2023數字孿生技術在輸變電設備中的關鍵技術

數字孿生技術在輸變電設備中的應用前景與關鍵技術引言勢對于輸變電設備的安全穩(wěn)定運行十分重要[1]。作，ABB[2]、西門子等公司已開發(fā)了一系列前瞻性基

在上述背景下，數字孿生(digitaltwin，DT)技2003年由美國邁克爾·格里夫教授提出，其將數字孿生定義為物3部分。隨后，其被應用于航空航天、智能汽車、飛行器設[9]討論了基于數字孿生的飛行器壽命預測與維護決策；文獻[10]基于數字孿生技術對智能汽車行業(yè)的車輛需求量進行了有效地預測；文獻[11]提出了數字孿生車道的概念，推動了自動駕駛車輛的智能化發(fā)展；文獻[12]提出了一種基于相似性的深度學習時間序列預測方法來實現遙測數據的恢復，進而保證衛(wèi)星數字孿生模型數據來源的可靠性等。對于數字孿生技術在電力行業(yè)的應用，國內外學者也進行了探索研究，文獻[13]分析了數字孿生技術在輸變電設備狀態(tài)評估中的應用現狀，并對其發(fā)展趨勢進行了展望；文獻[14]GIS筒體關鍵部件溫變行為進行了仿真研究；文獻[15]設計了可從低壓側實時監(jiān)測中壓側電壓波形的配電變壓器數字孿生電路等。為使數字孿生技術快速落地應用，不少公司也進行了相關的研究，如美國參數技術公司(ParametricCorporation，PTC)[16]建立了平臺，可以將傳感器實測的數據與軟件ANSYS連接，并建立相應的數字孿生體展示；通用電氣研究院[16]Predix，基于大[16]構建并基于預測優(yōu)化結果干預實體的運行，達到對輸變電裝備全生命周期監(jiān)測與控制的目的。鑒于此，本文從輸變電設備的智能化需求出面向輸變電設備的數字孿生系統(tǒng)架構數字孿生是當前業(yè)界較為關注的一種數字化發(fā)展技術，當前普遍認為其是綜合運用物理感知、數值計算、模擬仿真等信息技術，通過建立與物理并借助數據分析、建模等技術完成對物理實體的監(jiān)測、診斷、預測等，進而通過物理實體與虛擬體之間的交互映射，實現對物理實體行為的優(yōu)化調控，具有可擴展性、保真性、可操作性等特點。模型是數字孿生發(fā)展的理論基礎，在其落地應用中具有指導意義。不少專家對數字孿生的理論模型進行了積13維模型[18]包括真實空間、虛擬空間及其之間的連接，5維模型3維模型的基礎上，增加了孿生數據與服務個維度，豐富了數字孿生的理論內容，受到了業(yè)5維模型變電設備數字孿生系統(tǒng)的應用架構。輸變電設備數字孿生內涵及特征

圖1數字孿生模型Fig.1Digitaltwinmodel型、經驗、數據等進行有效存儲并能實現復用，并需對輸變電設備制造加工流程進行數字化規(guī)劃與監(jiān)測，設備出廠檢驗需采取虛實結合的手段，對其整個過程可實現復現與溯源；交付階段，需將輸變電設備實體與虛擬體均進行交付；運維階段，需實現對輸變電設備運行狀態(tài)的全面感知、實時監(jiān)測、準確評估、精準預測、智能控制，提高其運維效率；報廢階段，結合實際運行研究輸變電設備的使用壽命，對其做出合理的報廢和回收決策。綜上所述，輸變電設備全生命周期中各階段的需求實際上是對輸變電設備數字化跟智能化發(fā)展的需求。數字孿生技術的出現為輸變電設備的智能化跟數字化發(fā)展提供了新的路徑。隨著我國堅強智能電網的建設，輸變電裝備行業(yè)在數據標識[22]、狀態(tài)感知[23-24]、信息通訊[25]、狀態(tài)診斷[26-27]等方面均取得重大突破，為構建輸變電設備數字孿生提供了有利的數據來源和通訊支撐。輸變電設備數字孿生應滿足可監(jiān)測、模擬、計算和控制輸變電設備全生命周期各個階段過程和狀態(tài)的要求，其本質是數據閉環(huán)賦能體系，其通過數據標決策精準執(zhí)行，實現輸變電設備在設計制造、運行維護等過程中的準確模擬、監(jiān)測、診斷、預測和控制，用以解決輸變電設備在設計、制造、交付、運通過虛擬體與物理體信息的實時交互，使得二者之間能及時掌握雙方的變化并做出快速響應，從而提高了輸變電設備全生命周期管理的效率。輸變電設備數字孿生是以能源互聯網數字孿生[28]提機理驅動的仿真計算、數據驅動的智能分析及共享5個階段。首先，基于數字標識、智能感知、全景建模等技術，在數字空間構建與物理實體相匹配的虛擬體，完成數化任務，接著通過感知交互，之后利用動態(tài)模擬、實時診斷等方法精準掌握物理體的真實運行狀態(tài)，隨著感知數據的不斷豐富，對物理體的模擬也不斷精準，從而達到先知、先覺狀態(tài)，再通過知識庫自學習、智能控制等可實現虛擬體對物理體的控制，最后孿生體可達到共智階段，共享信息共同進化，從而完成輸變電裝備數字孿生的構建。

建立相對應的虛擬體，并在數字孿生平臺上以軟件的方式模擬輸變電設備全生命周期的動態(tài)行為，通過云邊協同計算，監(jiān)測并智能控制輸變電設備實體輸變電設備數字孿生系統(tǒng)架構本文在能源互聯網數字孿生理論模型的基礎上，從輸變電設備數字孿生的構建過程出發(fā)，結合輸變電設備的實際應用需求，提出輸變電設備數字孿生構建的系統(tǒng)架構，如圖2所示。輸變電設備數字孿生系統(tǒng)架構是所提出的數字孿生構建過程的實施路徑，是結合當前智能電網架構提出的數字孿生管理框架。5層。其中物理層包含輸變電設備設計、制造、交付、運維及報廢回收等全生命周期所涉及的物理實體，其包括機器、人員、環(huán)境、材料等，是數字孿生的實現基礎。輸變電裝備結構復雜，使得其在設計、制造、運維等過程中的環(huán)境跟狀態(tài)無法在物理空間被準確分析，因此在感知層需基于先進傳感裝置監(jiān)測輸變電設備在其全生命周期中的狀態(tài)及其參量，從而在虛擬空間中融合裝備的設計參數、制造過程參量、在線監(jiān)測數據、環(huán)境數據等數據，并采用仿真建模、大數據計算等對輸變電設備生命周期的各個階段進行研究分析。傳輸層的功能是為其他層級提供數據支撐服務，感知層采集到的物理實體數據通過傳輸層實時傳遞給虛擬層，虛擬層的管理控制指令也可通過傳輸層傳遞給物理層，用以實現物理層跟虛擬層之間的實時交互。虛擬層指的是與物理層中物理實體相對應的虛擬體集合。虛擬層包含數字化建模、仿真計算、大數據分析等功能，該層是基于感知數據圖2輸變電設備數字孿生系統(tǒng)架構Fig.2Digitaltwinsystemarchitectureforpowertransmissionandtransformationequipment結合數字孿生構建過程，基于輸變電設備數字孿生系統(tǒng)架構，給出運維服務中變壓器數字孿生體的實現構想，為輸變電設備數字孿生的實現提供可行的思路。變壓器數字孿生體的實現包括數字建模、虛實互動、機理驅動的仿真計算、數據驅動的智能分53。12階段是[29-30][31]等實現3階段是變壓器的仿真計算，該階段基于已

圖3變壓器智能運維數字孿生體實現架構Fig.3Digitaltwinarchitectureforintelligentoperationandmaintenanceoftransformer知的物理學規(guī)律對變壓器的運行狀態(tài)進行模擬計4階段是變壓器數據智能分析，該階段基于感知數據及仿真數據，采用人工智能等方法對變壓器當前及未來的運行狀態(tài)進行準確評估，實現對變壓器5階段為共享智慧階段，該階段通過人機交互、不同變壓器數字孿生體之間的數據共享從而實現變壓器的智能監(jiān)控、檢修，最終完成變壓器運維數字孿生體的構建。輸變電設備數字孿生關鍵技術[32-33]，本章從輸變電設及的關鍵技術。數字化建模階段數字化建模是實現輸變電設備數字孿生的基礎，這個過程需要將輸變電設備全生命周期中的物理實體表達為計算機能識別的數字模型，從而增強對物理實體的認知，更加清晰地掌握其全生命周期4所示，驅動該過程的可視化技術等。技術等實現對輸變電設備全生命周期物理實體尺可對輸變電設備各部

的構建。除上述的技術外，實現該過程還需要紋理3D虛實感知互動階段感知互動是實現輸變電設備物理空間與虛擬5所輸變電設備虛實空間交互的數據基礎是其全裝置進行圖4數字建模階段的關鍵技術Fig.4KeyTechnologiesofdigitalmodeling先進傳感技術先進傳感技術MEMS…… 感知 互動……存儲技術圖5虛實互動階段的關鍵技術Fig.5Keytechnologiesintheinteractivephaseofvirtualrealityperception了大量研究并取得了豐碩的成果，推動了輸變電設[39]是通過調整通信網中的各種信號使之協同工作的技術，包括對輸變電虛擬空間與物理空間模型的同步及信息傳輸中網絡、節(jié)點、信道的同步等，基于該技術可確保信息傳輸的實時性與準確性，保障了輸變電設備虛實空[40]能夠屏蔽不同類型的數據和模型格式，從而促進數據跟模型之間的快速流動、交互及集成，進而實現輸變電設備全生命周期中各環(huán)節(jié)的虛擬體間的溝通與融合。該技術包含正向數字線程技術和逆向數字線程技術兩大類，正向數字線程技術以基于模型的系統(tǒng)工程技術(model-basedsystemsengineering，MBSE)為代表，逆向數字線程技術以管理殼技術為代表，數字線程技術提升了輸變電設備虛實空間的交互速度。傳輸技術[41]指利用不同信道的傳輸能力構成完整的傳輸系統(tǒng)，使輸變電設備全生命周期的信息得以可靠傳輸，其包含有線傳輸跟無線傳輸兩種方式，隨著計算機技術、電子技術的快速發(fā)展，目前無線傳輸的應用更為廣泛，無線傳輸技術有5G、藍牙、ZigBeeNFCWIFI[42]是對輸變電設備全生命周期信息的管理、保護及儲存，其是存儲介質、存儲架構、存儲協議等多層次技術的集合。智能化的數據存儲方法可對輸變電設備運行中的海量、異構、多源等數據有效存儲，進而滿足輸變電設備虛實空間交互的數據需求，當前大數據NewSQLNoSQL數據庫存儲等。除上述技術外，該階段網絡安全技術等。機理驅動的仿真計算階段機理驅動的仿真計算是輸變電設備數字孿生6所示，驅動該過程的關鍵技術包括數值數值仿真技術[43]是運用仿真硬件和軟件并通CAE

模型降階技術模型降階技術特征正交分解動力模態(tài)分解全局穩(wěn)定性分析 模型融合技術增量模型 螺旋模演化模型……模型進化技術……模型校核驗證確認技術可信性驗證 一致性驗證靜態(tài)分析動態(tài)測試……其他支撐技術圖6機理驅動的仿真計算階段的關鍵技術Fig.6Keytechnologyofmechanism-drivensimulation機械等設計步驟的優(yōu)化、設備設計方案合理性的模擬及設計進度的展示等；在其制造階段，可通過對其生產制造流水線、規(guī)劃、物流、服務等過程的仿真及優(yōu)化，實現輸變電設備的智能制造；在運維階段，基于輸變電設備運行機理，結合運行感知數據及多物理場仿真技術，可實現對其當前運行狀態(tài)的仿真及未來運行狀態(tài)的預測，輔助現場運維人員檢[44]是指將隨時間變化的多維物理過程進行低維的近似描述，在滿足計算精度要求的前提下使得仿真結果達到最優(yōu)化，從而降低計算維度、減少計算量并節(jié)省仿真計算時間。常用的降價方法有特征正交分解法(properorthogo-nal(dynamicmodedecomposition，DMD)，全局穩(wěn)定性分析等。模型是仿真計算的核心，模型的準確度直接影響仿真結果的可信度，仿真模型校核技術是用于確定仿真模型是否能滿足開發(fā)者的要求，模型驗證技術是為了確定仿真模型對其代表的真實系統(tǒng)描述的精準程度，模型確認技術是為了確定所建的仿真模型是否適合某一特定的應用[45][46]是在已建好的數字模型基礎上，通過仿真計算得出當前運行中存在的問題，并對其進行改進優(yōu)化，提高仿真的準確性。常用的方法包括超參數優(yōu)化、進化尋[47]可集合輸變電設備全生命周計算技術等支撐。數據驅動智能分析階段數據驅動智能分析階段的主要任務是在信息7所示，驅動該階段的關鍵技術包括數據預處理技術[48]是運用機器學習等方法改[49]–是對數據進行刪除—修改—再插入的過程，隨著數據的不斷更新與迭代，使得數據庫不斷豐富，進而推動智能分析模型的準確率不斷提升。實現的方法有單行數據插入、子查詢DataAdapter

并基于人工智能分析對其之后的運行狀態(tài)進行預警的技術，基于該技術運行人員可提前掌握輸變電設共享智慧階段共享智慧階段是輸變電設備數字孿生構建的8所示，驅動該過程的技術包括人機交??圖7數據驅動的智能分析階段的關鍵技術Fig.7Keytechniquesofdata-drivenintelligentanalysis…………虛擬化技術分布式存儲分布式資源管理云計算技術圖8共享智慧階段的關鍵技術Fig.8Keytechnologiesinthesharedintelligencestage人機交互技術[54][55]作為數據服務中心，是通過虛擬化技術構建的，也是共享智慧階段的核心技術，目前其包含分布式存儲、虛擬化技術、分布式資源管理、編程模型及智能管理平臺等核心技術。分布式存儲采用可擴展的系統(tǒng)架構，用于將大量服務器集合為一臺計算機，并提供[56]是一種在軟件中模擬硬件，以虛擬資源為用戶提供服務的計算形式，其旨在合理調配計算機資源；分布式資源管理是在多點并發(fā)執(zhí)行環(huán)境時，保證各節(jié)點狀態(tài)的同步，并在單個節(jié)點出現故障時，通過機制保證其他節(jié)點不受影響的技術；編程模型是用于數據集的并行運算和并行任務的調度處理；智能管理平臺具有高效調配大量服務器資源，使其更好協同工作的能力，云計算通過上述核心技術，將分散的節(jié)點有效地整合起來，組件成大規(guī)模集群，在提升資源的利用率同時提供強大的計算性能，為數字孿生智[57]是為了解決由于用戶或設備移動性導致的服務質量降低和服務中斷問題而提出的，其實現需要考慮網絡延遲、遷移開銷等服務遷移指標，實現的方法有馬爾科夫決策方法、同構遷移學習、監(jiān)督遷移學習等。服務封裝技術[58]是隱藏所開發(fā)服務的屬性和實現細節(jié)，僅對外公開接口，控制在程序中屬性的讀和修改的Agent封裝技術、Jini封裝技Portalet數字孿生技術在輸變電設備中的應用展望及挑戰(zhàn)應用展望

制造、交付、運維、報廢與回收階段[21]。對設備制造過程跟裝配工藝等進行模擬分析，仿真不同生產條件、工序情況下的設備制造效率，進而實現對設備制造生產線的優(yōu)化。同時基于采集的生文檔、模型及所對應的標準化格式隨物理實體一起提交給用戶，實現物理與數字設備的雙交付，滿足用戶對于設備透明數據的需求，從而提高輸變電設備的運行可靠性。的智能化發(fā)展?？刹鸾馄淞悴考瑢苫厥盏馁Y源及可能會污染的物質進行有效處理，同時完善回收工藝及流程，提高資源的利用率，降低設備回收的成本。用戶可通過對不同廠家設計、制造設備對應的虛擬體進行質量評估與選擇，從而引導企業(yè)從底層提高設備生產質量，促進設計制造行業(yè)的良性競爭，提升設備的生產制造水平。輸變電設備數字孿生實現了物理體到虛擬體的實時映射，使得輸變電設備全生命周期的歷史數據、運行感知數據、仿真數據等均完整記錄，促進了設備故障、異常狀態(tài)的溯源追蹤監(jiān)測，同時通過對設備的服役特性研究，可準確地對其退役時間進行推測，實現資源的有效利用，降低對運行人員的需求，提高設備的運維效率。數字孿生技術的應用也會推動輸變電設備供需市場的變革，用戶對設備的需求不只局限于物理體，還包括其對應的虛擬體，因此設備供應企業(yè)還需注重