淺談基於數字孿生的配電室關鍵技術研究

摘要：在傳(chuan) 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(chuan) 統配電室難以發揮實際價(jia) 值。在此基礎上，數字孿生配電室關(guan) 鍵技術應運而生，數字孿生配電技術主要依托於(yu) 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(guan) 鍵技術具有節省成本和減少工作量的優(you) 勢，是配電室向智慧數據和感知轉型的重要渠道，鑒於(yu) 此，本文通過對數字孿生的配電室關(guan) 鍵技術進行研究，為(wei) 改變傳(chuan) 統的運行模式、提高工作效率和運維質量提供參考依據。

關(guan) 鍵詞：數字孿生；配電室；關(guan) 鍵技術

0引言

配電室是電網係統的終端，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(chuan) 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(jue) ，隻有出現問題時才能發現故障。數字孿生為(wei) 這些難題的解決(jue) 提供了新途徑。“數字李生"是利用人工智能、傳(chuan) 感和模擬工具等數字化技術，在真實世界和物理實體(ti) 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(ti) 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(cong) 配電機房運行與(yu) 管理的實際需要出發，分析其概念，研究基於(yu) 數字化孿生的配電機房運行與(yu) 管理的技術體(ti) 係與(yu) 核心技術，為(wei) 進一步提升工作效率做鋪墊。

1數字孿生技術內(nei) 涵

“數字孿生"是一種新興(xing) 的信息技術，它將人工智能、傳(chuan) 感器、模擬工具等多種數據有機地結合在一起，從(cong) 而實現實體(ti) 與(yu) 虛擬的交互和傳(chuan) 送。目前，數字孿生技術已被廣泛地用於(yu) 對物體(ti) 狀態和人類行為(wei) 進行監測和預測。“數字孿生電網"對於(yu) 將“數字孿生"技術與(yu) 新型電力係統相結合，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(yu) 信息，提升高維、多層次的“視點"輔助運行能力；實現了電力係統在虛擬與(yu) 真實兩(liang) 個(ge) 空間上的動態實時映射。“數字孿生電網"是基於(yu) “數字孿生"的基礎設施和電網的數字化改造，從(cong) “數字空間"、“人員"和“環境"三個(ge) 層麵，構建“數據驅動、全生命周期"的“數字孿生體(ti) "，提升“數據驅動"的全生命周期以及應用效能。而對於(yu) 配電室而言，在其內(nei) 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，並以數字孿生技術為(wei) 基礎，對其關(guan) 鍵技術要素進行深度挖掘，從(cong) 而為(wei) 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(guan) 鍵技術實現

從(cong) 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(jue) 方案。首先，建立一條信道，以實現與(yu) 物理實體(ti) 之間的信息實時傳(chuan) 遞。其次，基於(yu) 實際數據，建立了一個(ge) 具有較強擬合性的數字孿生模型，並對模型進行了模擬和分析。如果得到的結果與(yu) 需要相匹配，那麽(me) 就可以使用這個(ge) 數字孿生體(ti) ，對其進行輔助決(jue) 策，從(cong) 而有助於(yu) 實現改善產(chan) 品設計、提高生產(chan) 效率等生產(chan) 目標，或者是實現故障診斷與(yu) 預警等維護目標；具體(ti) 的數字孿生技術還體(ti) 現在以下幾個(ge) 層麵。

2.1建模

建模是開展數字孿生研究的前提與(yu) 基礎。與(yu) 傳(chuan) 統的建模相比，數字孿生模型不但要對物體(ti) 的實體(ti) 特性進行精細的3D建模，還要對物體(ti) 的操作特性進行全數字化的仿真，物體(ti) 的材料、操作模式、軟件算法等都歸屬於(yu) 建圍。

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，驗證數字孿生係統是否能夠準確地再現出實體(ti) 的客觀操作規則，以及對實體(ti) 數據的收集是否滿足精度要求；在數字孿生模型中，每個(ge) 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於(yu) 故障診斷、結果預測和故障識別等多方麵的關(guan) 鍵技術。數字孿生所使用的數據具有高密度和低價(jia) 值的特征。由於(yu) 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(cong) 而提高數據傳(chuan) 輸效率。

3數字孿生配電室的係統構架

利用建模的形式構建出一個(ge) 與(yu) 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於(yu) 數據範疇，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、突發幹擾等實時數據的分析、學習(xi) 和計算，實現配電網運行狀態、環境變化、突發幹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(jue) 策和精準執行的目的。同時，該係統還能對配電室中的設備進行壽命分析，並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(guan) 鍵要素與(yu) 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(nei) 設置相應的設備，使機房內(nei) 的主要物性參數盡可能完整，並保證獲取的及時性以及具大的存儲(chu) 空間，以便存儲(chu) 機房整個(ge) 生命周期內(nei) 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(ye) 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(jue) 條件。在技術發展過程中，配電室存在一定的物理特征，為(wei) 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(hui) 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製，導致在智能配電室中按照配電物聯網“雲(yun) -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(nei) 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麵地掌握設備的實際運行情況，並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(yu) 模型之間的關(guan) 係，是實現配電室運行轉台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(ti) 現，可利用該設備實現配變監測、開關(guan) 量采集以及低壓開關(guan) 位置信息采集等功能；在此基礎上，相關(guan) 的工作者要以邊緣計算所提供的數據為(wei) 基礎，對其展開深入調研以及探究，積極做好區域自動控製與(yu) 調節工作。在傳(chuan) 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(guan) 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識別和終端設備控製等手段，能夠*大程度地提升配電室總體(ti) 工作效率。

5數字孿生關(guan) 鍵技術在配電室中的應用

5.1智慧雲(yun) 平台建設

基於(yu) 當前主流微服務開放源代碼架構的“數字孿生"智能雲(yun) 平台，采用分布式、虛擬化、微服務、信息總線等技術，構建一個(ge) 科學合理的大數據收集和分析平台，充分發揮“數字孿生"的技術優(you) 勢，實現對配電室總體(ti) 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(yu) 實體(ti) 設備進行有效地聯係起來，能夠實時地獲取監控係統中所監測到的操作數據信息。智慧雲(yun) 平台的建設能夠將配電室內(nei) 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(yu) 環境的實時管理和控製；全麵的配電環境以及可視化的管理平台可實現配電室係統管理，相關(guan) 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(jin) 如此，相關(guan) 工作人員還可利用手機客戶端來實現數據勘察，沒有時間空間限製，有利於(yu) 第一時間排除配電室的風險隱患。

5.2物聯網智能網關(guan) 技術

物聯網智能網關(guan) 是將物聯網技術應用於(yu) 配電室，通過搭建軟硬件平台，以分布式邊緣計算為(wei) 基礎架構，基於(yu) 硬件資源平台，利用手機終端係統，實現業(ye) 務需求。該智能網關(guan) 是一種集數據融合、邊緣計算於(yu) 一體(ti) 的新型網絡係統，能夠對配電機房的關(guan) 鍵技術節點進行的信息收集和實時監控。配電物聯網是基於(yu) 智能網關(guan) 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(chuan) 統手工操作，減少人為(wei) 操作所帶來的局限性，大大提高工作質量；並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(chuan) 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(chuan) 遞到各個(ge) 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(wei) 以下幾個(ge) 方麵；首先；將全新的配電終端與(yu) 中壓櫃進行有機融合，利用101以及104規約渠道將數據傳(chuan) 輸給智能網關(guan) ，再通過智能網關(guan) 來實現智慧平台數據接收。其次；在中壓櫃中，要利用保護模塊，將數據通過103規約傳(chuan) 遞給智慧平台。*後；中壓櫃沒有任何智能化設備，因此可以在櫃體(ti) 內(nei) 部安裝一個(ge) 智能終端，對每個(ge) 櫃體(ti) 的電氣量和非電能量進行采集，並使用104規約與(yu) 智能網關(guan) 展開通信，智能網關(guan) 將其轉發給智慧雲(yun) 平台。在對中壓部分進行了改造之後，它可以實現對中壓櫃的電壓、電流等電學參數的采集與(yu) 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、櫃體(ti) 溫度等。

（2）低壓：變壓器櫃、進線櫃、補償(chang) 櫃、出線櫃、聯絡櫃以及配電室內(nei) 用電配電箱都屬於(yu) 配電室低壓側(ce) 改造範疇，為(wei) 此，在具體(ti) 的方案設計中，要將SCU作為(wei) 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(guan) 路由模式與(yu) 智慧雲(yun) 平台進行通信。

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係統中安裝網絡攝像頭以及視頻分析主機，對智能網關(guan) 路由進行訪問，從(cong) 而達到HTTP協議與(yu) 智慧雲(yun) 平台的互聯互通。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(chuan) 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。在智能物聯係統中，對綜合監測設備的布線方式主要采用“智能網關(guan) 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(chuan) 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並使用，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，滯後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(guan) 係等重要信息。因此，應合理選取與(yu) 之相匹配的傳(chuan) 感器，並將其安裝於(yu) 配網台區，以確保其對重要數據的全麵采集，並逐漸達到對配網台區實際運行狀況進行全麵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台的重視

由於(yu) 配網台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係統中，這給配網台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(hui) 給後續配電室的運行帶來嚴(yan) 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(yu) 共享，建立專(zhuan) 業(ye) 化的整合與(yu) 共享平台，加強對相關(guan) 工作的規範執行，落實好具體(ti) 工作人員的職責，為(wei) 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

在配網台區數字化孿生的具體(ti) 應用中，為(wei) 使其能夠更好地發揮各種功能，應更多地關(guan) 注其計算分析模式，並將其與(yu) 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，突出其在配網台區數字化孿生中的核心工作內(nei) 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(yu) 創新，建立行之有效的計算與(yu) 分析模型，可以提高我國配電網台區的“數字孿生"技術在我國的應用水平，為(wei) 實現更高的經濟效益奠定基礎。

7安科瑞配電室環境監控係統

7.1概述

配電室綜合監控係統包括智能監控係統屏、通訊管理機、UPS電源、視頻監控子係統（雲(yun) 台球機、槍機）、環境監測子係統（溫度、濕度、水浸、煙感）、控製子係統（燈光、空調、除濕機、風機、水泵）、門禁監控子係統（讀卡器、開門按鈕、磁力鎖）、安防監控子係統（雙鑒檢測器）。

7.2應用場所

適用於(yu) 軌道交通，工業(ye) ，建築，學校，商業(ye) 綜合體(ti) 等35kV及以下用戶端供配電自動化係統工程設計、施工和運行維護。

7.3係統結構

7.4係統功能

7.4.1實時監測

能夠顯示配電室設備的運行狀態，實時監測配電室環境參數信息，實時顯示有關(guan) 故障、告警等信息。

7.4.2數據查詢

在人機界麵中，可以直接查看配電室中各個(ge) 設備的運行數據。

7.4.3曲線查詢

可以直接查看各電參量曲線。

7.4.4運行報表

查詢配電室內(nei) 設備的運行數據報表。

7.4.5實時告警

具有實時告警功能，係統能夠對配電室溫度、濕度、有害氣體(ti) 、設備故障或通信故障等事件發出告警。

7.4.6曆史事件查詢

能夠對產(chan) 生的所有事件記錄進行存儲(chu) 和管理，方便用戶對係統事件和進行曆史追溯、查詢統計、事故分析。 

7.4.7用戶權限管理

設置了用戶權限管理功能，可以定義(yi) 不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限。

7.4.8網絡拓撲圖

支持實時監視並診斷各設備的通訊狀態，能夠完整的顯示整個(ge) 係統網絡結構。

7.4.9遙控功能

可以對整個(ge) 配電係統範圍內(nei) 的設備進行遠程遙控操作。

7.5係統硬件配置

8結束語

綜上所述，在新時代發展背景下，數字孿生技術為(wei) 各個(ge) 領域的發展帶來了全新的機遇和挑戰。從(cong) 電力企業(ye) 角度分析，數字孿生技術的應用對各流程的優(you) 化以及配電效率、質量的提高等都具有現實意義(yi) ；為(wei) 此，在應用數字孿生技術過程中，要合理分析其有效性，確保電力行業(ye) 持續健康發展。

安科瑞侯文莉