数字孪生技术在智能变电站内的应用

国核电力规划设计研究院有限公司 晏 锋 王 林 任 重 徐海龙 徐 丽

随着我国用电量的不断加大，对变电站容量和稳定性要求也越来越高。基于传感器和单片机的在线监测技术，实现了传统变电站的智能化升级。智能变电站实现了站内电力设备监测智能化、采集信号数字化、数据通信网络化。在线监测逐渐也替代了传统的离线检修，减少了大量没必要的设备检修，提高了运维水平[1]。

随着科技的发展，变电站智能化发展成为新的方向。智能变电站在线监测技术实现了电力设备的实时在线监测，监测数据通过数据传输技术可以在后台服务器上进行显示，对保证变电站安全稳定运行起到了重大的作用。随着数字孪生技术的出现，将虚拟技术和现实联系到一起。数字孪生技术在智能变电站内的应用，可以将虚拟电力设备和现实运行中的电力设备有机结合起来。在发生故障时，能够实时定位故障点和故障设备，为检修提供可靠的技术支撑。对提高智能变电站智能化水平具有重大的意义。智能变电站通过后台显示单元对监测结果进行显示，用户可以通过后台获取现场设备运行情况。数字孪生技术是近些年被提出的概念，通过进行实体建模将现实设备和虚拟模型进行映射对应，利用传感器采集电力设备运行参数，然后在虚拟模型中进行实时显示。孪生技术实现了对现实设备的全周期过程监测和显示，在智能变电站内将变电站内运行的变压器、互感器、断路器、套管等电力设备进行数字孪生建模，就能在后台虚拟演示出现场电力设备的运行情况[2]，对保证电力系统安全稳定运行具有重大的意义。

1 数字孪生技术在智能变电站内应用架构

数字孪生技术是近年快速发展起来的，前期只是停留在概念阶段。随着计算机技术和模拟映射技术的发展，数字孪生技术得以成功应用。数字孪生技术是利用物理模型、智能传感器技术将采集到的数据在虚拟模型中进行显示。涉及到的学科较多，具有众多物理变量，属于一种多尺度、多概率的仿真过程[3]。数字孪生技术的核心是在虚拟空间中与现实事物完成数字映射关系，从而通过虚拟反映现实事物的变化。在技术实现上，需要对系统进行建模，并利用绘图软件将虚拟事物根据现实事物进行图形绘制。利用计算机技术将二者通过数字映射系统关联起来。数字孪生技术被广泛应用在建筑、医学、电力等众多领域。

智能变电站分为三个层次，分别为过程层、间隔层和站控层，数字孪生系统在站控层。其中间隔层主要是通过传感器和监测终端实现对电力设备电气特性参数的采集，并就地进行数字化处理。然后通过现场总线将采集数据传送到过程层智能电子设备IED，智能电子设备IED对数据进行汇总，然后将数据发送到站控层服务器。服务器对数据进行接收并显示。数字孪生系统也是在后台显示系统基础上进行开发，同样调用传感器采集的数据，将其显示在虚拟的模型当中。

2 数字孪生技术在变电站内的应用实现

数字孪生系统构建。数字孪生技术在智能变电站内的应用，主要是在站控层网络内根据站内电力设备种类构建虚拟系统，并使其与真实电力设备通过映射关联在一起。虚拟系统运行情况与真实设备相同，操作人员通过虚拟平台就能形象的获知现场设备运行状态[4]。也就是通过数字孪生技术，构建了处在虚拟世界和现实世界中的两个相同智能变电站（图1）。

图1 数字孪生系统设计方案

2.1 孪生模型建立

孪生技术在智能变电站内实现过程中重点是完成孪生模型的建立，孪生模型要具备现实中电力设备的所有特点。模型设计包括工程模型、物理模型、组合模型、几何模型以及逻辑模型。这些模型要通过轻量化设计，同时要具有三维模型效果，以便对电气设备全方位的展示。其中几何模型是对电力设备几何机构的模型建立，物理模型是对现实设备具体实现功能的模型建立（图2）。

图2 孪生模型组成

2.2 设计效果

数字孪生技术在智能变电站内的应用主要是通过建立模拟智能变电站，且监测的数据可以在模拟变电站内的电力设备上进行实时显示，包括电力设备的运行时间、出厂参数以及运行状态等。在完成模型构建后，通过映射服务对数据进行映射分配。在站控层服务器上进行数据库的配置和数据流设计，最终完成数字孪生系统的设计实现。从图3中可看到，基于数字孪生技术虚拟出的动画图形和现实智能变电站电气设备布局相同。通过虚拟的变电站，就可知道当前站内电气设备的运行情况，无需到现场进行巡检。在设备出现异常时可以准确形象的定位故障设备和故障点位，并可以调取设备的参数信息，方便故障的排查。

3 结语

本设计是数字孪生技术在智能变电站内的应用，将智能变电站在线监测技术和数字孪生技术进行有机结合。首先对数字孪生技术进行介绍，给出数字孪生技术在智能变电站内应用的架构，并对数字孪生系统进行设计，建立系统模型。通过映射技术将虚拟变电站和现实中的变电站进行映射，工作人员可通过孪生虚拟变电站了解现实中变电站内电力设备运行情况。数字孪生技术的应用，对提高智能变电站智能化水平、保证智能变电站的安全运行具有重大意义。