用人工智能、傳感和模擬工具等數(shù)字化技術(shù)，在真實世界和物理實體之間通過平行交互、精確映射和虛實迭代的一種新的方法。數(shù)字孿生技術(shù)能夠?qū)φ鎸嵀h(huán)境中的實體進行監(jiān)測、診斷和預測，本課題在分析數(shù)字化李生技術(shù)特性的基礎上，從配電機房運行與管理的實際需要出發(fā)，分析其概念，研究基于數(shù)字化孿生的配電機房運行與管理的技術(shù)體系與核心技術(shù)，為進一步提升工作效率做鋪墊。

1數(shù)字孿生技術(shù)內(nèi)涵

“數(shù)字孿生"是一種新興的信息技術(shù)，它將人工智能、傳感器、模擬工具等多種數(shù)據(jù)有機地結(jié)合在一起，從而實現(xiàn)實體與虛擬的交互和傳送。目前，數(shù)字孿生技術(shù)已被廣泛地用于對物體狀態(tài)和人類行為進行監(jiān)測和預測。“數(shù)字孿生電網(wǎng)"對于將“數(shù)字孿生"技術(shù)與新型電力系統(tǒng)相結(jié)合，通過虛擬現(xiàn)實的互動，逐步激活電網(wǎng)、裝備等多源數(shù)據(jù)，深度挖掘數(shù)據(jù)資源與信息，提升高維、多層次的“視點"輔助運行能力；實現(xiàn)了電力系統(tǒng)在虛擬與真實兩個空間上的動態(tài)實時映射?！皵?shù)字孿生電網(wǎng)"是基于“數(shù)字孿生"的基礎設施和電網(wǎng)的數(shù)字化改造，從“數(shù)字空間"、“人員"和“環(huán)境"三個層面，構(gòu)建“數(shù)據(jù)驅(qū)動、全生命周期"的“數(shù)字孿生體"，提升“數(shù)據(jù)驅(qū)動"的全生命周期以及應用效能。而對于配電室而言，在其內(nèi)部使用數(shù)字孿生技術(shù)，可以有效地提高配電室的運營和管理效率，并以數(shù)字孿生技術(shù)為基礎，對其關(guān)鍵技術(shù)要素進行深度挖掘，從而為提高配電室的運營和維修水平提供新思路。

2數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)

從基本的層次化思想出發(fā)，歸納了數(shù)字孿生技術(shù)在實際應用中的通用解決方案。首先，建立一條信道，以實現(xiàn)與物理實體之間的信息實時傳遞。其次，基于實際數(shù)據(jù)，建立了一個具有較強擬合性的數(shù)字孿生模型，并對模型進行了模擬和分析。如果得到的結(jié)果與需要相匹配，那么就可以使用這個數(shù)字孿生體，對其進行輔助決策，從而有助于實現(xiàn)改善產(chǎn)品設計、提高生產(chǎn)效率等生產(chǎn)目標，或者是實現(xiàn)故障診斷與預警等維護目標；具體的數(shù)字孿生技術(shù)還體現(xiàn)在以下幾個層面。

2.1建模

建模是開展數(shù)字孿生研究的前提與基礎。與傳統(tǒng)的建模相比，數(shù)字孿生模型不但要對物體的實體特性進行精細的3D建模，還要對物體的操作特性進行全數(shù)字化的仿真，物體的材料、操作模式、軟件算法等都歸屬于建模fan圍。

2.2模擬

模擬是對數(shù)字孿生模型進行驗證的重要手段。通過模擬驗證，驗證數(shù)字孿生系統(tǒng)是否能夠準確地再現(xiàn)出實體的客觀操作規(guī)則，以及對實體數(shù)據(jù)的收集是否滿足精度要求；在數(shù)字孿生模型中，每個步驟的進展都離不開模擬結(jié)果支持。

2.3處理數(shù)據(jù)

海量數(shù)據(jù)的高效采集是數(shù)字孿生技術(shù)應用的前提，也是實現(xiàn)數(shù)字孿生技術(shù)應用于故障診斷、結(jié)果預測和故障識別等多方面的關(guān)鍵技術(shù)。數(shù)字孿生所使用的數(shù)據(jù)具有高密度和低價值的特征。由于數(shù)字孿生技術(shù)對時間的要求很高，這就要求在更高層次上采用更高層次的算法來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時處理，從而提高數(shù)據(jù)傳輸效率。

3數(shù)字孿生配電室的系統(tǒng)構(gòu)架

利用建模的形式構(gòu)建出一個與現(xiàn)實配電室完quan相同的3D模擬配電室，將其采集的數(shù)據(jù)融入至模擬配電室中，其中電流、電壓、溫濕度以及監(jiān)控和設備報警裝置都屬于數(shù)據(jù)范疇，利用虛擬配電室模型可以隨時隨地查看設備的運行情況以及狀態(tài)。通過對配電網(wǎng)運行狀態(tài)、環(huán)境變化、突發(fā)干擾等實時數(shù)據(jù)的分析、學習和計算，實現(xiàn)配電網(wǎng)運行狀態(tài)、環(huán)境變化、突發(fā)干擾等數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果的充分互動和深度融合，達到數(shù)據(jù)感知、實時分析、智能決策和精準執(zhí)行的目的。同時，該系統(tǒng)還能對配電室中的設備進行壽命分析，并能對配電室中的設備進行壽命管理。

4配電室數(shù)字孿生的關(guān)鍵要素與功能

4.1要素

（1）提供精準數(shù)據(jù)：配電室的各種數(shù)據(jù)是實現(xiàn)數(shù)字孿生的前提和依據(jù)，需要在機房內(nèi)設置相應的設備，使機房內(nèi)的主要物性參數(shù)盡可能完整，并保證獲取的及時性以及具大的存儲空間，以便存儲機房整個生命周期內(nèi)的數(shù)據(jù)。采集裝置、網(wǎng)絡通道要穩(wěn)定、可靠，才能保證所采集到的數(shù)據(jù)的真實性和準確性；此外，還要強化對業(yè)務過程的管理，以保證檔案類數(shù)據(jù)的詳細、準確。

（2）對建模進行科學合理化分析：配電室數(shù)字孿生核心功能包括檢測、診斷、預測等等，而科學合理地分析模型是實現(xiàn)以上前提的先決條件。在技術(shù)發(fā)展過程中，配電室存在一定的物理特征，為確保模型的科學有效性，還需根據(jù)以往的各類及時數(shù)據(jù)來進行深入研究，確保多元化的因素不會對其模型構(gòu)建造成阻礙。

（3）邊緣計算能力：受配電室數(shù)量因素的限制，導致在智能配電室中按照配電物聯(lián)網(wǎng)“云-管-邊-端"的構(gòu)架設計流程，確保設備邊緣計算能力可以發(fā)揮*大程度作用，以實現(xiàn)對配電室內(nèi)各種運行狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集和接入目的。這樣的運行方式可以幫助維護人員全面地掌握設備的實際運行情況，并能及時地做出預警和處理，減少現(xiàn)場維護人員的工作量，提高維護效率，保證供電的可靠性。

4.2功能

在配電室中應用數(shù)字孿生技術(shù)，能夠通過建模的方法，精準掌握數(shù)據(jù)與模型之間的關(guān)系，是實現(xiàn)配電室運行轉(zhuǎn)臺監(jiān)管和綜合性管理的主要途徑。物聯(lián)網(wǎng)機構(gòu)終端是配電室運行狀態(tài)的重要體現(xiàn)，可利用該設備實現(xiàn)配變監(jiān)測、開關(guān)量采集以及低壓開關(guān)位置信息采集等功能；在此基礎上，相關(guān)的工作者要以邊緣計算所提供的數(shù)據(jù)為基礎，對其展開深入調(diào)研以及探究，積極做好區(qū)域自動控制與調(diào)節(jié)工作。在傳統(tǒng)的配電室中存在著諸多問題，比如缺少巡視記錄、人工操作繼續(xù)以及缺乏相關(guān)工作資料等等，而數(shù)字孿生技術(shù)的應用可強化機器人巡檢，AI識別和終端設備控制等手段，能夠*大程度地提升配電室總體工作效率。

5數(shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù)在配電室中的應用

5.1智慧云平臺建設

基于當前主流微服務開放源代碼架構(gòu)的“數(shù)字孿生"智能云平臺，采用分布式、虛擬化、微服務、信息總線等技術(shù)，構(gòu)建一個科學合理的大數(shù)據(jù)收集和分析平臺，充分發(fā)揮“數(shù)字孿生"的技術(shù)優(yōu)勢，實現(xiàn)對配電室總體運行狀況的直觀、真實地展示。因配電室和配電設備主要采用的是三維全景虛擬模型，所以能夠?qū)?shù)字模型與實體設備進行有效地聯(lián)系起來，能夠?qū)崟r地獲取監(jiān)控系統(tǒng)中所監(jiān)測到的操作數(shù)據(jù)信息。智慧云平臺的建設能夠?qū)⑴潆娛覂?nèi)的環(huán)境、擾動狀況、運行設備等實時數(shù)據(jù)和仿真情況相結(jié)合，實現(xiàn)配電網(wǎng)設備與環(huán)境的實時管理和控制；全面的配電環(huán)境以及可視化的管理平臺可實現(xiàn)配電室系統(tǒng)管理，相關(guān)工作人員可根據(jù)數(shù)字孿生配電室所提供的資料信息來完成數(shù)據(jù)感知，不僅如此，相關(guān)工作人員還可利用手機客戶端來實現(xiàn)數(shù)據(jù)勘察，沒有時間空間限制，有利于第一時間排除配電室的風險隱患。

5.2物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)是將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用于配電室，通過搭建軟硬件平臺，以分布式邊緣計算為基礎架構(gòu)，基于硬件資源平臺，利用手機終端系統(tǒng)，實現(xiàn)業(yè)務需求。該智能網(wǎng)關(guān)是一種集數(shù)據(jù)融合、邊緣計算于一體的新型網(wǎng)絡系統(tǒng)，能夠?qū)ε潆姍C房的關(guān)鍵技術(shù)節(jié)點進行全fang位的信息收集和實時監(jiān)控。配電物聯(lián)網(wǎng)是基于智能網(wǎng)關(guān)的，它可以幫助提高工作人員的工作效率，用智能化和信息化的方式替代傳統(tǒng)手工操作，減少人為操作所帶來的局限性，大大提高工作質(zhì)量；并且可以對配電房的工作狀態(tài)進行全天候的實時跟蹤和監(jiān)控。

5.3通信拓撲

消息列隊遙測傳輸協(xié)議是配電物聯(lián)網(wǎng)通信拓撲的主要表現(xiàn)形式，它的主要職責是將通信協(xié)議傳遞到各個設備端口，在低寬帶以及網(wǎng)絡不穩(wěn)定的環(huán)境下，還可以實現(xiàn)良好的服務效果。這種運行模式在保證設備運行速度快、互聯(lián)互通的前提下，保證設備的精細化管理。

5.4配電室中壓部分以及低壓部分改造方案

（1）中壓：根據(jù)目前我國用戶配電是現(xiàn)狀分析得知，中壓部分的改造方案可被分為以下幾個方面；首先；將全新的配電終端與中壓柜進行有機融合，利用101以及104規(guī)約渠道將數(shù)據(jù)傳輸給智能網(wǎng)關(guān)，再通過智能網(wǎng)關(guān)來實現(xiàn)智慧平臺數(shù)據(jù)接收。其次；在中壓柜中，要利用保護模塊，將數(shù)據(jù)通過103規(guī)約傳遞給智慧平臺。*后；中壓柜沒有任何智能化設備，因此可以在柜體內(nèi)部安裝一個智能終端，對每個柜體的電氣量和非電能量進行采集，并使用104規(guī)約與智能網(wǎng)關(guān)展開通信，智能網(wǎng)關(guān)將其轉(zhuǎn)發(fā)給智慧云平臺。在對中壓部分進行了改造之后，它可以實現(xiàn)對中壓柜的電壓、電流等電學參數(shù)的采集與監(jiān)控，也可以實現(xiàn)對非電學參數(shù)的采集，如局放、電纜接頭溫度、柜體溫度等。

（2）低壓：變壓器柜、進線柜、補償柜、出線柜、聯(lián)絡柜以及配電室內(nèi)用電配電箱都屬于配電室低壓側(cè)改造范疇，為此，在具體的方案設計中，要將SCU作為通信和邊緣處理中心，利用MQTT通信協(xié)議或104規(guī)約，通過智能網(wǎng)關(guān)路由模式與智慧云平臺進行通信。

5.5設計聯(lián)動方案

聯(lián)動方案的設計，主要是將配電室環(huán)境、視頻以及安防聯(lián)動進行有機地結(jié)合起來，通過在配電室視頻監(jiān)控系統(tǒng)中安裝網(wǎng)絡攝像頭以及視頻分析主機，對智能網(wǎng)關(guān)路由進行訪問，從而達到HTTP協(xié)議與智慧云平臺的互聯(lián)互通。一般來說，配電室環(huán)境監(jiān)控的重點是對配電室的溫度、濕度等信息進行監(jiān)控，通過傳感器和智能物聯(lián)裝置之間的實時通信來加強動態(tài)，現(xiàn)場聯(lián)動的效果。在智能物聯(lián)系統(tǒng)中，對綜合監(jiān)測設備的布線方式主要采用“智能網(wǎng)關(guān)路由"方式。

6配電室中應用數(shù)字孿生技術(shù)的主要注意事項

6.1強化配套傳感裝置的推廣

在現(xiàn)代化發(fā)展的背景下，智能電表被廣泛地普及并使用，它可以對電力用戶的用電信息進行實時監(jiān)控，還可以對配電變壓器電流及電壓等重要參數(shù)進行滲透。在現(xiàn)階段的電力信息獲取中，滯后性的存在導致不能獲得準確的分支線路電流、配電變壓器觸頭溫度以及戶外變壓器拓撲關(guān)系等重要信息。因此，應合理選取與之相匹配的傳感器，并將其安裝于配網(wǎng)臺區(qū)，以確保其對重要數(shù)據(jù)的全面采集，并逐漸達到對配網(wǎng)臺區(qū)實際運行狀況進行全面反映和分析的工作狀態(tài)標定。

6.2提高對搭建多維度融合數(shù)據(jù)平臺的重視

由于配網(wǎng)臺區(qū)的文件數(shù)據(jù)具有高度的分散性，且大多分散在各種設備和金融信息系統(tǒng)中，這給配網(wǎng)臺區(qū)的數(shù)字孿生計算和分析帶來了一定的困難，如數(shù)據(jù)不準確，則會給后續(xù)配電室的運行帶來嚴重影響，導致在實際應用中的效率呈現(xiàn)下降趨勢。因此，要加強對多維數(shù)據(jù)的整合與共享，建立專業(yè)化的整合與共享平臺，加強對相關(guān)工作的規(guī)范執(zhí)行，落實好具體工作人員的職責，為在配電網(wǎng)區(qū)實現(xiàn)“數(shù)字孿生"技術(shù)的有效運用貢獻力量。

6.3深度研究計算分析模式，加大開發(fā)力度

在配網(wǎng)臺區(qū)數(shù)字化孿生的具體應用中，為使其能夠更好地發(fā)揮各種功能，應更多地關(guān)注其計算分析模式，并將其與現(xiàn)實狀況和各種數(shù)據(jù)資料相結(jié)合，建立特定的運算分析模式框架，突出其在配網(wǎng)臺區(qū)數(shù)字化孿生中的核心工作內(nèi)容。在新時代發(fā)展的大背景下，人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等多種前沿科技在我國得到了廣泛的應用與創(chuàng)新，建立行之有效的計算與分析模型，可以提高我國配電網(wǎng)臺區(qū)的“數(shù)字孿生"技術(shù)在我國的應用水平，為實現(xiàn)更高的經(jīng)濟效益奠定基礎。

7安科瑞配電室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)

7.1概述

配電室綜合監(jiān)控系統(tǒng)包括智能監(jiān)控系統(tǒng)屏、通訊管理機、UPS電源、視頻監(jiān)控子系統(tǒng)（云臺球機、槍機）、環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)（溫度、濕度、水浸、煙感）、控制子系統(tǒng)（燈光、空調(diào)、除濕機、風機、水泵）、門禁監(jiān)控子系統(tǒng)（讀卡器、開門按鈕、磁力鎖）、安防監(jiān)控子系統(tǒng)（雙鑒檢測器）。

7.2應用場所

適用于軌道交通，工業(yè)，建筑，學校，商業(yè)綜合體等35kV及以下用戶端供配電自動化系統(tǒng)工程設計、施工和運行維護。

7.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

7.4系統(tǒng)功能

7.4.1實時監(jiān)測

能夠顯示配電室設備的運行狀態(tài)，實時監(jiān)測配電室環(huán)境參數(shù)信息，實時顯示有關(guān)故障、告警等信息。

7.4.2數(shù)據(jù)查詢

在人機界面中，可以直接查看配電室中各個設備的運行數(shù)據(jù)。

7.4.3曲線查詢

可以直接查看各電參量曲線。

7.4.4運行報表

查詢配電室內(nèi)設備的運行數(shù)據(jù)報表。

7.4.5實時告警

具有實時告警功能，系統(tǒng)能夠?qū)ε潆娛覝囟?、濕度、有害氣體、設備故障或通信故障等事件發(fā)出告警。

7.4.6歷史事件查詢

能夠?qū)Ξa(chǎn)生的所有事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統(tǒng)事件和進行歷史追溯、查詢統(tǒng)計、事故分析。 

7.4.7用戶權(quán)限管理

設置了用戶權(quán)限管理功能，可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權(quán)限。

7.4.8網(wǎng)絡拓撲圖

支持實時監(jiān)視并診斷各設備的通訊狀態(tài)，能夠完整的顯示整個系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。

7.4.9遙控功能

可以對整個配電系統(tǒng)范圍內(nèi)的設備進行遠程遙控操作。

7.5系統(tǒng)硬件配置

8結(jié)束語

綜上所述，在新時代發(fā)展背景下，數(shù)字孿生技術(shù)為各個領(lǐng)域的發(fā)展帶來了全新的機遇和挑戰(zhàn)。從電力企業(yè)角度分析，數(shù)字孿生技術(shù)的應用對各流程的優(yōu)化以及配電效率、質(zhì)量的提高等都具有現(xiàn)實意義；為此，在應用數(shù)字孿生技術(shù)過程中，要合理分析其有效性，確保電力行業(yè)持續(xù)健康發(fā)展。

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作者簡介

任運業(yè)，男，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司。