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变电站数字孪生技术应用探究

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vguangxian 发表于 2023-3-18 09:28:34 | 显示全部楼层 |阅读模式 打印 上一主题 下一主题
摘要: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。
关键词:智慧变电站;数字孪生技术;应用
引言
当前社会经济可持续发展的需求下,以新能源为主体的新型电力系统“双高”“双峰”特征凸显,亟待运用数字化技术手段面对电力系统平衡和安全稳定的挑战。数字孪生技术融合了物联网、大数据、建模仿真、人工智能和自动控制等技术,实现现实与虚拟空间的映射交互,正推动全社会进入数字化时代。
数字孪生变电站是数字孪生电网最基础、最重要的组成部分,通过构造与实体变电站对应的数字变电站,推进变电运检和管控智能化、数字化,奠定电网数字化转型基石。数字孪生变电站能够深入挖掘电网数据资产价值,实现智能运维、精准作业和远程协作等,实现“数”与“智”的融合,通过推动数字电网建设,使新型电力系统更好地服务于“双碳”目标。
1数字孪生技术内涵
近年来,得益于物联网、大数据、云计算和人工智能等新一代信息技术的发展,数字孪生的实施已逐渐成为可能。现阶段,除了航空航天领域,数字孪生还被应用于电力、船舶、城市管理、农业、建筑、制造、石油天然气、健康医疗和环境保护等行业[1]。数字孪生技术以数字化方式在虚拟空间建立物理实体的多维度、多时空尺度、多学科和多物理量的动态虚拟模型,实时反映物理实体在真实环境中的属性、行为和规则等,从而实现物理信息空间的映射、交互和融合。
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[2]。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。
2数字孪生技术特点
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。对于该技术的应用其关键技术涉及以下几点:
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[3]。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[4]。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。
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。对于生产数字化来看,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,其中就包含了对各个生产单元的数字化建模与展示工作[5]。
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。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。
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。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[6]。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变电站数字孪生技术应用
3.1三维建模
三维建模技术从实现手段可以概括为测绘建模和图样参数建模两大类。测绘建模技术是以实景实物为对象,通过倾斜摄影、近景摄影或三维激光扫描等同步定位与建图(SLAM)方法建立对应模型。图样参数化建模是将二维的图样或参数转化为三维的模型。基于SLAM方法的测绘建模三维模型能反映变电站设备外观和位置,真实描绘设备外观;但不能反映设备内部部件之间装配接口、电气连接等逻辑关系。图样参数化建模反映模型的参数、装配和电气接线等逻辑关系,但模型外观不能反映实物形态[7]。数字孪生变电站中的孪生设备应能实时动态反映现场设备状态,如隔离开关的闭合等,需要层次化、结构化对设备进行三维建模。
为增加可视化效果,模型应尽量体现物理实体真实情况。要达到模型逼真效果和动态反应设备状态,需要将测绘建模和参数建模结合起来,满足数字孪生变电站智能运维要求。对于建成的变电站,通常在测绘建模的基础上,用BIM/GIM文件对模型进行结构化标注、部件分解,使三维模型在高逼真的效果上结构化、层次化[8]。新建变电站是在图样参数化建模的基础上,用倾斜摄影、三维激光扫描等测绘点云数据对模型进行贴图渲染。
3.2数据映射
数字空间创建的变电站三维模型只是变电站及设备外观的复制,要达到数字孪生的效果,虚拟变电站应能实时反映物理变电站及设备状态,实现数据及信息映射。数据的同步映射需要获取数据、传输数据和融合展示数据。数据获取主要通过感知层安装于设备的传感器实时感知设备运行及环境参数,以及其他智能系统推送、数据中台拉取等。数据传输利用已建成的电力光纤通信网,可满足变电站数字孪生带宽和实时性要求[9]。
变电站数字孪生体实时数据全景映射,实现变电站实景对孪生体各环境、运行模块间数据的时空互联,信息深度融合,实现对实体运行状态的详细模拟。变电站孪生体的数据互联技术根据不同场景,将变电站环境数据、设备运行数据分别进行模块化划分,基于知识图谱的电网环境数据、运行数据抽取技术,分别提取各环境模块、运行模块的数据,构建环境模块、运行模块实体要素,包括时间要素、空间要素和物理信息等;基于知识图谱的电网实体对齐技术,从关联关系、时间要素、空间要素和物理信息等方面,对环境信息、运行信息进行对齐、融合,实现变电站孪生体信息的深度融合和全景映射。
3.3可视化技术
用于数字孪生变电站的三维可视化技术主要为AR和MR技术。AR可以将真实的变电设备和虚拟的环境实时地叠加在同一个画面或空间。AR技术通过高清摄像展现了真实设备场景,同时显示出运行信息,两种信息相互补充、叠加。利用头盔显示器,把变电站设备与运行及状态参数以图形化重合在一起,更直观地“透视”设备或远程运维。
MR在AR实现真实设备场景与运行信息增强显示的基础上,通过SLAM技术确定空间位置,模型随位置和视角变化并可多方互动。MR终端上有多种传感器,包含第一人称视角前向摄像头、感知变电站内的空间结构和手势输入的激光深度传感器以及麦克风和立体扬声器;其中全息透镜模块用于虚拟数据和变电站设备的混合现实展示。MR的现场作业融合实时协作,现场作业人员能够根据数字孪生体的映射关系,很直观地发现设备存在的问题和之前检修的数据内容,并得到基于空间计算的三维MR实时指导。
3.4应用场景
数字孪生变电站主要应用场景有智能巡检、远程协作、安全管控和状态评价等。这些场景的MR前端数据进行关联分析,通过大屏或MR终端进行可视化展示,实现数字孪生与现场、远端支持与现场作业等不同场景的协作共融。包括电力设备运行状态在线监视、电力设备故障预警等智能巡检场景,协助现场人员进行设备运维、设备检修和设备故障处理等远程协作场景。针对关键、重要电力设备进行检修、故障排查等状态检修场景,对电力设备健康状态、运行环境等进行安全监测等安全管控场景的广泛应用。
4结束语
综上所述,数字孪生技术应用来看,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。通过变电站数字孪生建设实现电网可测、可知、可观和可控,打造能源互联网生态体系,适应新能源为主体的新型电力系统发展需求,推动电力行业转型升级和经济社会高质量发展。
参考文献
[1] 符华 陈荭.基于数字孪生技术在电力设备的应用[J].电子技术与软件工程,2021(20):22-24
[2] 何冰 谢天祥.数字孪生技术在输电线路中的应用研究[J].电力信息与通信技术,2021,19(7):83-89.
[3] 贺兴 艾芊等.数字孪生在电力系统应用中的机遇和挑战[J].电网技术,2020(6):11-13
[4] 齐波 张鹏等.数字孪生技术在输变电设备状态评估中的应用现状与发展展望[J].高电压技术,2021(5):22-24
[5] 王林 晏锋 任重等.基于数字孪生技术的变电站运维平台的研究[J].电工技术,2021(21):167-168
[6] 潘保林 邹金强 毛志新等.数字孪生技术在核电站的应用分析[J].中国核电,2020(5):587-591
[7] 潘博.数字孪生变电站在电网企业数智化转型的探索与应用[J].电力与能源,2020(5):558-560
[8] 陈晓旭.数字孪生技术在变电站智能巡检中的应用[J].中国战略新兴产业(理论版),2019(5):0165
[9] 向东伟.数字孪生技术在电力综合自动化系统中的应用[J].通信电源技术,2021,38(24):36-38





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