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隨著經(jīng)濟(jì)社會數(shù)字化轉(zhuǎn)型的持續(xù)推進(jìn)，數(shù)字孿生逐漸成為產(chǎn)業(yè)各界關(guān)注的熱點(diǎn)技術(shù)。數(shù)字孿生起源航天軍工領(lǐng)域，近年來持續(xù)向智能制造、智慧城市等垂直行業(yè)拓展，讓數(shù)據(jù)信息、場景變得流程化、可視化、立體化，有效地促進(jìn)數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展。
數(shù)字孿生（Digital Twin）又稱數(shù)字映射，是物理實(shí)體的數(shù)字版“克隆體”，它是對實(shí)體對象的動(dòng)態(tài)仿真，含有“全生命周期實(shí)時(shí)/準(zhǔn)實(shí)時(shí)”“雙向交互”的特征。
圖1 物理實(shí)體與數(shù)字孿生體
近年來，國內(nèi)外在電力數(shù)字孿生建設(shè)方面進(jìn)行了工程實(shí)踐。本文節(jié)選自《新型電力系統(tǒng)數(shù)字孿生技術(shù)及實(shí)踐》，簡單介紹一些具有代表性的案例，覆蓋配電網(wǎng)、變電站等領(lǐng)域，其中，配電網(wǎng)屬于系統(tǒng)級數(shù)字孿生，而變電站屬于設(shè)備級數(shù)字孿生。
新加坡國家電網(wǎng)數(shù)字孿生
一、項(xiàng)目介紹
新加坡首個(gè)電網(wǎng)數(shù)字孿生項(xiàng)目是以建設(shè)一個(gè)更光明、更可持續(xù)的未來能源系統(tǒng)為目標(biāo)，電網(wǎng)數(shù)字孿生的建立將有助于增強(qiáng)新加坡的電網(wǎng)韌性，確保電網(wǎng)的可靠性，并支持更清潔能源的應(yīng)用。該項(xiàng)目由新加坡的能源市場管理局（EMA）、新加坡電網(wǎng)公司（SP）以及科學(xué)和技術(shù)政策和計(jì)劃辦公室(S&TPPO)共同支持。
二、實(shí)施方案
新加坡電網(wǎng)數(shù)字孿生將包括兩個(gè)數(shù)字孿生體。
（1）電網(wǎng)資產(chǎn)數(shù)字孿生
電網(wǎng)資產(chǎn)數(shù)字孿生的目的是優(yōu)化SP的電網(wǎng)資產(chǎn)（如變電站、變壓器、開關(guān)設(shè)備和電纜）的規(guī)劃、運(yùn)行和維護(hù)。電網(wǎng)資產(chǎn)孿生體能夠遠(yuǎn)程監(jiān)控和分析資產(chǎn)的狀況和性能，并及早識別電網(wǎng)運(yùn)營中的潛在風(fēng)險(xiǎn)，這使得SP能夠明智地做出相應(yīng)的更新和維護(hù)計(jì)劃。電網(wǎng)資產(chǎn)數(shù)字孿生由EMA資助，由SP和南洋理工大學(xué)（NTU）聯(lián)合承擔(dān)的5個(gè)研究課題，并由SP-NTU聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)電力資產(chǎn)管理和電網(wǎng)運(yùn)行等項(xiàng)目的研發(fā)。該聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室是SP和南洋理工大學(xué)于2020年聯(lián)合成立的機(jī)構(gòu)。
（2）電網(wǎng)數(shù)字孿生
電網(wǎng)數(shù)字孿生項(xiàng)目的目的是評估電動(dòng)汽車、分布式能源對電網(wǎng)的影響，使用一種稱為多能系統(tǒng)建模（Multi Energy System Modelling & Optimisation ，MESMO) 的先進(jìn)軟件框架來建立。MESMO是新加坡集成交通能源模型項(xiàng)目（Singapore Integrated Transport Energy Model，SITEM)采用的主要仿真技術(shù)。電網(wǎng)數(shù)字孿生能夠?yàn)镾P提供分布式能源、新型負(fù)荷對電網(wǎng)影響的評估并分析在不同場景下所需的電網(wǎng)提升措施。電網(wǎng)數(shù)字孿生是新加坡科技研究局（A*STAR）的科學(xué)署（Agency for Science）的高性能計(jì)算研究所（Institute of High Performance Computing ，IHPC）和它的技術(shù)合作伙伴TUMCREATE Ltd共同開發(fā)的。該項(xiàng)目由公共部門科學(xué)部（Public Sector Science）資助。
三、實(shí)施效果
電網(wǎng)數(shù)字孿生全面部署后，將為SP更好地規(guī)劃、運(yùn)行和維護(hù)電網(wǎng)從而更有效地進(jìn)行實(shí)際工作提供有效支撐。電網(wǎng)數(shù)字孿生的主要好處包括改進(jìn)電網(wǎng)規(guī)劃分析和電網(wǎng)資產(chǎn)的遠(yuǎn)程監(jiān)測，從而在進(jìn)行設(shè)備檢修時(shí)節(jié)省人力資源。由于電網(wǎng)數(shù)字孿生提供了一個(gè)更全面準(zhǔn)確的電網(wǎng)模型，有助于針對不同需求進(jìn)行合理的電網(wǎng)規(guī)劃，適應(yīng)電動(dòng)汽車充電設(shè)施、太陽能光伏系統(tǒng)和儲能系統(tǒng)廣泛接入后的各種運(yùn)行情況。
雄安變電站數(shù)字孿生
一、項(xiàng)目介紹
針對雄安新區(qū)電網(wǎng)設(shè)備規(guī)?？焖僭鲩L，傳統(tǒng)運(yùn)檢模式下需要配置大量運(yùn)檢人員的問題，雄安新區(qū)建設(shè)了變電站數(shù)字孿生，利用實(shí)時(shí)感知數(shù)據(jù)和三維展示技術(shù)，構(gòu)建了變電站數(shù)字孿生，實(shí)現(xiàn)了變電站遠(yuǎn)程巡檢、在線診斷和全壽命周期管理。該系統(tǒng)已在220kV劇村變電站投入應(yīng)用。
二、實(shí)施方案
雄安新區(qū)變電站數(shù)字孿生采用了4層架構(gòu)：感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層、應(yīng)用層，如圖2所示。
感知層（變電站端）采用標(biāo)準(zhǔn)化傳感技術(shù)，對變電站主設(shè)備及環(huán)境量進(jìn)行全面采集，從而實(shí)現(xiàn)變電站主設(shè)備狀態(tài)和環(huán)境全面感知。感知層由各類物聯(lián)網(wǎng)傳感器和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成，分為傳感器層與數(shù)據(jù)匯聚層兩部分，實(shí)現(xiàn)傳感信息采集和匯聚。
網(wǎng)絡(luò)層由電力無線專網(wǎng)、電力APN通道、電力光纖網(wǎng)等通信通道及相關(guān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成，為電力設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)提供高可靠性、高安全性、高帶寬的數(shù)據(jù)傳輸通道。
平臺層利用公司一體化“國網(wǎng)云”、全業(yè)務(wù)統(tǒng)一數(shù)據(jù)中心、物聯(lián)管理中心等平臺實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享交互。物聯(lián)管理平臺實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)各類傳感器及網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)裝備的管理、協(xié)調(diào)與監(jiān)控，承擔(dān)數(shù)據(jù)獲取、狀態(tài)分析和實(shí)時(shí)預(yù)警等任務(wù)，對物聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算算法進(jìn)行遠(yuǎn)程配置，實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的開放式接入和海量數(shù)據(jù)存儲。
應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)視、統(tǒng)計(jì)分析、三維視頻融合、作業(yè)管理、虛擬巡視、模擬演練等功能。這些功能被融合在全景監(jiān)視、統(tǒng)計(jì)分析、環(huán)境監(jiān)視、作業(yè)管理、缺陷管理、實(shí)時(shí)告警、設(shè)備管理、技術(shù)監(jiān)督８個(gè)子模塊中，如圖2所示。
雄安新區(qū)變電站數(shù)字孿生通過多維感知、遠(yuǎn)程巡檢來獲取變電站運(yùn)行數(shù)據(jù)；采用統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型SG-CIM實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合；應(yīng)用大數(shù)據(jù)分析、人工智能技術(shù)等技術(shù)建立模型；通過三維圖形引擎、3Ｄ GIS對變電站狀態(tài)進(jìn)行直觀展示。
圖2 雄安變電站數(shù)字孿生架構(gòu)
三、功能和效益
雄安新區(qū)劇村變電站的數(shù)字孿生具有三維建模功能，三維可視化展示效果良好。數(shù)字孿生可對變電站設(shè)備和運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行全方位三維展現(xiàn)，并可以推演天氣變化趨勢。數(shù)字孿生展現(xiàn)變電設(shè)備、作業(yè)人員、巡檢機(jī)器人、巡檢無人機(jī)的地理位置，實(shí)現(xiàn)對上述設(shè)備、設(shè)施和人員的快速定位；根據(jù)設(shè)計(jì)的智能巡檢路線，對巡檢機(jī)器人和無人機(jī)進(jìn)行三維可視化導(dǎo)航，實(shí)現(xiàn)快捷路徑設(shè)置便于高效作業(yè)。
劇村變電站的數(shù)字孿生，基于大數(shù)據(jù)和人工智能算法，實(shí)現(xiàn)平臺與機(jī)器人巡檢系統(tǒng)對接，實(shí)時(shí)調(diào)取巡檢任務(wù)，在數(shù)字孿生變電站內(nèi)直觀展示機(jī)器人巡檢路線，對接機(jī)器人實(shí)時(shí)畫面和熱成像畫面。通過虛擬巡檢與站端機(jī)器人“空地結(jié)合”的巡檢方式，可以真正實(shí)現(xiàn)對室內(nèi)變電站設(shè)備的全面檢測。采用先進(jìn)的ＡＩ攝像頭，通過對設(shè)備進(jìn)行圖像識別，自動(dòng)對圖像進(jìn)行智能分析，可精確分析設(shè)備狀態(tài)、作業(yè)操作動(dòng)態(tài)、周邊環(huán)境狀況等。通過構(gòu)建三維數(shù)字孿生場景和設(shè)備的高精度內(nèi)外部結(jié)構(gòu)模型，開發(fā)設(shè)備部件級拆解系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備檢修過程仿真、設(shè)備部件信息仿真、設(shè)備拆解演練仿真、仿真設(shè)備知識講解。
基于變電站數(shù)字孿生的運(yùn)維模式，可有效提升設(shè)備運(yùn)維精益化管理水平，減少現(xiàn)場作業(yè)頻度，降低現(xiàn)場作業(yè)誤操作風(fēng)險(xiǎn)；通過對設(shè)備狀態(tài)的精準(zhǔn)評估，可延長設(shè)備壽命周期，實(shí)現(xiàn)資產(chǎn)增值。
數(shù)字孿生技術(shù)作為一種前沿技術(shù)，從起源階段到發(fā)展階段，逐漸滲透到各行各業(yè)，包括電力行業(yè)。在電力行業(yè)中，數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)取得了顯著的成果，如智能電網(wǎng)建設(shè)、新能源集成、能源調(diào)度和電力市場運(yùn)行等方面。在未來發(fā)展趨勢中，數(shù)字孿生技術(shù)將實(shí)現(xiàn)更高精度的數(shù)字模型、更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域、更強(qiáng)大的人工智能支持、更緊密的跨領(lǐng)域融合和更豐富的應(yīng)用場景，為各行各業(yè)帶來更高效的數(shù)據(jù)分析和優(yōu)化解決方案。
《新型電力系統(tǒng)數(shù)字孿生技術(shù)及實(shí)踐》
本書圍繞新型電力系統(tǒng)數(shù)字孿生技術(shù)與實(shí)踐展開編寫，在分析數(shù)字孿生基本概念的基礎(chǔ)上，詳細(xì)闡釋了電力數(shù)字孿生的技術(shù)體系以及數(shù)字孿生在新能源發(fā)電預(yù)測、設(shè)備狀態(tài)評估和故障診斷、電力系統(tǒng)高保真仿真分析中的應(yīng)用，并結(jié)合典型案例為具體工作的開展提供可行性參考，完整呈現(xiàn)新型電力系統(tǒng)數(shù)字孿生技術(shù)的認(rèn)知探索與實(shí)踐總結(jié)。本書可供從事能源領(lǐng)域系統(tǒng)態(tài)勢感知相關(guān)工作的人員，以及數(shù)據(jù)技術(shù)、數(shù)據(jù)科學(xué)領(lǐng)域的研究人員閱讀參考。
作者：江蘇省電力試驗(yàn)研究院有限公司，ISBN：978-7-111-74184-8
頁數(shù)：248，定價(jià)：129.00
出版社：機(jī)械工業(yè)出版社
撰? 稿? 人：楊健亭
責(zé)任編輯：李馨馨
審? 核? 人：曹新宇
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