数字孪生技术在电力综合自动化系统中的应用

向东伟

（长沙铭亚电气有限公司，湖南 长沙 410010）

0 引 言

电力系统的变电站是电网的核心环节，承担着高低压变换和供电的重要任务。变电站一般都会建在相对偏僻的区域，给运维管理造成了很多不便。针对此问题，无人值守变电站应运而生，并在电网系统内得到了普遍推广和使用。电力综合自动化系统是一种基于自动化、计算机网络和信息化技术，集保护、监测、控制以及通信等功能于一体的保障和监视系统。该系统可以促使各保障设备、测控设备等实现信息互换和数据共享，完成变电站运行监视和控制任务，不仅能够提高电网的生产效率，而且还可以降低运营成本，保证了电网的可持续发展[1]。

在智能电网建设的大背景下，变电站全面升级，生产系统和辅助系统也需要进一步升级。数字孪生作为新一代高新技术和提高效能的重要工具，在建模、数据采集、分析预测、虚拟仿真、变电站智能改造以及远程数字化监控等方面发挥着重要作用，同时也能够有效提升电网建设和管理的水平。智能化无人值守变电站数字孪生整体效果如图1所示。

1 电力综合自动化系统架

电力综合自动化系统一般采用分层分布式设计，包括站控管理层、网络通信层以及现场设备层。根据用户用电规模、用电设备分布以及占地面积等信息综合考虑组网方式，如图2所示。

网络通信层将采集和处理后的数据信号经网络传输到站控管理层，各单元测控装置相互独立、互不影响，功能上不依赖于站控计算机[2]。在主控制室配置两台主计算机，两台主机同时运行，一主一备，操作人员可以通过工作站对变电全部一次和二次设备进行监视、测量、记录，并对变电所区域内的主要一、二次设备实现远程操控。此外，运行人员可通过微机五防PC机进行防误模拟操作。

2 数字孪生技术的应用

数字孪生技术是以数据建模为驱动，以虚拟孪生体和数字化网络传输通道为支撑的新一代数字化制造技术。数字孪生系统可对映射体状态进行实时分析、反馈，通过闭环的方式将所需信息进行最大限度优化，从而实现全生命周期的模拟仿真。数字孪生技术通过感知控制连接采集端（入口）和反馈端（出口），并通过数据集成方式实现异构设备和感知系统的互联。物理实体在模型构建过程中，可对其现实状态进行有规律的映射，这样就形成了完整的映射链条。要打通产品全生命周期和生产的全过程价值链条，就需要对实体中的业务需求和特点进行分析、理解。此外，人工操作是必不可少的环节。通过人机交互将人工因素融入到系统中，运维人员通过可视化和智能化的界面将控制命令反馈给现实实体，这样就实现了数字孪生的全闭环优化[3]。使用数字孪生技术来构建轻量化电力综合自动化系统的可视化场景，建立动态的数字化变电站模型及可视化系统，实现运行状态全局监控、电压电流回路可视化、设备实时监控、设备智能化管理以及感知数据实时监测等功能。

2.1 运行状态全局监控

通过对多源数据的综合分析，在界面中实时展示变电站正常、警戒、告警等状态信息，可以快速定位发出预警的变电站。将电网负荷信息展示在页面面板上，可直观了解当前负荷数据及历史负荷数据，实现整个输电网管控的可视、可知及可控。变电站全局状态监控界面如图3所示。

2.2 电压电流回路可视化

通过可视化技术展示电压互感器和电流互感器供电的全部回路走向，结合科技感元素模拟电流流动效果，实现对一次设备（变压器、断路器、隔离开关等直接用于生产和使用电能的设备）运行工况的监视、测量、控制及调节等。运行状态及负荷情况监控界面如图4所示。

2.3 设备实时监控

在变电站可视化系统中将一次设备规模和感知设备规模显示在页面面板中，便于运维人员统计相关设备数量。根据设备监测传感器阈值判断的情况，由后台给前台推送状态参数，前台根据状态参数将对应设备图标放入该位置。数字孪生变电站监控系统的设备监控利用人工智能分析等技术对设备实时数据、历史数据进行分析研判和实时诊断，由人工预防检修转换为智能预测检修[4]。变电站设备实时监控界面如图5所示。

2.4 设备智能化管理

变电站部署温度、湿度等智能感知元件，实现变压器、气体绝缘变电站、开关柜等设备及环境信息的全面实时感知。在设备实时感知列表中，设备的报警、故障、空闲、在线等状态信息以不同颜色展示，实现一次设备的实时状态监测与评估。通过智能分析，自动对设备寿命、负载等进行评估，并进行智能化实时计算。针对不同负载的设备做出不同的配置，使得设备管理决策不再盲目，建立从设备、现场到企业管理之间的高效沟通桥梁。设备智能化管理界面如图6所示。

2.5 感知数据实时监测

每一种传感器根据实际安装位置分布点位，将GIS等一次设备的在线监测点一一标识出来。每个点位的传感器状态都有相应的展示效果，如告警以红色标注、异常情况以红色闪烁的形式展现。当鼠标滑到传感器点位时，展示其实时状态信息面板；点击传感器点位时，进入其详情列表，查看该传感器的历史数据及趋势曲线。同时，可以方便地根据传感器菜单切换查询其他位置的传感器历史数据与趋势曲线[5]。感知数据实时监测界面如图7所示。

3 结 论

综上所述，电力综合自动化系统的核心在于对全站的运行情况进行完整监控和管理。利用数字孪生技术对电力综合自动化系统进行全面的建模和仿真，并通过实际监测数据进行分析，结果充分展现了数字孪生技术的保真性、可计算性以及闭环性，能够实现智能化无人值守电站全面感知、协同优化、预测预警以及科学决策的高质量管理。