韓歡慶

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：在傳統配電室的應用過(guò)程中，受環(huán)境、運維以及管理等外界因素的影響，導致傳統配電室難以發(fā)揮實(shí)際價(jià)值。在此基礎上，數字孿生配電室關(guān)鍵技術(shù)應運而生，數字孿生配電技術(shù)主要依托于孿生全景三維建模技術(shù)，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(jìn)行建模，掌握和操控配電室的運行狀態(tài)。數字孿生配電室關(guān)鍵技術(shù)具有節省成本和減少工作量的優(yōu)勢，是配電室向智慧數據和感知轉型的重要渠道，鑒于此，本文通過(guò)對數字孿生的配電室關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，為改變傳統的運行模式、提高工作效率和運維質(zhì)量提供參考依據。

關(guān)鍵詞：數字孿生；配電室；關(guān)鍵技術(shù)

0引言

配電室是電網(wǎng)系統的終端，它是分布*廣的電力設施之一，對電能的輸送和分配起著(zhù)非常重要的作用。傳統的配電室管理都是采用人工巡查和定時(shí)檢查的方式進(jìn)行，導致了配電室中的安全隱患得不到及時(shí)解決，只有出現問(wèn)題時(shí)才能發(fā)現故障。數字孿生為這些難題的解決提供了新途徑?！皵底掷钌?是利用人工智能、傳感和模擬工具等數字化技術(shù)，在真實(shí)世界和物理實(shí)體之間通過(guò)平行交互、精確映射和虛實(shí)迭代的一種新的方法。數字孿生技術(shù)能夠對真實(shí)環(huán)境中的實(shí)體進(jìn)行監測、診斷和預測，本課題在分析數字化李生技術(shù)特性的基礎上，從配電機房運行與管理的實(shí)際需要出發(fā)，分析其概念，研究基于數字化孿生的配電機房運行與管理的技術(shù)體系與核心技術(shù)，為進(jìn)一步提升工作效率做鋪墊。

1數字孿生技術(shù)內涵

“數字孿生"是一種新興的信息技術(shù)，它將人工智能、傳感器、模擬工具等多種數據有機地結合在一起，從而實(shí)現實(shí)體與虛擬的交互和傳送。目前，數字孿生技術(shù)已被廣泛地用于對物體狀態(tài)和人類(lèi)行為進(jìn)行監測和預測?！皵底謱\生電網(wǎng)"對于將“數字孿生"技術(shù)與新型電力系統相結合，通過(guò)虛擬現實(shí)的互動(dòng)，逐步激活電網(wǎng)、裝備等多源數據，深度挖掘數據資源與信息，提升高維、多層次的“視點(diǎn)"輔助運行能力；實(shí)現了電力系統在虛擬與真實(shí)兩個(gè)空間上的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)映射?！皵底謱\生電網(wǎng)"是基于“數字孿生"的基礎設施和電網(wǎng)的數字化改造，從“數字空間"、“人員"和“環(huán)境"三個(gè)層面，構建“數據驅動(dòng)、全生命周期"的“數字孿生體"，提升“數據驅動(dòng)"的全生命周期以及應用效能。而對于配電室而言，在其內部使用數字孿生技術(shù)，可以有效地提高配電室的運營(yíng)和管理效率，并以數字孿生技術(shù)為基礎，對其關(guān)鍵技術(shù)要素進(jìn)行深度挖掘，從而為提高配電室的運營(yíng)和維修水平提供新思路。

2數字孿生的關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現

從基本的層次化思想出發(fā)，歸納了數字孿生技術(shù)在實(shí)際應用中的通用解決方案。首先，建立一條信道，以實(shí)現與物理實(shí)體之間的信息實(shí)時(shí)傳遞。其次，基于實(shí)際數據，建立了一個(gè)具有較強擬合性的數字孿生模型，并對模型進(jìn)行了模擬和分析。如果得到的結果與需要相匹配，那么就可以使用這個(gè)數字孿生體，對其進(jìn)行輔助決策，從而有助于實(shí)現改善產(chǎn)品設計、提高生產(chǎn)效率等生產(chǎn)目標，或者是實(shí)現故障診斷與預警等維護目標；具體的數字孿生技術(shù)還體現在以下幾個(gè)層面。

2.1建模

建模是開(kāi)展數字孿生研究的前提與基礎。與傳統的建模相比，數字孿生模型不但要對物體的實(shí)體特性進(jìn)行精細的3D建模，還要對物體的操作特性進(jìn)行全數字化的仿真，物體的材料、操作模式、軟件算法等都歸屬于建圍。

2.2模擬

模擬是對數字孿生模型進(jìn)行驗證的重要手段。通過(guò)模擬驗證，驗證數字孿生系統是否能夠準確地再現出實(shí)體的客觀(guān)操作規則，以及對實(shí)體數據的收集是否滿(mǎn)足精度要求；在數字孿生模型中，每個(gè)步驟的進(jìn)展都離不開(kāi)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(shù)應用的前提，也是實(shí)現數字孿生技術(shù)應用于故障診斷、結果預測和故障識別等多方面的關(guān)鍵技術(shù)。數字孿生所使用的數據具有高密度和低價(jià)值的特征。由于數字孿生技術(shù)對時(shí)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(lái)實(shí)現數據的實(shí)時(shí)處理，從而提高數據傳輸效率。

3數字孿生配電室的系統構架

利用建模的形式構建出一個(gè)與現實(shí)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于數據范疇，利用虛擬配電室模型可以隨時(shí)隨地查看設備的運行情況以及狀態(tài)。通過(guò)對配電網(wǎng)運行狀態(tài)、環(huán)境變化、突發(fā)干擾等實(shí)時(shí)數據的分析、學(xué)習和計算，實(shí)現配電網(wǎng)運行狀態(tài)、環(huán)境變化、突發(fā)干擾等數據和模擬結果的充分互動(dòng)和深度融合，達到數據感知、實(shí)時(shí)分析、智能決策和精準執行的目的。同時(shí)，該系統還能對配電室中的設備進(jìn)行壽命分析，并能對配電室中的設備進(jìn)行壽命管理。

4配電室數字孿生的關(guān)鍵要素與功能

4.1要素

（1）提供精準數據：配電室的各種數據是實(shí)現數字孿生的前提和依據，需要在機房?jì)仍O置相應的設備，使機房?jì)鹊闹饕镄詤当M可能完整，并保證獲取的及時(shí)性以及具大的存儲空間，以便存儲機房整個(gè)生命周期內的數據。采集裝置、網(wǎng)絡(luò )通道要穩定、可靠，才能保證所采集到的數據的真實(shí)性和準確性；此外，還要強化對業(yè)務(wù)過(guò)程的管理，以保證檔案類(lèi)數據的詳細、準確。

（2）對建模進(jìn)行科學(xué)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(xué)合理地分析模型是實(shí)現以上前提的先決條件。在技術(shù)發(fā)展過(guò)程中，配電室存在一定的物理特征，為確保模型的科學(xué)有效性，還需根據以往的各類(lèi)及時(shí)數據來(lái)進(jìn)行深入研究，確保多元化的因素不會(huì )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制，導致在智能配電室中按照配電物聯(lián)網(wǎng)“云-管-邊-端"的構架設計流程，確保設備邊緣計算能力可以發(fā)揮*大程度作用，以實(shí)現對配電室內各種運行狀態(tài)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面地掌握設備的實(shí)際運行情況，并能及時(shí)地做出預警和處理，減少現場(chǎng)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(shù)，能夠通過(guò)建模的方法，精準掌握數據與模型之間的關(guān)系，是實(shí)現配電室運行轉臺監管和綜合性管理的主要途徑。物聯(lián)網(wǎng)機構終端是配電室運行狀態(tài)的重要體現，可利用該設備實(shí)現配變監測、開(kāi)關(guān)量采集以及低壓開(kāi)關(guān)位置信息采集等功能；在此基礎上，相關(guān)的工作者要以邊緣計算所提供的數據為基礎，對其展開(kāi)深入調研以及探究，積極做好區域自動(dòng)控制與調節工作。在傳統的配電室中存在著(zhù)諸多問(wèn)題，比如缺少巡視記錄、人工操作繼續以及缺乏相關(guān)工作資料等等，而數字孿生技術(shù)的應用可強化機器人巡檢，AI識別和終端設備控制等手段，能夠*大程度地提升配電室總體工作效率。

5數字孿生關(guān)鍵技術(shù)在配電室中的應用

5.1智慧云平臺建設

基于當前主流微服務(wù)開(kāi)放源代碼架構的“數字孿生"智能云平臺，采用分布式、虛擬化、微服務(wù)、信息總線(xiàn)等技術(shù)，構建一個(gè)科學(xué)合理的大數據收集和分析平臺，充分發(fā)揮“數字孿生"的技術(shù)優(yōu)勢，實(shí)現對配電室總體運行狀況的直觀(guān)、真實(shí)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實(shí)體設備進(jìn)行有效地聯(lián)系起來(lái)，能夠實(shí)時(shí)地獲取監控系統中所監測到的操作數據信息。智慧云平臺的建設能夠將配電室內的環(huán)境、擾動(dòng)狀況、運行設備等實(shí)時(shí)數據和仿真情況相結合，實(shí)現配電網(wǎng)設備與環(huán)境的實(shí)時(shí)管理和控制；全面的配電環(huán)境以及可視化的管理平臺可實(shí)現配電室系統管理，相關(guān)工作人員可根據數字孿生配電室所提供的資料信息來(lái)完成數據感知，不僅如此，相關(guān)工作人員還可利用手機客戶(hù)端來(lái)實(shí)現數據勘察，沒(méi)有時(shí)間空間限制，有利于第一時(shí)間排除配電室的風(fēng)險隱患。

5.2物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)是將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用于配電室，通過(guò)搭建軟硬件平臺，以分布式邊緣計算為基礎架構，基于硬件資源平臺，利用手機終端系統，實(shí)現業(yè)務(wù)需求。該智能網(wǎng)關(guān)是一種集數據融合、邊緣計算于一體的新型網(wǎng)絡(luò )系統，能夠對配電機房的關(guān)鍵技術(shù)節點(diǎn)進(jìn)行的信息收集和實(shí)時(shí)監控。配電物聯(lián)網(wǎng)是基于智能網(wǎng)關(guān)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統手工操作，減少人為操作所帶來(lái)的局限性，大大提高工作質(zhì)量；并且可以對配電房的工作狀態(tài)進(jìn)行全天候的實(shí)時(shí)跟蹤和監控。

5.3通信拓撲

消息列隊遙測傳輸協(xié)議是配電物聯(lián)網(wǎng)通信拓撲的主要表現形式，它的主要職責是將通信協(xié)議傳遞到各個(gè)設備端口，在低寬帶以及網(wǎng)絡(luò )不穩定的環(huán)境下，還可以實(shí)現良好的服務(wù)效果。這種運行模式在保證設備運行速度快、互聯(lián)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(hù)配電是現狀分析得知，中壓部分的改造方案可被分為以下幾個(gè)方面；首先；將全新的配電終端與中壓柜進(jìn)行有機融合，利用101以及104規約渠道將數據傳輸給智能網(wǎng)關(guān)，再通過(guò)智能網(wǎng)關(guān)來(lái)實(shí)現智慧平臺數據接收。其次；在中壓柜中，要利用保護模塊，將數據通過(guò)103規約傳遞給智慧平臺。*后；中壓柜沒(méi)有任何智能化設備，因此可以在柜體內部安裝一個(gè)智能終端，對每個(gè)柜體的電氣量和非電能量進(jìn)行采集，并使用104規約與智能網(wǎng)關(guān)展開(kāi)通信，智能網(wǎng)關(guān)將其轉發(fā)給智慧云平臺。在對中壓部分進(jìn)行了改造之后，它可以實(shí)現對中壓柜的電壓、電流等電學(xué)參數的采集與監控，也可以實(shí)現對非電學(xué)參數的采集，如局放、電纜接頭溫度、柜體溫度等。

（2）低壓：變壓器柜、進(jìn)線(xiàn)柜、補償柜、出線(xiàn)柜、聯(lián)絡(luò )柜以及配電室內用電配電箱都屬于配電室低壓側改造范疇，為此，在具體的方案設計中，要將SCU作為通信和邊緣處理中心，利用MQTT通信協(xié)議或104規約，通過(guò)智能網(wǎng)關(guān)路由模式與智慧云平臺進(jìn)行通信。

5.5設計聯(lián)動(dòng)方案

聯(lián)動(dòng)方案的設計，主要是將配電室環(huán)境、視頻以及安防聯(lián)動(dòng)進(jìn)行有機地結合起來(lái)，通過(guò)在配電室視頻監控系統中安裝網(wǎng)絡(luò )攝像頭以及視頻分析主機，對智能網(wǎng)關(guān)路由進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，從而達到HTTP協(xié)議與智慧云平臺的互聯(lián)互通。一般來(lái)說(shuō)，配電室環(huán)境監控的重點(diǎn)是對配電室的溫度、濕度等信息進(jìn)行監控，通過(guò)傳感器和智能物聯(lián)裝置之間的實(shí)時(shí)通信來(lái)加強動(dòng)態(tài)，現場(chǎng)聯(lián)動(dòng)的效果。在智能物聯(lián)系統中，對綜合監測設備的布線(xiàn)方式主要采用“智能網(wǎng)關(guān)路由"方式。

6配電室中應用數字孿生技術(shù)的主要注意事項

6.1強化配套傳感裝置的推廣

在現代化發(fā)展的背景下，智能電表被廣泛地普及并使用，它可以對電力用戶(hù)的用電信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監控，還可以對配電變壓器電流及電壓等重要參數進(jìn)行滲透。在現階段的電力信息獲取中，滯后性的存在導致不能獲得準確的分支線(xiàn)路電流、配電變壓器觸頭溫度以及戶(hù)外變壓器拓撲關(guān)系等重要信息。因此，應合理選取與之相匹配的傳感器，并將其安裝于配網(wǎng)臺區，以確保其對重要數據的全面采集，并逐漸達到對配網(wǎng)臺區實(shí)際運行狀況進(jìn)行全面反映和分析的工作狀態(tài)標定。

6.2提高對搭建多維度融合數據平臺的重視

由于配網(wǎng)臺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系統中，這給配網(wǎng)臺區的數字孿生計算和分析帶來(lái)了一定的困難，如數據不準確，則會(huì )給后續配電室的運行帶來(lái)嚴重影響，導致在實(shí)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共享，建立專(zhuān)業(yè)化的整合與共享平臺，加強對相關(guān)工作的規范執行，落實(shí)好具體工作人員的職責，為在配電網(wǎng)區實(shí)現“數字孿生"技術(shù)的有效運用貢獻力量。

6.3深度研究計算分析模式，加大開(kāi)發(fā)力度

在配網(wǎng)臺區數字化孿生的具體應用中，為使其能夠更好地發(fā)揮各種功能，應更多地關(guān)注其計算分析模式，并將其與現實(shí)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(wǎng)臺區數字化孿生中的核心工作內容。在新時(shí)代發(fā)展的大背景下，人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數據等多種前沿科技在我國得到了廣泛的應用與創(chuàng )新，建立行之有效的計算與分析模型，可以提高我國配電網(wǎng)臺區的“數字孿生"技術(shù)在我國的應用水平，為實(shí)現更高的經(jīng)濟效益奠定基礎。

7安科瑞配電室環(huán)境監控系統

7.1概述

配電室綜合監控系統包括智能監控系統屏、通訊管理機、UPS電源、視頻監控子系統（云臺球機、槍機）、環(huán)境監測子系統（溫度、濕度、水浸、煙感）、控制子系統（燈光、空調、除濕機、風(fēng)機、水泵）、門(mén)禁監控子系統（讀卡器、開(kāi)門(mén)按鈕、磁力鎖）、安防監控子系統（雙鑒檢測器）。

7.2應用場(chǎng)所

適用于軌道交通，工業(yè)，建筑，學(xué)校，商業(yè)綜合體等35kV及以下用戶(hù)端供配電自動(dòng)化系統工程設計、施工和運行維護。

7.3系統結構

7.4系統功能

7.4.1實(shí)時(shí)監測

能夠顯示配電室設備的運行狀態(tài)，實(shí)時(shí)監測配電室環(huán)境參數信息，實(shí)時(shí)顯示有關(guān)故障、告警等信息。

7.4.2數據查詢(xún)

在人機界面中，可以直接查看配電室中各個(gè)設備的運行數據。

7.4.3曲線(xiàn)查詢(xún)

可以直接查看各電參量曲線(xiàn)。

7.4.4運行報表

查詢(xún)配電室內設備的運行數據報表。

7.4.5實(shí)時(shí)告警

具有實(shí)時(shí)告警功能，系統能夠對配電室溫度、濕度、有害氣體、設備故障或通信故障等事件發(fā)出告警。

7.4.6歷史事件查詢(xún)

能夠對產(chǎn)生的所有事件記錄進(jìn)行存儲和管理，方便用戶(hù)對系統事件和進(jìn)行歷史追溯、查詢(xún)統計、事故分析。 

7.4.7用戶(hù)權限管理

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

7.4.8網(wǎng)絡(luò )拓撲圖

支持實(shí)時(shí)監視并診斷各設備的通訊狀態(tài)，能夠完整的顯示整個(gè)系統網(wǎng)絡(luò )結構。

7.4.9遙控功能

可以對整個(gè)配電系統范圍內的設備進(jìn)行遠程遙控操作。

7.5系統硬件配置

8結束語(yǔ)

綜上所述，在新時(shí)代發(fā)展背景下，數字孿生技術(shù)為各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展帶來(lái)了全新的機遇和挑戰。從電力企業(yè)角度分析，數字孿生技術(shù)的應用對各流程的優(yōu)化以及配電效率、質(zhì)量的提高等都具有現實(shí)意義；為此，在應用數字孿生技術(shù)過(guò)程中，要合理分析其有效性，確保電力行業(yè)持續健康發(fā)展。

參考文獻

[1]楊平,唐冬來(lái),宋衛平.基于數字孿生的配電房監測方法[J].微型電腦應用,2023,39(5):91-93.

[2]范仲鳴,紀陵,張曉瑞.配電系統電力設備數字孿生底座系統設計[J].綜合智慧能源,2023,45(3):50-56.[3]黃海悅,繆欣.基于數字孿生的配電室關(guān)鍵技術(shù)研究[J].信息技術(shù)與信息化,2022,(12):159-162.

[4]白鶴舉.數字孿生技術(shù)在電力系統應用分析[J].數字通信世界,2022(1):114-116.

[5]劉皓璐,邵建偉,王雪.基于數字孿生的配電自動(dòng)化終端設備狀態(tài)評價(jià)與故障預判[J].電網(wǎng)技術(shù),2022,46(4):1605-1613.

[6]王瑞果,丁健,王穎舒.基于數字孿生的配電開(kāi)關(guān)柜溫度傳感器數據可靠性研究[J].電力大數據,2021,24(6):27-35.

[7]孫蓉蓉.基于數字孿生的配電室關(guān)鍵技術(shù)研究.

[8]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊2022.5版

作者簡(jiǎn)介

韓歡慶，女，現任職于安科瑞電氣股份有限公司，主要從事無(wú)線(xiàn)測溫系統的研發(fā)與應用。