基于北斗與數字孿生技術的智能電網運維平臺研究

　　摘要：針對電力系統日益復雜的運維問題，本文將北斗精準時空技術與數字孿生系統理論相結合，提出構建智能電網運維平臺的方法。該方法通過將北斗與物聯網傳感器相結合，形成可以進行狀態預測、故障診斷、自愈等功能的數字孿生運維平臺。本文首先分析了北斗數字電力孿生系統總體架構，然后從數字孿生體建模理論、基于北斗的數據采集智能終端、數字孿生平臺的運行模式等方面展開討論電力系統的數字孿生體構建方法，最后進行了應用試驗分析。研究結果表明，本文提出的方法對提升智能電網的運維能力具有參考價值。

　　關鍵詞：北斗;數字孿生;智能電網;運維平臺

　　引言

　　近年來，電網的規劃、建設、運行及客戶服務等對空間地理位置的需求越來越重要。利用北斗系統所提供的高精度定位、導航和授時服務，為電網調度、智能巡檢、物資運輸、基建安全管控、營銷服務等各專業領域提供了極大便利。電力行業高度關注北斗系統建設與發展，積極開展北斗系統在電力基建、運檢、營銷以及調度等領域的應用，北斗系統已在電力資源管理、安全應急、北斗授時等方面取得一系列突破性成果。

　　目前北斗產品已經應用于電力行業的各個環節，在北斗授時領域，100%的管理信息系統和90%的調度系統已使用北斗授時服務;在北斗定位導航領域，90%公務、生產車輛已使用北斗定位導航終端;在無公網覆蓋的偏遠地區，采用北斗短報文的方式進行電能量數據采集及回傳[1-3]。

　　盡管如此，在如何利用北斗精準時空技術提升智能電網運維水平方面還存在較大差距[4,5]，尤其是用戶側。用戶側由于缺乏高效的運行管理和維護保障支撐平臺，用電故障得不到及時排除，導致近年來農村等地用電投訴上升，用電安全得不到保證，甚至危害用戶生命財產安全。隨著電網規模的不斷擴大及運行方式的日趨復雜，電網一體化建模與分析的必要性日益凸顯[6-8]。

　　當前工業生產已經發展到高度自動化與信息化階段，在生產過程中產生大量信息。但由于信息的多源異構、異地分散特征易形成信息孤島，在工業生產中沒有發揮出應有價值。而數字孿生[9-11]為工業產生的物理對象創建了虛擬空間，并將物理設備的各種屬性映射到虛擬空間中。工業人員通過在虛擬空間中模擬分析、生產預測，能夠仿真復雜的制造工藝，實現產品設計，制造和智能服務等閉環優化。本文從智能電網的發展趨勢出發，結合北斗精準時空服務和數字孿生技術，討論北斗數字孿生電網運維平臺的總體架構和構建方法，并進行可行性驗證和前景分析。

　　1北斗數字孿生運維平臺總體架構

　　現代電力系統正處于規模不斷擴大，計算數據量和復雜度持續增加的進程中[12]。電力系統的運行和控制難度不斷加大，需要引入更先進、高效的電力系統分析和控制技術來幫助解決現實系統中出現的復雜問題。大規模系統精準建模與仿真技術被認為是研究電力系統運維問題的有效手段[1。數字孿生是復雜產品的綜合多物理、多尺度、概率模擬，使用最佳物理模型、傳感器更新等，反映其相應孿生系統的生命。它可以正確地將產品的各種物理數據映射到虛擬空間。虛擬產品可以反映相應的物理產品的整個生命周期過程[1。

　　數字孿生驅動的虛擬驗證可以充分利用設備、環境、材料、客戶的物理特征和上一代歷史數據的數據。這種方法可以測試是否存在設計缺陷并找出原因，然后重新設計將更加快速、方便。而且，它可以避免繁瑣的驗證和測試，從而極大地提高設計效率。本文提出利用北斗·數字電力孿生系統來提高智能電網運維水平。該系統由基礎支撐層、數據互動層、模型構建與仿真分析層、共性應用層和行業應用層組成。

　　該系統各組成部分的功能如下：1)基礎支撐層由具體的設備組成，包括發電設備、變電設備、輸電工具、配電設備等組成。2)數據互動層包括數據采集、數據傳輸和數據處理等內容。3)模型構建與仿真分析層包括數據建模、數據仿真和控制。4)共性應用層包括描述、診斷、預測、決策四個方面。5)運維應用層則包括孿生發電廠、孿生變電站、孿生輸電系統、孿生配電站所、孿生用電設備等在內的多方面運維應用。

　　2電力系統的數字孿生體構建方法

　　2.1數字孿生體建模

　　北斗·數字電力孿生體指的是電力實物生產要素即發電機、變壓器、輸電導線、用電設備等及其對應的模型即虛擬生產要素和數字孿生數據組合起來的聯合體。數字孿生數據包括從安裝在電力系統中的傳感器或數控系統收集的物理數據、從虛擬模型以及現有的信息系統中讀取的虛擬數據，并將這兩部分聯系在一起。

　　2.2基于北斗的數據采集智能終端

　　1)北斗+4G/5G智能數據采集終端北斗+4G智能云終端是專門針對無線智能抄表、控表、監測而研發的，可完成對電表數據結合北斗信息的無線傳輸。傳回的每幀數據都攜帶有北斗時間和坐標信息，可更為直觀的體現電表的實時情況，也可實時定位設備位置信息，在設備異常時，及時做出相應處理，把事故消滅在萌芽階段。另外，相較于使用GPRS通訊，4G網絡具備覆蓋范圍更廣、不易受地形限制、通訊更為穩定等特點，且該設備兼容4G與GPRS網絡，在有條件的情況下優先使用4G網絡，4G信號弱時切換GPRS，設備網絡自適應。該產品具有定位精度高、時間精度高、信息傳輸穩定、使用簡便等特點。

　　2)北斗短報文通信數據采集終端

　　以北斗三號短報文通信為基準，研制北斗導航通信一體機，形成米級定位和1000漢字次或14000比特次的實時數據傳輸的能力15。主要應用于無4G/5G公網條件下的位置、業務等信息采集，以及短報文通信。解決農村等偏遠地區電力數據信息的采集。可實現集中抄表、計量、數據采集、決策控制、記錄重大計量事件、統計分析、配電變壓器臺區信息監測、電力需求側負荷測控管理、無功控制、各級漏電保護器遠程測控、雙向互動等功能。

　　2.3數字孿生平臺的運行模式

　　1)實時監測模式：系統采用先進的在線監測、傳感器技術、數字處理技術、北斗衛星技術和無線通信技術通過安裝在電力設備上的多種傳感器和現場監測裝置，遠程在線監測、監視電力設備的運行狀態及設備周圍的環境狀況，當電力設備出現故障或現場發生異常時(如設備短路、電纜溫度過高、設備進水、線纜變形受損、非法闖入等)，裝置能在第一時間自動采集信息，結合北斗時間及坐標，并向上級遠方監控管理中心發送監測信息(數據、語音、視頻等)和報警信息，運維人員無需親臨現場，即可通過北斗技術實時了解設備的運行狀態以及異常設備的地理位置信息，直接對現場進行監聽、監視，對異常設備及時做出反應，將事故消滅在萌芽狀態。一類在線監測的運行模式。

　　2)故障預測模式：數字孿生系統對真實物理系統、設備或過程具有動態和持續更新的能力。利用孿生系統實時數據和歷史數據，對可能發生的故障地點、故障時間、故障類別、故障設備等進行預測。

　　3)故障自愈模式：數字孿生系統對故障恢復的多個備選方案進行尋優計算，從中選擇最優自愈方案。該模式需要故障樹和專家系統的支持。

　　3應用實例

　　利用北斗精準定位服務和數字孿生技術，構建智能電網運維原型平臺。該原型平臺具有設備管理與在線監測、故障預測與報警、設備定位、運營分析統計等重點功能。 平臺利用先進的在線監測、傳感器技術、數字處理技術、北斗衛星技術和無線通信技術，可以實現對電網設備的實時在線監測，對其工作狀態、運行數據進行采集、回傳與監控;比如，基于北斗的數據采集終端，實時采集到設備信息，通過網絡或者北斗通信鏈路回傳數據，輕松實現對設備的數據監控與分析。

　　平臺的故障監測與告警功能，實時對故障進行預報或告警，能夠避免或減輕損失;利用北斗的精準定位技術，實現對輸電桿塔的監測，通過分析其位置的微小變化到達桿塔安全監測與告警的目的。平臺的運營分析統計功能，對電網中的設備信息、用電信息等數據進行統計分析，分析結果作為平臺控制和運維決策的有力依據。基于北斗與數字孿生技術的智能電網運維原型平臺，利用北斗和數字孿生技術，使得電網運維管理更加智能化，能夠提高了工作效率，降低了運維成本。

　　4北斗數字電力孿生系統的應用前景分析

　　當前，北斗數字電力孿生系統的應用場景主要為以監測為主的“碎片化”單點示范工程，隨著大數據、物聯網、云計算、人工智能等新一代信息技術的快速發展和深度融合，北斗數字電力孿生系統將更加智慧，同時擁有更廣闊的應用前景：

　　1)隨著北斗數字電力孿生系統的發展，電網的每臺設備甚至每個部件都將擁有其對應的數字孿生，并貫穿于全生命周期，使得電網的管理更加精細化，資產利用率和設備管理水平得以提高，同時所有設備、部件通過數字孿生有機整合到一起，能夠更精準地掌握電網的實時狀態。2)北斗數字電力孿生系統與人工智能技術的深度融合勢必會大幅度提升數字孿生電網的智能化水平，能夠預測電網的發展趨勢，自動給出解決方案，為電網的穩定運行提供決策支撐。3)隨著數字孿生技術的發展，數字孿生城市等其它數字孿生系統必將得到同步建設，開放化的孿生電網與其它數字系統的融合將成為必然趨勢;同時，構建數字孿生系統的成本將顯著降低，北斗數字電力孿生系統將得到普遍應用，與其它數字孿生系統一起共同為數字孿生世界提供支撐。綜上所述，隨著技術的發展，北斗數字電力孿生系統的應用將變得更加精細化、智能化、開放化、普遍化。

　　結束語

　　北斗可為電力系統中提供時間和空間基準。在當前電力系統紛紛采用北斗進行精準授時和定位之際，將北斗與數字孿生技術相結合構建電力系統運維平臺，不僅具有現實意義，還具有戰略價值。本文以北斗提供的精準時空服務和數字孿生技術的逐步發展應用為前提，提出構建基于北斗和數字孿生技術的智能電網運維平臺，并對北斗數字孿生運維平臺總體架構、電力系統的數字孿生體構建方法等內容進行了討論，提出了理論和方法，并通過原型平臺進行了可行性驗證，最后對北斗數字電力孿生系統的應用前景進行了分析。北斗數字孿生系統將是未來電網發展的必然趨勢。本文主要從總體框架和大體解決方法上進行描述，下一步將針對具體實現方法進行研究。

　　參考文獻

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　　作者：黃文德張曉飛1,3龐湘萍張利云1,康娟2,3李靖

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