浅谈基于数字孪生的配电室关键技术研究

jf_02920733 2023-12-22 543

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盛丽萍

安科瑞电气股份有限公司上海嘉定 201801

摘要：在传统配电室的应用过程中，受环境、运维以及管理等外界因素的影响，导致传统配电室难以发挥实际价值。在此基础上，数字孪生配电室关键技术应运而生，数字孪生配电技术主要依托于孪生全景三维建模技术，构建配电室及配电设备的三维全景虚拟模型；再根据其中数据对此进行建模，掌握和操控配电室的运行状态。数字孪生配电室关键技术具有节省成本和减少工作量的优势，是配电室向智慧数据和感知转型的重要渠道，鉴于此，本文通过对数字孪生的配电室关键技术进行研究，为改变传统的运行模式、提高工作效率和运维质量提供参考依据。

关键词：数字孪生；配电室；关键技术

0引言

配电室是电网系统的终端，它是分布*广的电力设施之一，对电能的输送和分配起着非常重要的作用。传统的配电室管理都是采用人工巡查和定时检查的方式进行，导致了配电室中的安全隐患得不到及时解决，只有出现问题时才能发现故障。数字孪生为这些难题的解决提供了新途径。“数字李生”是利用人工智能、传感和模拟工具等数字化技术，在真实世界和物理实体之间通过平行交互、精确映射和虚实迭代的一种新的方法。数字孪生技术能够对真实环境中的实体进行监测、诊断和预测，本课题在分析数字化李生技术特性的基础上，从配电机房运行与管理的实际需要出发，分析其概念，研究基于数字化孪生的配电机房运行与管理的技术体系与核心技术，为进一步提升工作效率做铺垫。

1数字孪生技术内涵

“数字孪生”是一种新兴的信息技术，它将人工智能、传感器、模拟工具等多种数据有机地结合在一起，从而实现实体与虚拟的交互和传送。目前，数字孪生技术已被广泛地用于对物体状态和人类行为进行监测和预测。“数字孪生电网”对于将“数字孪生”技术与新型电力系统相结合，通过虚拟现实的互动，逐步激活电网、装备等多源数据，深度挖掘数据资源与信息，提升高维、多层次的“视点”辅助运行能力；实现了电力系统在虚拟与真实两个空间上的动态实时映射。“数字孪生电网”是基于“数字孪生”的基础设施和电网的数字化改造，从“数字空间”、“人员”和“环境”三个层面，构建“数据驱动、全生命周期”的“数字孪生体”，提升“数据驱动”的全生命周期以及应用效能。而对于配电室而言，在其内部使用数字孪生技术，可以有效地提高配电室的运营和管理效率，并以数字孪生技术为基础，对其关键技术要素进行深度挖掘，从而为提高配电室的运营和维修水平提供新思路。

2数字孪生的关键技术实现

从基本的层次化思想出发，归纳了数字孪生技术在实际应用中的通用解决方案。首先，建立一条信道，以实现与物理实体之间的信息实时传递。其次，基于实际数据，建立了一个具有较强拟合性的数字孪生模型，并对模型进行了模拟和分析。如果得到的结果与需要相匹配，那么就可以使用这个数字孪生体，对其进行辅助决策，从而有助于实现改善产品设计、提高生产效率等生产目标，或者是实现故障诊断与预警等维护目标；具体的数字孪生技术还体现在以下几个层面。

2.1建模

建模是开展数字孪生研究的前提与基础。与传统的建模相比，数字孪生模型不但要对物体的实体特性进行精细的3D建模，还要对物体的操作特性进行全数字化的仿真，物体的材料、操作模式、软件算法等都归属于建模范围。

2.2模拟

模拟是对数字孪生模型进行验证的重要手段。通过模拟验证，验证数字孪生系统是否能够准确地再现出实体的客观操作规则，以及对实体数据的收集是否满足精度要求；在数字孪生模型中，每个步骤的进展都离不开模拟结果支持。

2.3处理数据

海量数据的高效采集是数字孪生技术应用的前提，也是实现数字孪生技术应用于故障诊断、结果预测和故障识别等多方面的关键技术。数字孪生所使用的数据具有高密度和低价值的特征。由于数字孪生技术对时间的要求很高，这就要求在更高层次上采用更高层次的算法来实现数据的实时处理，从而提高数据传输效率。

3数字孪生配电室的系统构架

利用建模的形式构建出一个与现实配电室完全相同的3D模拟配电室，将其采集的数据融入至模拟配电室中，其中电流、电压、温湿度以及监控和设备报警装置都属于数据范畴，利用虚拟配电室模型可以随时随地查看设备的运行情况以及状态。通过对配电网运行状态、环境变化、突发干扰等实时数据的分析、学习和计算，实现配电网运行状态、环境变化、突发干扰等数据和模拟结果的充分互动和深度融合，达到数据感知、实时分析、智能决策和精准执行的目的。同时，该系统还能对配电室中的设备进行寿命分析，并能对配电室中的设备进行寿命管理。

4配电室数字孪生的关键要素与功能

4.1要素

（1）提供精准数据：配电室的各种数据是实现数字孪生的前提和依据，需要在机房内设置相应的设备，使机房内的主要物性参数尽可能完整，并保证获取的及时性以及具大的存储空间，以便存储机房整个生命周期内的数据。采集装置、网络通道要稳定、可靠，才能保证所采集到的数据的真实性和准确性；此外，还要强化对业务过程的管理，以保证档案类数据的详细、准确。

（2）对建模进行科学合理化分析：配电室数字孪生核心功能包括检测、诊断、预测等等，而科学合理地分析模型是实现以上前提的先决条件。在技术发展过程中，配电室存在一定的物理特征，为确保模型的科学有效性，还需根据以往的各类及时数据来进行深入研究，确保多元化的因素不会对其模型构建造成阻碍。

（3）边缘计算能力：受配电室数量因素的限制，导致在智能配电室中按照配电物联网“云-管-边-端”的构架设计流程，确保设备边缘计算能力可以发挥*大程度作用，以实现对配电室内各种运行状态数据的采集和接入目的。这样的运行方式可以帮助维护人员全面地掌握设备的实际运行情况，并能及时地做出预警和处理，减少现场维护人员的工作量，提高维护效率，保证供电的可靠性。

4.2功能

在配电室中应用数字孪生技术，能够通过建模的方法，精准掌握数据与模型之间的关系，是实现配电室运行转台监管和综合性管理的主要途径。物联网机构终端是配电室运行状态的重要体现，可利用该设备实现配变监测、开关量采集以及低压开关位置信息采集等功能；在此基础上，相关的工作者要以边缘计算所提供的数据为基础，对其展开深入调研以及探究，积极做好区域自动控制与调节工作。在传统的配电室中存在着诸多问题，比如缺少巡视记录、人工操作继续以及缺乏相关工作资料等等，而数字孪生技术的应用可强化机器人巡检，AI识别和终端设备控制等手段，能够*大程度地提升配电室总体工作效率。

5数字孪生关键技术在配电室中的应用

5.1智慧云平台建设

基于当前主流微服务开放源代码架构的“数字孪生”智能云平台，采用分布式、虚拟化、微服务、信息总线等技术，构建一个科学合理的大数据收集和分析平台，充分发挥“数字孪生”的技术优势，实现对配电室总体运行状况的直观、真实地展示。因配电室和配电设备主要采用的是三维全景虚拟模型，所以能够将数字模型与实体设备进行有效地联系起来，能够实时地获取监控系统中所监测到的操作数据信息。智慧云平台的建设能够将配电室内的环境、扰动状况、运行设备等实时数据和仿真情况相结合，实现配电网设备与环境的实时管理和控制；全面的配电环境以及可视化的管理平台可实现配电室系统管理，相关工作人员可根据数字孪生配电室所提供的资料信息来完成数据感知，不仅如此，相关工作人员还可利用手机客户端来实现数据勘察，没有时间空间限制，有利于第一时间排除配电室的风险隐患。

5.2物联网智能网关技术

物联网智能网关是将物联网技术应用于配电室，通过搭建软硬件平台，以分布式边缘计算为基础架构，基于硬件资源平台，利用手机终端系统，实现业务需求。该智能网关是一种集数据融合、边缘计算于一体的新型网络系统，能够对配电机房的关键技术节点进行全方位的信息收集和实时监控。配电物联网是基于智能网关的，它可以帮助提高工作人员的工作效率，用智能化和信息化的方式替代传统手工操作，减少人为操作所带来的局限性，大大提高工作质量；并且可以对配电房的工作状态进行全天候的实时跟踪和监控。

5.3通信拓扑

消息列队遥测传输协议是配电物联网通信拓扑的主要表现形式，它的主要职责是将通信协议传递到各个设备端口，在低宽带以及网络不稳定的环境下，还可以实现良好的服务效果。这种运行模式在保证设备运行速度快、互联互通的前提下，保证设备的精细化管理。

5.4配电室中压部分以及低压部分改造方案

（1）中压：根据目前我国用户配电是现状分析得知，中压部分的改造方案可被分为以下几个方面；首先；将全新的配电终端与中压柜进行有机融合，利用101以及104规约渠道将数据传输给智能网关，再通过智能网关来实现智慧平台数据接收。其次；在中压柜中，要利用保护模块，将数据通过103规约传递给智慧平台。*后；中压柜没有任何智能化设备，因此可以在柜体内部安装一个智能终端，对每个柜体的电气量和非电能量进行采集，并使用104规约与智能网关展开通信，智能网关将其转发给智慧云平台。在对中压部分进行了改造之后，它可以实现对中压柜的电压、电流等电学参数的采集与监控，也可以实现对非电学参数的采集，如局放、电缆接头温度、柜体温度等。

（2）低压：变压器柜、进线柜、补偿柜、出线柜、联络柜以及配电室内用电配电箱都属于配电室低压侧改造范畴，为此，在具体的方案设计中，要将SCU作为通信和边缘处理中心，利用MQTT通信协议或104规约，通过智能网关路由模式与智慧云平台进行通信。

5.5设计联动方案

联动方案的设计，主要是将配电室环境、视频以及安防联动进行有机地结合起来，通过在配电室视频监控系统中安装网络摄像头以及视频分析主机，对智能网关路由进行访问，从而达到HTTP协议与智慧云平台的互联互通。一般来说，配电室环境监控的重点是对配电室的温度、湿度等信息进行监控，通过传感器和智能物联装置之间的实时通信来加强动态，现场联动的效果。在智能物联系统中，对综合监测设备的布线方式主要采用“智能网关路由”方式。

6配电室中应用数字孪生技术的主要注意事项

6.1强化配套传感装置的推广

在现代化发展的背景下，智能电表被广泛地普及并使用，它可以对电力用户的用电信息进行实时监控，还可以对配电变压器电流及电压等重要参数进行渗透。在现阶段的电力信息获取中，滞后性的存在导致不能获得准确的分支线路电流、配电变压器触头温度以及户外变压器拓扑关系等重要信息。因此，应合理选取与之相匹配的传感器，并将其安装于配网台区，以确保其对重要数据的全面采集，并逐渐达到对配网台区实际运行状况进行全面反映和分析的工作状态标定。

6.2提高对搭建多维度融合数据平台的重视

由于配网台区的文件数据具有高度的分散性，且大多分散在各种设备和金融信息系统中，这给配网台区的数字孪生计算和分析带来了一定的困难，如数据不准确，则会给后续配电室的运行带来严重影响，导致在实际应用中的效率呈现下降趋势。因此，要加强对多维数据的整合与共享，建立专业化的整合与共享平台，加强对相关工作的规范执行，落实好具体工作人员的职责，为在配电网区实现“数字孪生”技术的有效运用贡献力量。

6.3深度研究计算分析模式，加大开发力度

在配网台区数字化孪生的具体应用中，为使其能够更好地发挥各种功能，应更多地关注其计算分析模式，并将其与现实状况和各种数据资料相结合，建立特定的运算分析模式框架，突出其在配网台区数字化孪生中的核心工作内容。在新时代发展的大背景下，人工智能、物联网、大数据等多种前沿科技在我国得到了广泛的应用与创新，建立行之有效的计算与分析模型，可以提高我国配电网台区的“数字孪生”技术在我国的应用水平，为实现更高的经济效益奠定基础。

7安科瑞配电室环境监控系统

7.1概述

配电室综合监控系统包括智能监控系统屏、通讯管理机、UPS电源、视频监控子系统（云台球机、枪机）、环境监测子系统（温度、湿度、水浸、烟感）、控制子系统（灯光、空调、除湿机、风机、水泵）、门禁监控子系统（读卡器、开门按钮、磁力锁）、安防监控子系统（双鉴检测器）。

7.2应用场所

适用于轨道交通，工业，建筑，学校，商业综合体等35kV及以下用户端供配电自动化系统工程设计、施工和运行维护。

7.3系统结构

7.4系统功能

7.4.1实时监测

能够显示配电室设备的运行状态，实时监测配电室环境参数信息，实时显示有关故障、告警等信息。

7.4.2数据查询

在人机界面中，可以直接查看配电室中各个设备的运行数据。

7.4.3曲线查询

可以直接查看各电参量曲线。

7.4.4运行报表

查询配电室内设备的运行数据报表。

7.4.5实时告警

具有实时告警功能，系统能够对配电室温度、湿度、有害气体、设备故障或通信故障等事件发出告警。

7.4.6历史事件查询

能够对产生的所有事件记录进行存储和管理，方便用户对系统事件和进行历史追溯、查询统计、事故分析。

7.4.7用户权限管理

设置了用户权限管理功能，可以定义不同级别用户的登录名、密码及操作权限。

7.4.8网络拓扑图

支持实时监视并诊断各设备的通讯状态，能够完整的显示整个系统网络结构。

7.4.9遥控功能

可以对整个配电系统范围内的设备进行远程遥控操作。

7.5系统硬件配置

名称	型号	图片	功能
系统	ACREL-2000E		Acrel-2000E配电室综合监控系统，可实现开关柜运行监控、高压开关柜带电显示、母线及电缆测温监测、环境温湿度监测、有害气体监测、安防监控，可对灯光、风机、除湿机、空调控制等设备进行联动控制。实现动力环境各数据的检测与设备控制，优化动力环境，避免运行环境的失控导致配电设备运行故障，保证维护人员安全，延长设备使用寿命，实现配电动力环境的分布式远程管理。
智能通信管理机	Anet-2E4SM		通用网关，2路网口，4路RS485，可选配1路LORA，带电告警功能，支持485，4G从模块扩展。
主机	Acrel-2000E/A		数据采集、状态监测、设备控制、报警事件记录查询，可以根据采集到的设备数据或状态联动启动风机、声光报警器、空调、水泵等设备。
	Acrel-2000E/B		参数设置、通信管理、图形绘制、状态监测、设备控制、视频监控和回放、报警事件记录查询、报警图片和视频查询功能。
	Acrel-2000E/M		参数设置、通信管理、图形绘制、状态监测、设备控制、视频监控和回放、报警事件记录查询、报警图片和视频查询功能。立柜式安装。
	Acrel-2000E/G		参数设置、通信管理、图形绘制、状态监测、设备控制、视频监控和回放、报警事件记录查询、报警图片和视频查询功能。立柜式安装
环境监测硬件	RS-WS-NO1-8		用于配电房温度和湿度。工作电源：AC/DC85～265V工作温度：-40.0℃～99.9℃工作湿度：0%RH～99%RH
	BRJ-307		光电式烟雾传感;电源正极（DC12V）：+12V，继电器输出：常开触点
	RS-SJ-N01R01-2		接触式水浸传感器，监测变电所、电缆沟、控制室等场所积水情况，工作电源：DC10-30V工作温度：-20℃~+60℃工作湿度：0%RH~80%RH响应时间：1s继电器输出：常开触点
环境监测硬件	T35-II-5.6		风量4800，带温控器，带消声段，电机变频
	AT8002		常开型；感应距离：30-50mm材质：锌合金，银灰色电度干接点输出
	DS-2DC6120BY-A		视频监控
	ARTU-KJ8		8路开关量输入,8路继电器输出