智慧变电站数字孪生技术的应用

国网洛阳供电公司 佘彦杰 曹宜安 王耿祥 丹 倩 韩啸旭

变电站作为电网构架中不可或缺的组成部分，对电网的安全稳定运行起着举足轻重的作用。随着变电站技术的发展，智慧变电站是以原有的智慧型变电站设计经验为基础，进行全面的优化提升。在进行此项工作落实的过程中，势必要以人工智能技术、大数据技术、云计算技术、移动互联网技术及物联网技术等技术的应用来实现全面整合，并通过搭配先进的传感技术来进行优化升级，进一步降低运检人员的工作压力，有效确保运行设备的安全稳定，对未来的发展而言具有十分重要的意义。

1 数字孪生技术简述

数字孪生技术的应用其实是以物理实体对象为基础进行数字模型的构建，并依托仿真技术、测量技术、数据分析技术来实现有效感知，进而通过预测、诊断来实现对物理实体的对象进行真实状态的反馈，并以指令用来实现调节，从而通过行为控制来进行优化，并利用数字模型的构建，实现以相互学习为目的进行优化，这样不仅能有效改进利益相关方对于物理实体对象生命周期内的决策，更能实现以优化发展为基础来提升应用的效果。

孪生技术最早是以维护航天飞行器的健康为主进行应用的一项技术，并在后续发展的过程中，也以仿真技术的匹配来实现优化发展，通过诊断系统及监视系统的共同运作，实现通过仿真技术的优化，并以物联网技术的匹配来满足对物理实体对象的运行情况进行有效监测，进而通过对真实情况进行反馈后开展数据分析，这时就能对物理实体对象所需要的维修时间进行判读，通过这种预警的形式实现对故障问题进行有效控制[1]。

因此，将孪生技术应用到智慧变电站中，并以数字化优化为基础，实现对孪生技术的升级。在系统构建的过程中，以智能机器人的应用实现搭载传感器，并通过监测手段的落实，实现对变电站内的所有电气设备进行数据资源的确认。人工智能技术的应用，则能实现通过深度挖掘来对设备的运行情况进行智能诊断，通过其智能预判来确保运维工作的落实效果，将管控与管理工作合二为一，提升各项工作的落实效果。

为实现电网安全稳定运行，则必须要以智能化发展为基础实现智慧化新技术的应用，从而匹配智能电网发展的需要，通过全面整合来实现保证技术应用的效果，并通过一体化打造来实现提升变电站的运行效果，使运维管理工作的改革能够得到有效落实，真正以现代化、智能化的发展来提升变电站的运行水平，从而适应时代发展的需求。

2 数字孪生技术的特点

2.1 产品数字化

对于孪生系统技术的应用来看，在产品数字化的体现上，其实包含着所有的设计元素当中的信息。如，三维几何模型在构建的过程中，其实就是以信息应用为基础来进行的数据加工，而对于BOM 表、系统工程模型、多学科的仿真模型、一维至三维、软件与控制系统设计、电气系统设计等，其实都包含其中。与此同时，对于产品的设计工作开展来看，其实也会涉及到各种产品的各项物理性能以及其整体性能，而这些工作都需要在虚拟环境中，实现对产品本身进行优化或调整。对于该技术的应用其关键技术涉及到以下几点：

首先，针对数字建模工作的开展，不仅需对各类产品的几何结构进行三维建模，更要实现对其内部的运行进行运动约束。如，电气系统的接触形式、控制算法、软件应用等内容，以建模技术的应用为基础，通过全面的数字化建设来实现优化整合。因此，针对数字化的孪生系统构建来看，其实是以同样的建设产品为基础来实现基础技术的应用。

其次，对于数字孪生系统技术的应用，其实离不开一体化的仿真验证技术。在现实技术应用的过程中，想要实现对单个维度的物理性能进行处理，或是实现对单个系统的性能进行处理，在数值控制上通过仿真技术的应用能实现达到优化的效果。但对于一些具备着复杂性质的实际产品，由于在运行过程中会涉及到多学科、多物理场的综合应用，这也使其具备着更难的技术攻破点。

如，针对风力发电平台的建设，在产品的数字化处理过程中，孪生系统技术在应用时，就需对其海上漂浮的风力发电平台的空气动力特性、浮体的结构变形特性，浮体的水动力特性以及发电系统的响应特性等内容进行全面整合，并通过一体化构建来实现仿真验证技术的应用，这样才能保证产品的应用性能。基于此，针对变电厂孪生系统技术的应用，在数字化模型建设的基础上，需将单个系统或是将多个系统进行联合来实现仿真技术的应用，进而才能真正对产品的性能进行分析与预测。

再次，想要完善孪生系统技术并提升其应用效果，也需在建模技术与仿真技术应用的同时实现其他技术的共同使用。如，针对创成式设计技术的应用，能有效实现优化孪生系统技术的应用效果，而且对于历史数据的仿真结果校准技术的应用来看也能起到优化作用。

2.2 生产数字化

在孪生系统技术应用的过程中，针对生产数字化来看，它其实是以生产装配过程的优化为基础，实现仿真等技术手段的应用。这时，在流程制造的过程中，就能够以实际效果的保障来实现达到稳定的目的，并且也能够实现加快生产速度。因此，对于生产数字化来看，它其实需要通过以下几个关键技术的应用来进行质量保障：

首先，针对各个生产单元来看，由于需在共同时间内进行共同运作，因此在进行生产流程的建模工作落实上，也须以仿真技术的应用来实现优化，这时才能建立出有关于生产的数字化运行模式，并以孪生系统技术应用为基础来进行整合，这其中就包含了对各个生产单元的数字化建模与展示工作。

其次，对于生产的执行阶段，需以生产单元内整体工作流程的确认为基础来实现数据应用，而且要以整体生产过程的运行效率为基础来实现建模。在这个过程中也需要通过仿真技术的应用来实现优化整合，并以此来体现孪生系统技术应用的基础内容。这其中包括了机械设备自动化操作过程当中的全部内容，并也需要以仿真技术的融入来实现全面优化[2]。

如，在针对不同单元的共同运作需要以协同工作的落实来进行算法的确认，并通过虚拟调试来实现验证整体结果，这时才能保证生产的自动性。除此以外，针对自动化运行的设备来看，在生产过程中也需要通过人机交互来实现仿真技术的应用。因此在这个过程中，其实也需要通过调试技术的使用来实现支持。

2.3 性能数字化

对于孪生系统技术的应用来看，也需要以性能数字化为基础来实现体现其技术特性。这其中包括了实际生产产品时，执行阶段当中所具备的生产性能的数字化特点，同时也包括了产品使用时产品性能数字化的使用特点。但是对于这二者来看，前者更加偏向于生产与制造，而且要基于生产产线的实际情况来实现对运行信息进行反馈，进而才能够真正以数字化技术的体现，对孪生系统技术进行优化与调整。

后者其实针对的是使用客户的实际需求，并且要基于产品的实际特性来实现分析与应用，以此才能通过预测功能来实现将其维护性能进行体现，从而通过产品的实际运行信息进行反馈后指导产品的设计。对此，针对数字化孪生系统技术的应用来看，在性能体现上，则需要包含以下几项关键技术：

首先，对于生产执行阶段来看，所有的流程、材料、设备、参数、人员、设备运行状态等信息，其实都会发生变动，而对于性能体现来看，孪生系统技术在应用的过程中，则需要将这些变动信息进行实时收集，并要在数字空间内进行更新。对此就需要通过结合物理传感器输入功能来实现对数据的实时转换，并通过仿真技术的应用来实现预测，这时才能保证技术应用的效果。

其次，对于变电站来看，整个生产流程当中的物理传感器会产生大量的数据，而这些产生的数据必须要以传输的形式实现系统收集，这时对于孪生系统技术的应用来看，必须要通过主动响应来实现学习，这样才能够做出反馈，从而才能在事故发生时实现追溯，并在后续运行的过程中，通过预测与维护功能的落实来实现有效展现自身的性能，进而才能在数字化运行下，实现有效地分析、预测，并针对产线的实际情况给予准确判断，以此才能保证运维工作的落实效果。对此，针对孪生系统技术的应用来看，需要通过大数据技术的支持来实现数据闭环处理，这时才能保证应用的效果。

3 智慧变电站孪生系统技术的应用方案

3.1 三维建模

实现三维建模技术的有效应用，从变电站的实际需求出发，实现对电气设备进行三维模型的构建。按照实际需求实现拆分，并进行重新细化，实现以模型构建为基础，利用设备三维模型的动态动作，展示出现场设备的动作状态，进而就能实现达到仿真的效果。

3.2 可视处理

通过可视化处理，就能够实现将三维模型的信息进行有效应用，这时就能保证在管理工作开展中，实现提升运维的实际效果。毕竟对于可视化处理来看，它能够实现以场景优化为基础，体现孪生系统技术的应用特性。根据变电站模型来实现1：1还原，则能够真实展现出变电站的孪生场景，这时在系统运作与控制工作开展中，就能实现对变电站周边环境进行有效观察，并且也可通过专业设备实现三维信息的应用，进而就能实现以数据信息观察为主来进行实时作业。

与此同时，通过接入高精度气象信息来实现获取周边的天气情况，也能在孪生系统当中实现模拟，通过推演天气变化趋势来掌握气象信息。此外，对于可视化处理工作的开展来看，也能够通过自动定位技术的使用，来实现对变电站的内部情况进行快速定位，这时就能够掌握实时动态信息。值得注意的是，对于可视化处理工作而言，还能够实现落实路径导航，这时就能以高效作业为前提，实现满足运行的实际需求。

3.3 视频融合

在视频融合当中，它其实是以变电站的运检管控为基础来实现系统构建，并通过三维模型的构建进行视频融合，这时就能通过自动识别来实现场景交换，而且也能实现将所有信息进行有效连接，并通过实时查看来实现对信息进行有效应用，还可通过可视化的动态处理来实现侦查与警告，进而就能有效提升管理工作开展的效果，并且也能有效对突发事件进行及时处理。

3.4 智能分析

通过大数据技术的有效融合，并将其整合到孪生系统技术当中，就能够实现对已经形成的模型进行细致挖掘，并通过对比分析来实现检测系统与终端之间的数据是否正常，而且也能对不同业务在执行过程中所产生的一些问题进行修正，这时就能以多元化优化为基础来实现提升对变电系统特征分析效果，进而就能通过监测工作的落实来实现保证运行的质量。

3.5 应急管理

为有效应对突发事件，在孪生系统技术应用的过程中，能够实现以自动化运行为基础来实现一体化技术的应用，这时就能实现对变电站内所有的相关设施进行数据拷贝，并进行三维动态的渲染。这样，通过孪生场景的构建、并以仿真功能进行应用，则能够建立出相应的应急预案措施库，从而通过虚拟技术来实现还原真实场景，则能够有效提升现场应急管理的管控能力，并且也能通过内部共联来实现保证监视人员在发现这些紧急情况时，能够进行及时处理。

4 结语

对于孪生系统技术应用来看，它其实是作为智慧电网建设组成部分之一而进行落实的一项关键性技术。因此，这项技术在使用的过程中，不仅能够实现优化变电站运行效果，而且也能够真正以技术保障为基础来提升其管理质量。