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“摸不着”的数字孪生,如何为电力系统带来“看得见”的数据价值?

随着经济社会数字化转型的持续推进,逐渐成为产业各界关注的热点技术。数字孪生起源航天军工领域,近年来持续向、智慧城市等垂直行业拓展,让数据信息、场景变得流程化、可视化、立体化,有效地促进数字经济发展。

数字孪生(Digital Twin)又称数字映射,是物理实体的数字版“克隆体”,它是对实体对象的动态仿真,含有“全生命周期实时/准实时”“双向交互”的特征。

图1 物理实体与数字孪生体

近年来,国内外在电力数字孪生建设方面进行了工程实践。本文节选自,简单介绍一些具有代表性的案例,覆盖配电网、变电站等领域,其中,配电网属于系统级数字孪生,而变电站属于设备级数字孪生。

新加坡国家电网数字孪生

新加坡首个电网数字孪生项目是以建设一个更光明、更可持续的未来能源系统为目标,电网数字孪生的建立将有助于增强新加坡的电网韧性,确保电网的可靠性,并支持更清洁能源的应用。该项目由新加坡的能源市场管理局(EMA)、新加坡电网公司(SP)以及科学和技术政策和计划办公室(S&TPPO)共同支持。

新加坡电网数字孪生将包括两个数字孪生体。

(1)电网资产数字孪生

电网资产数字孪生的目的是优化SP的电网资产(如变电站、、设备和电缆)的规划、运行和维护。电网资产孪生体能够和分析资产的状况和性能,并及早识别电网运营中的潜在风险,这使得SP能够明智地做出相应的更新和维护计划。电网资产数字孪生由EMA资助,由SP和南洋理工大学(NTU)联合承担的5个研究课题,并由SP-NTU联合实验室负责电力资产管理和电网运行等项目的研发。该联合实验室是SP和南洋理工大学于2020年联合成立的机构。

(2)电网数字孪生

电网数字孪生项目的目的是评估、分布式能源对电网的影响,使用一种称为多能系统建模(Multi Energy System Modelling & Optimisation ,MESMO) 的先进框架来建立。MESMO是新加坡集成交通能源模型项目(Singapore Integrated Transport Energy Model,SITEM)采用的主要仿真技术。电网数字孪生能够为SP提供分布式能源、新型负荷对电网影响的评估并分析在不同场景下所需的电网提升措施。电网数字孪生是新加坡科技研究局(A*STAR)的科学署(Agency for Science)的高性能计算研究所(Institute of High Performance Computing ,IHPC)和它的技术合作伙伴TUMCREATE Ltd共同开发的。该项目由公共部门科学部(Publ Sector Science)资助。

电网数字孪生全面部署后,将为SP更好地规划、运行和维护电网从而更有效地进行实际工作提供有效支撑。电网数字孪生的主要好处包括改进电网规划分析和电网资产的远程监测,从而在进行设备检修时节省人力资源。由于电网数字孪生提供了一个更全面准确的电网模型,有助于针对不同需求进行合理的电网规划,适应电动汽车充电设施、和储能系统广泛接入后的各种运行情况。

雄安变电站数字孪生

针对雄安新区电网设备规模快速增长,传统运检模式下需要配置大量运检人员的问题,雄安新区建设了变电站数字孪生,利用实时感知数据和三维展示技术,构建了变电站数字孪生,实现了变电站远程巡检、在线诊断和全寿命周期管理。该系统已在220kV剧村变电站投入应用。

雄安新区变电站数字孪生采用了4层架构:感知层、、平台层、,如图2所示。

感知层(变电站端)采用标准化传感技术,对变电站主设备及环境量进行全面采集,从而实现变电站主设备状态和环境全面感知。感知层由各类和网络节点组成,分为传感器层与数据汇聚层两部分,实现传感信息采集和汇聚。

网络层由电力无线专网、电力APN通道、电力网等通道及相关网络设备组成,为电力设备物联网提供高可靠性、高安全性、高带宽的通道。

平台层利用公司一体化“国网云”、全业务统一、物联管理中心等平台实现数据共享交互。物联管理平台实现物联网各类传感器及网络节点装备的管理、协调与监控,承担数据获取、状态分析和实时预警等任务,对物联网边缘计算算法进行远程配置,实现多源异构物联网数据的开放式接入和海量数据存储。

应用层实现实时监视、统计分析、三维视频融合、作业管理、虚拟巡视、模拟演练等功能。这些功能被融合在全景监视、统计分析、环境监视、作业管理、缺陷管理、实时告警、设备管理、技术监督8个子模块中,如图2所示。

雄安新区变电站数字孪生通过多维感知、远程巡检来获取变电站运行数据;采用统一数据模型SG-CIM实现数据融合;应用大数据分析、等技术建立模型;通过三维图形引擎、3D 对变电站状态进行直观展示。

图2 雄安变电站数字孪生架构

雄安新区剧村变电站的数字孪生具有三维建模功能,三维可视化展示效果良好。数字孪生可对变电站设备和运行环境进行全方位三维展现,并可以推演天气变化趋势。数字孪生展现变电设备、作业人员、巡检、巡检的地理位置,实现对上述设备、设施和人员的快速定位;根据设计的智能巡检路线,对巡检机器人和无人机进行三维可视化导航,实现快捷路径设置便于高效作业。

剧村变电站的数字孪生,基于大数据和人工智能算法,实现平台与机器人巡检系统对接,实时调取巡检任务,在数字孪生变电站内直观展示机器人巡检路线,对接机器人实时画面和热成像画面。通过虚拟巡检与站端机器人“空地结合”的巡检方式,可以真正实现对室内变电站设备的全面检测。采用先进的AI,通过对设备进行,自动对图像进行智能分析,可精确分析设备状态、作业操作动态、周边环境状况等。通过构建三维数字孪生场景和设备的高精度内外部结构模型,开发设备部件级系统,实现设备检修过程仿真、设备部件信息仿真、设备拆解演练仿真、仿真设备知识讲解。

基于变电站数字孪生的运维模式,可有效提升设备运维精益化管理水平,减少现场作业频度,降低现场作业误操作风险;通过对设备状态的精准评估,可延长设备寿命周期,实现资产增值。

数字孪生技术作为一种前沿技术,从起源阶段到发展阶段,逐渐渗透到各行各业,包括电力行业。在电力行业中,数字孪生技术的应用已经取得了显著的成果,如建设、新能源集成、能源调度和电力市场运行等方面。在未来发展趋势中,数字孪生技术将实现更高精度的数字模型、更广泛的应用领域、更强大的人工智能支持、更紧密的跨领域融合和更丰富的应用场景,为各行各业带来更高效的数据分析和优化解决方案。

本书围绕展开编写,在分析数字孪生基本概念的基础上,详细阐释了电力数字孪生的技术体系以及数字孪生在新能源发电预测、设备状态评估和故障诊断、电力系统高保真仿真分析中的应用,并结合典型案例为具体工作的开展提供可行性参考,完整呈现新型电力系统数字孪生技术的认知探索与实践总结。本书可供从事系统态势感知相关工作的人员,以及的研究人员阅读参考。

作者:江苏省电力试验研究院有限公司,ISBN:978-7-111-74184-8

页数:248,定价:129.00

出版社:机械工业出版社

撰  稿  人:杨健亭

责任编辑:李馨馨

审  核  人:曹新宇

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