基于北斗與數(shù)字孿生技術(shù)的智能電網(wǎng)運維平臺研究

　　摘要：針對電力系統(tǒng)日益復(fù)雜的運維問題，本文將北斗精準時空技術(shù)與數(shù)字孿生系統(tǒng)理論相結(jié)合，提出構(gòu)建智能電網(wǎng)運維平臺的方法。該方法通過將北斗與物聯(lián)網(wǎng)傳感器相結(jié)合，形成可以進行狀態(tài)預(yù)測、故障診斷、自愈等功能的數(shù)字孿生運維平臺。本文首先分析了北斗數(shù)字電力孿生系統(tǒng)總體架構(gòu)，然后從數(shù)字孿生體建模理論、基于北斗的數(shù)據(jù)采集智能終端、數(shù)字孿生平臺的運行模式等方面展開討論電力系統(tǒng)的數(shù)字孿生體構(gòu)建方法，最后進行了應(yīng)用試驗分析。研究結(jié)果表明，本文提出的方法對提升智能電網(wǎng)的運維能力具有參考價值。

　　關(guān)鍵詞：北斗;數(shù)字孿生;智能電網(wǎng);運維平臺

　　引言

　　近年來，電網(wǎng)的規(guī)劃、建設(shè)、運行及客戶服務(wù)等對空間地理位置的需求越來越重要。利用北斗系統(tǒng)所提供的高精度定位、導(dǎo)航和授時服務(wù)，為電網(wǎng)調(diào)度、智能巡檢、物資運輸、基建安全管控、營銷服務(wù)等各專業(yè)領(lǐng)域提供了極大便利。電力行業(yè)高度關(guān)注北斗系統(tǒng)建設(shè)與發(fā)展，積極開展北斗系統(tǒng)在電力基建、運檢、營銷以及調(diào)度等領(lǐng)域的應(yīng)用，北斗系統(tǒng)已在電力資源管理、安全應(yīng)急、北斗授時等方面取得一系列突破性成果。

　　目前北斗產(chǎn)品已經(jīng)應(yīng)用于電力行業(yè)的各個環(huán)節(jié)，在北斗授時領(lǐng)域，100%的管理信息系統(tǒng)和90%的調(diào)度系統(tǒng)已使用北斗授時服務(wù);在北斗定位導(dǎo)航領(lǐng)域，90%公務(wù)、生產(chǎn)車輛已使用北斗定位導(dǎo)航終端;在無公網(wǎng)覆蓋的偏遠地區(qū)，采用北斗短報文的方式進行電能量數(shù)據(jù)采集及回傳[1-3]。

　　盡管如此，在如何利用北斗精準時空技術(shù)提升智能電網(wǎng)運維水平方面還存在較大差距[4,5]，尤其是用戶側(cè)。用戶側(cè)由于缺乏高效的運行管理和維護保障支撐平臺，用電故障得不到及時排除，導(dǎo)致近年來農(nóng)村等地用電投訴上升，用電安全得不到保證，甚至危害用戶生命財產(chǎn)安全。隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大及運行方式的日趨復(fù)雜，電網(wǎng)一體化建模與分析的必要性日益凸顯[6-8]。

　　當前工業(yè)生產(chǎn)已經(jīng)發(fā)展到高度自動化與信息化階段，在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量信息。但由于信息的多源異構(gòu)、異地分散特征易形成信息孤島，在工業(yè)生產(chǎn)中沒有發(fā)揮出應(yīng)有價值。而數(shù)字孿生[9-11]為工業(yè)產(chǎn)生的物理對象創(chuàng)建了虛擬空間，并將物理設(shè)備的各種屬性映射到虛擬空間中。工業(yè)人員通過在虛擬空間中模擬分析、生產(chǎn)預(yù)測，能夠仿真復(fù)雜的制造工藝，實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計，制造和智能服務(wù)等閉環(huán)優(yōu)化。本文從智能電網(wǎng)的發(fā)展趨勢出發(fā)，結(jié)合北斗精準時空服務(wù)和數(shù)字孿生技術(shù)，討論北斗數(shù)字孿生電網(wǎng)運維平臺的總體架構(gòu)和構(gòu)建方法，并進行可行性驗證和前景分析。

　　1北斗數(shù)字孿生運維平臺總體架構(gòu)

　　現(xiàn)代電力系統(tǒng)正處于規(guī)模不斷擴大，計算數(shù)據(jù)量和復(fù)雜度持續(xù)增加的進程中[12]。電力系統(tǒng)的運行和控制難度不斷加大，需要引入更先進、高效的電力系統(tǒng)分析和控制技術(shù)來幫助解決現(xiàn)實系統(tǒng)中出現(xiàn)的復(fù)雜問題。大規(guī)模系統(tǒng)精準建模與仿真技術(shù)被認為是研究電力系統(tǒng)運維問題的有效手段[1。數(shù)字孿生是復(fù)雜產(chǎn)品的綜合多物理、多尺度、概率模擬，使用最佳物理模型、傳感器更新等，反映其相應(yīng)孿生系統(tǒng)的生命。它可以正確地將產(chǎn)品的各種物理數(shù)據(jù)映射到虛擬空間。虛擬產(chǎn)品可以反映相應(yīng)的物理產(chǎn)品的整個生命周期過程[1。

　　數(shù)字孿生驅(qū)動的虛擬驗證可以充分利用設(shè)備、環(huán)境、材料、客戶的物理特征和上一代歷史數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)。這種方法可以測試是否存在設(shè)計缺陷并找出原因，然后重新設(shè)計將更加快速、方便。而且，它可以避免繁瑣的驗證和測試，從而極大地提高設(shè)計效率。本文提出利用北斗·數(shù)字電力孿生系統(tǒng)來提高智能電網(wǎng)運維水平。該系統(tǒng)由基礎(chǔ)支撐層、數(shù)據(jù)互動層、模型構(gòu)建與仿真分析層、共性應(yīng)用層和行業(yè)應(yīng)用層組成。

　　該系統(tǒng)各組成部分的功能如下：1)基礎(chǔ)支撐層由具體的設(shè)備組成，包括發(fā)電設(shè)備、變電設(shè)備、輸電工具、配電設(shè)備等組成。2)數(shù)據(jù)互動層包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理等內(nèi)容。3)模型構(gòu)建與仿真分析層包括數(shù)據(jù)建模、數(shù)據(jù)仿真和控制。4)共性應(yīng)用層包括描述、診斷、預(yù)測、決策四個方面。5)運維應(yīng)用層則包括孿生發(fā)電廠、孿生變電站、孿生輸電系統(tǒng)、孿生配電站所、孿生用電設(shè)備等在內(nèi)的多方面運維應(yīng)用。

　　2電力系統(tǒng)的數(shù)字孿生體構(gòu)建方法

　　2.1數(shù)字孿生體建模

　　北斗·數(shù)字電力孿生體指的是電力實物生產(chǎn)要素即發(fā)電機、變壓器、輸電導(dǎo)線、用電設(shè)備等及其對應(yīng)的模型即虛擬生產(chǎn)要素和數(shù)字孿生數(shù)據(jù)組合起來的聯(lián)合體。數(shù)字孿生數(shù)據(jù)包括從安裝在電力系統(tǒng)中的傳感器或數(shù)控系統(tǒng)收集的物理數(shù)據(jù)、從虛擬模型以及現(xiàn)有的信息系統(tǒng)中讀取的虛擬數(shù)據(jù)，并將這兩部分聯(lián)系在一起。

　　2.2基于北斗的數(shù)據(jù)采集智能終端

　　1)北斗+4G/5G智能數(shù)據(jù)采集終端北斗+4G智能云終端是專門針對無線智能抄表、控表、監(jiān)測而研發(fā)的，可完成對電表數(shù)據(jù)結(jié)合北斗信息的無線傳輸。傳回的每幀數(shù)據(jù)都攜帶有北斗時間和坐標信息，可更為直觀的體現(xiàn)電表的實時情況，也可實時定位設(shè)備位置信息，在設(shè)備異常時，及時做出相應(yīng)處理，把事故消滅在萌芽階段。另外，相較于使用GPRS通訊，4G網(wǎng)絡(luò)具備覆蓋范圍更廣、不易受地形限制、通訊更為穩(wěn)定等特點，且該設(shè)備兼容4G與GPRS網(wǎng)絡(luò)，在有條件的情況下優(yōu)先使用4G網(wǎng)絡(luò)，4G信號弱時切換GPRS，設(shè)備網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)。該產(chǎn)品具有定位精度高、時間精度高、信息傳輸穩(wěn)定、使用簡便等特點。

　　2)北斗短報文通信數(shù)據(jù)采集終端

　　以北斗三號短報文通信為基準，研制北斗導(dǎo)航通信一體機，形成米級定位和1000漢字次或14000比特次的實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰?5。主要應(yīng)用于無4G/5G公網(wǎng)條件下的位置、業(yè)務(wù)等信息采集，以及短報文通信。解決農(nóng)村等偏遠地區(qū)電力數(shù)據(jù)信息的采集。可實現(xiàn)集中抄表、計量、數(shù)據(jù)采集、決策控制、記錄重大計量事件、統(tǒng)計分析、配電變壓器臺區(qū)信息監(jiān)測、電力需求側(cè)負荷測控管理、無功控制、各級漏電保護器遠程測控、雙向互動等功能。

　　2.3數(shù)字孿生平臺的運行模式

　　1)實時監(jiān)測模式：系統(tǒng)采用先進的在線監(jiān)測、傳感器技術(shù)、數(shù)字處理技術(shù)、北斗衛(wèi)星技術(shù)和無線通信技術(shù)通過安裝在電力設(shè)備上的多種傳感器和現(xiàn)場監(jiān)測裝置，遠程在線監(jiān)測、監(jiān)視電力設(shè)備的運行狀態(tài)及設(shè)備周圍的環(huán)境狀況，當電力設(shè)備出現(xiàn)故障或現(xiàn)場發(fā)生異常時(如設(shè)備短路、電纜溫度過高、設(shè)備進水、線纜變形受損、非法闖入等)，裝置能在第一時間自動采集信息，結(jié)合北斗時間及坐標，并向上級遠方監(jiān)控管理中心發(fā)送監(jiān)測信息(數(shù)據(jù)、語音、視頻等)和報警信息，運維人員無需親臨現(xiàn)場，即可通過北斗技術(shù)實時了解設(shè)備的運行狀態(tài)以及異常設(shè)備的地理位置信息，直接對現(xiàn)場進行監(jiān)聽、監(jiān)視，對異常設(shè)備及時做出反應(yīng)，將事故消滅在萌芽狀態(tài)。一類在線監(jiān)測的運行模式。

　　2)故障預(yù)測模式：數(shù)字孿生系統(tǒng)對真實物理系統(tǒng)、設(shè)備或過程具有動態(tài)和持續(xù)更新的能力。利用孿生系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，對可能發(fā)生的故障地點、故障時間、故障類別、故障設(shè)備等進行預(yù)測。

　　3)故障自愈模式：數(shù)字孿生系統(tǒng)對故障恢復(fù)的多個備選方案進行尋優(yōu)計算，從中選擇最優(yōu)自愈方案。該模式需要故障樹和專家系統(tǒng)的支持。

　　3應(yīng)用實例

　　利用北斗精準定位服務(wù)和數(shù)字孿生技術(shù)，構(gòu)建智能電網(wǎng)運維原型平臺。該原型平臺具有設(shè)備管理與在線監(jiān)測、故障預(yù)測與報警、設(shè)備定位、運營分析統(tǒng)計等重點功能。 平臺利用先進的在線監(jiān)測、傳感器技術(shù)、數(shù)字處理技術(shù)、北斗衛(wèi)星技術(shù)和無線通信技術(shù)，可以實現(xiàn)對電網(wǎng)設(shè)備的實時在線監(jiān)測，對其工作狀態(tài)、運行數(shù)據(jù)進行采集、回傳與監(jiān)控;比如，基于北斗的數(shù)據(jù)采集終端，實時采集到設(shè)備信息，通過網(wǎng)絡(luò)或者北斗通信鏈路回傳數(shù)據(jù)，輕松實現(xiàn)對設(shè)備的數(shù)據(jù)監(jiān)控與分析。

　　平臺的故障監(jiān)測與告警功能，實時對故障進行預(yù)報或告警，能夠避免或減輕損失;利用北斗的精準定位技術(shù)，實現(xiàn)對輸電桿塔的監(jiān)測，通過分析其位置的微小變化到達桿塔安全監(jiān)測與告警的目的。平臺的運營分析統(tǒng)計功能，對電網(wǎng)中的設(shè)備信息、用電信息等數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，分析結(jié)果作為平臺控制和運維決策的有力依據(jù)�；�于北斗與數(shù)字孿生技術(shù)的智能電網(wǎng)運維原型平臺，利用北斗和數(shù)字孿生技術(shù)，使得電網(wǎng)運維管理更加智能化，能夠提高了工作效率，降低了運維成本。

　　4北斗數(shù)字電力孿生系統(tǒng)的應(yīng)用前景分析

　　當前，北斗數(shù)字電力孿生系統(tǒng)的應(yīng)用場景主要為以監(jiān)測為主的“碎片化”單點示范工程，隨著大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、人工智能等新一代信息技術(shù)的快速發(fā)展和深度融合，北斗數(shù)字電力孿生系統(tǒng)將更加智慧，同時擁有更廣闊的應(yīng)用前景：

　　1)隨著北斗數(shù)字電力孿生系統(tǒng)的發(fā)展，電網(wǎng)的每臺設(shè)備甚至每個部件都將擁有其對應(yīng)的數(shù)字孿生，并貫穿于全生命周期，使得電網(wǎng)的管理更加精細化，資產(chǎn)利用率和設(shè)備管理水平得以提高，同時所有設(shè)備、部件通過數(shù)字孿生有機整合到一起，能夠更精準地掌握電網(wǎng)的實時狀態(tài)。2)北斗數(shù)字電力孿生系統(tǒng)與人工智能技術(shù)的深度融合勢必會大幅度提升數(shù)字孿生電網(wǎng)的智能化水平，能夠預(yù)測電網(wǎng)的發(fā)展趨勢，自動給出解決方案，為電網(wǎng)的穩(wěn)定運行提供決策支撐。3)隨著數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字孿生城市等其它數(shù)字孿生系統(tǒng)必將得到同步建設(shè)，開放化的孿生電網(wǎng)與其它數(shù)字系統(tǒng)的融合將成為必然趨勢;同時，構(gòu)建數(shù)字孿生系統(tǒng)的成本將顯著降低，北斗數(shù)字電力孿生系統(tǒng)將得到普遍應(yīng)用，與其它數(shù)字孿生系統(tǒng)一起共同為數(shù)字孿生世界提供支撐。綜上所述，隨著技術(shù)的發(fā)展，北斗數(shù)字電力孿生系統(tǒng)的應(yīng)用將變得更加精細化、智能化、開放化、普遍化。

　　結(jié)束語

　　北斗可為電力系統(tǒng)中提供時間和空間基準。在當前電力系統(tǒng)紛紛采用北斗進行精準授時和定位之際，將北斗與數(shù)字孿生技術(shù)相結(jié)合構(gòu)建電力系統(tǒng)運維平臺，不僅具有現(xiàn)實意義，還具有戰(zhàn)略價值。本文以北斗提供的精準時空服務(wù)和數(shù)字孿生技術(shù)的逐步發(fā)展應(yīng)用為前提，提出構(gòu)建基于北斗和數(shù)字孿生技術(shù)的智能電網(wǎng)運維平臺，并對北斗數(shù)字孿生運維平臺總體架構(gòu)、電力系統(tǒng)的數(shù)字孿生體構(gòu)建方法等內(nèi)容進行了討論，提出了理論和方法，并通過原型平臺進行了可行性驗證，最后對北斗數(shù)字電力孿生系統(tǒng)的應(yīng)用前景進行了分析。北斗數(shù)字孿生系統(tǒng)將是未來電網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢。本文主要從總體框架和大體解決方法上進行描述，下一步將針對具體實現(xiàn)方法進行研究。

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　　作者：黃文德張曉飛1,3龐湘萍張利云1,康娟2,3李靖

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