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淺談基于數字孿生的配電室關鍵技術研究

2023-12-20 [825]

安科瑞鮑靜君劉邁

　　摘要：在傳統配電室的應用過程中，受環境、運維以及管理等外界因素的影響，導致傳統配電室難以發揮實際價值。在此基礎上，數字孿生配電室關鍵技術應運而生，數字孿生配電技術主要依托于孿生全景三維建模技術，構建配電室及配電設備的三維全景虛擬模型；再根據其中數據對此進行建模，掌握和操控配電室的運行狀態。數字孿生配電室關鍵技術具有節省成本和減少工作量的優勢，是配電室向智慧數據和感知轉型的重要渠道，鑒于此，本文通過對數字孿生的配電室關鍵技術進行研究，為改變傳統的運行模式、提高工作效率和運維質量提供參考依據。

　　關鍵詞：數字孿生；配電室；關鍵技術

　　0引言

　　配電室是電網系統的終端，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，只有出現問題時才能發現故障。數字孿生為這些難題的解決提供了新途徑。“數字李生"是利用人工智能、傳感和模擬工具等數字化技術，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。數字孿生技術能夠對真實環境中的實體進行監測、診斷和預測，本課題在分析數字化李生技術特性的基礎上，從配電機房運行與管理的實際需要出發，分析其概念，研究基于數字化孿生的配電機房運行與管理的技術體系與核心技術，為進一步提升工作效率做鋪墊。

　　1數字孿生技術內涵

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

　　2數字孿生的關鍵技術實現

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

　　2.1建模

　　建模是開展數字孿生研究的前提與基礎。與傳統的建模相比，數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字化的仿真，物體的材料、操作模式、軟件算法等都歸屬于。

　　2.2模擬

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

　　2.3處理數據

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

　　3數字孿生配電室的系統構架

　　利用建模的形式構建出一個與現實配電室相同的3D模擬配電室，將其采集的數據融入至模擬配電室中，其中電流、電壓、溫濕度以及監控和設備報警裝置都屬于數據范疇，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。通過對配電網運行狀態、環境變化、突發干擾等實時數據的分析、學習和計算，實現配電網運行狀態、環境變化、突發干擾等數據和模擬結果的充分互動和深度融合，達到數據感知、實時分析、智能決策和精準執行的目的。同時，該系統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配電室數字孿生的關鍵要素與功能

　　4.1要素

　　（1）提供精準數據：配電室的各種數據是實現數字孿生的前提和依據，需要在機房內設置相應的設備，使機房內的主要物性參數盡可能完整，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的數據。采集裝置、網絡通道要穩定、可靠，才能保證所采集到的數據的真實性和準確性；此外，還要強化對業務過程的管理，以保證檔案類數據的詳細、準確。

　　（2）對建模進行科學合理化分析：配電室數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以上前提的先決條件。在技術發展過程中，配電室存在一定的物理特征，為確保模型的科學有效性，還需根據以往的各類及時數據來進行深入研究，確保多元化的因素不會對其模型構建造成阻礙。

　　（3）邊緣計算能力：受配電室數量因素的限制，導致在智能配電室中按照配電物聯網“云-管-邊-端"的構架設計流程，確保設備邊緣計算能力可以發揮*大程度作用，以實現對配電室內各種運行狀態數據的采集和接入目的。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

　　在配電室中應用數字孿生技術，能夠通過建模的方法，精準掌握數據與模型之間的關系，是實現配電室運行轉臺監管和綜合性管理的主要途徑。物聯網機構終端是配電室運行狀態的重要體現，可利用該設備實現配變監測、開關量采集以及低壓開關位置信息采集等功能；在此基礎上，相關的工作者要以邊緣計算所提供的數據為基礎，對其展開深入調研以及探究，積極做好區域自動控制與調節工作。在傳統的配電室中存在著諸多問題，比如缺少巡視記錄、人工操作繼續以及缺乏相關工作資料等等，而數字孿生技術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數字孿生關鍵技術在配電室中的應用

　　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的“數字孿生"智能云平臺，采用分布式、虛擬化、微服務、信息總線等技術，構建一個科學合理的大數據收集和分析平臺，充分發揮“數字孿生"的技術優勢，實現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，所以能夠將數字模型與實體設備進行有效地聯系起來，能夠實時地獲取監控系統中所監測到的操作數據信息。智慧云平臺的建設能夠將配電室內的環境、擾動狀況、運行設備等實時數據和仿真情況相結合，實現配電網設備與環境的實時管理和控制；全面的配電環境以及可視化的管理平臺可實現配電室系統管理，相關工作人員可根據數字孿生配電室所提供的資料信息來完成數據感知，不僅如此，相關工作人員還可利用手機客戶端來實現數據勘察，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物聯網智能網關技術

　　物聯網智能網關是將物聯網技術應用于配電室，通過搭建軟硬件平臺，以分布式邊緣計算為基礎架構，基于硬件資源平臺，利用手機終端系統，實現業務需求。該智能網關是一種集數據融合、邊緣計算于一體的新型網絡系統，能夠對配電機房的關鍵技術節點進行信息收集和實時監控。配電物聯網是基于智能網關的，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手工操作，減少人為操作所帶來的局限性，大大提高工作質量；并且可以對配電房的工作狀態進行全天候的實時跟蹤和監控。

　　5.3通信拓撲

　　消息列隊遙測傳輸協議是配電物聯網通信拓撲的主要表現形式，它的主要職責是將通信協議傳遞到各個設備端口，在低寬帶以及網絡不穩定的環境下，還可以實現良好的服務效果。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：根據目前我國用戶配電是現狀分析得知，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規約渠道將數據傳輸給智能網關，再通過智能網關來實現智慧平臺數據接收。其次；在中壓柜中，要利用保護模塊，將數據通過103規約傳遞給智慧平臺。*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規約與智能網關展開通信，智能網關將其轉發給智慧云平臺。在對中壓部分進行了改造之后，它可以實現對中壓柜的電壓、電流等電學參數的采集與監控，也可以實現對非電學參數的采集，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、聯絡柜以及配電室內用電配電箱都屬于配電室低壓側改造范疇，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通信協議或104規約，通過智能網關路由模式與智慧云平臺進行通信。

　　5.5設計聯動方案

　　聯動方案的設計，主要是將配電室環境、視頻以及安防聯動進行有機地結合起來，通過在配電室視頻監控系統中安裝網絡攝像頭以及視頻分析主機，對智能網關路由進行訪問，從而達到HTTP協議與智慧云平臺的互聯互通。一般來說，配電室環境監控的重點是對配電室的溫度、濕度等信息進行監控，通過傳感器和智能物聯裝置之間的實時通信來加強動態，現場聯動的效果。在智能物聯系統中，對綜合監測設備的布線方式主要采用“智能網關路由"方式。

　　6配電室中應用數字孿生技術的主要注意事項

　　6.1強化配套傳感裝置的推廣

　　在現代化發展的背景下，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控，還可以對配電變壓器電流及電壓等重要參數進行滲透。在現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，并將其安裝于配網臺區，以確保其對重要數據的全面采集，并逐漸達到對配網臺區實際運行狀況進行全面反映和分析的工作狀態標定。

　　6.2提高對搭建多維度融合數據平臺的重視

　　由于配網臺區的文件數據具有高度的分散性，且大多分散在各種設備和金融信息系統中，這給配網臺區的數字孿生計算和分析帶來了一定的困難，如數據不準確，則會給后續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下降趨勢。因此，要加強對多維數據的整合與共享，建立專業化的整合與共享平臺，加強對相關工作的規范執行，落實好具體工作人員的職責，為在配電網區實現“數字孿生"技術的有效運用貢獻力量。

　　6.3深度研究計算分析模式，加大開發力度

　　在配網臺區數字化孿生的具體應用中，為使其能夠更好地發揮各種功能，應更多地關注其計算分析模式，并將其與現實狀況和各種數據資料相結合，建立特定的運算分析模式框架，突出其在配網臺區數字化孿生中的核心工作內容。在新時代發展的大背景下，人工智能、物聯網、大數據等多種前沿科技在我國得到了廣泛的應用與創新，建立行之有效的計算與分析模型，可以提高我國配電網臺區的“數字孿生"技術在我國的應用水平，為實現更高的經濟效益奠定基礎。

　　7安科瑞配電室環境監控系統

　　7.1概述

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

　　7.2應用場所

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

　　7.3系統結構