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图1 机理和数据共同驱动的融合建模
融合建模的步骤主要包含以下三步:①通过泛在传感网络获得海量系统状态数据,并基于统计和学习构建数据驱动的相关性模型;②基于人造物理系统的基本物理原理,通过数字建模,形成能源电力系统偏微分代数模型;③将系统机理模型和数据挖掘所得相关性模型融合,形成能源电力系统数字孪生分析模型,支撑多种应用。
2.2 高性能仿真技术
根据上文所述的数字孪生的“可预测性、可假设性、可解释性、可互动性”特征可知,构建新型电力系统数字孪生还需要高性能仿真技术。需要特别强调的是这里所指的“仿真”,不能先入为主的认为是电气学科中传统的潮流计算、机电暂态仿真、电磁暂态仿真等,而应该是多物理场、多时间尺度、多概率的全生命周期仿真。对于不同的应用侧重,也需要采用不同形式的仿真分析工具:
在电网运行方面,海量电力电子设备接入系统增大了系统的复杂度和维数,新能源渗透率的不断提高将引入大量不确定性。为此,需要高性能仿真工具,实现大规模系统海量复杂运行场景的高效分析;
在设备运行方面,需要通过大量数字仿真模拟进行设备故障溯因,需要通过在线多物理场仿真开展设备状态评估与预测性维修,以及需要通过数模混合仿真工具设计并验证设备设计和性能。所以,亟需高效一体化的数字模拟和数模混合仿真分析工具;
多物理场和场路耦合仿真方面,由于配电网中综合能源系统的接入,系统中将同时包含冷、热、电、气等多种形式的能源,需要采用多物理场及场路耦合仿真工具,对含综合能源的电力系统进行分析。
3. 服务于新型电力系统数字化转型的数字孪生实践
基于上述的数字孪生技术,深圳供电局立足于企业数字化转型,以配电网业务作为抓手,使用高性能仿真平台CloudPSS为建模仿真内核,开展了一二次设备融合、配电网设备资产管理等多个数字孪生项目研究,获得了宝贵的数字孪生项目实践经验,并取得了初步成效。
以基于数字孪生的配电网设备资产管理项目为例,该项目设计了基于数字孪生中的全生命周期管理理念,即:从①规划:设备仿真推演,设备接入运行规划,到②入场:设备外挂通信设置,入场后自动化接入,完成设备数字化交付,到③运行:建立设备健康度评价模型,监测设备实时运行状态,到④故障:基于运行状态进行故障识别,根据故障报警信息开展故障诊断,到⑤维护:风险设备预测性检修,故障设备针对性维护,到⑥退役:报废设备退役离场,对新设备接入预先规划。如图2所示
图2 全生命周期管理
在配电网资产设备的全生命周期管理实践中,以数字孪生评价体系为“骨架”,构建了多个数字孪生应用场景,涵盖五大特征:1)可互动性——配电设备数字化交付应用;2)可预测性——设备健康度评价应用;3)可解释性——配电设备智能运维应用;4)可假设性——配电网电能质量治理;5)可观测性——配电网全景观测应用。
项目首先构建了数字化交付应用;在完成数字化交付后,根据实际需求,生成不同的数字孪生体,进一步构建数字孪生应用,完成基于数字孪生的衍生业务应用;最终,研发了3D数字孪生系统平台,实现可视化交互和智能化协同。其核心内容如下:
1)配网设备数字化交付应用
配网设备数字化交付应用通过嵌入式芯片、智能网关等硬件设备以及在线软件应用实现设备接入的自动识别、设备资产信息的自动写入、设备模型信息(包括仿真模型、3D结构模型等)的自动上传以及传感器数据的自动注册识别等。该应用中,数字交付芯片技术与射频识别技术(RFID)相融合,设备在现场安装时,即可将设备信息自动识别并上传至数字交付平台。数字化交付解决了人工录入、电子化移交、台帐管理等数据质量方面的实际痛点,避免了重复性的录入设备信息以及设备安装后是否启用的状态不明确等问题。如图3所示
图3 数字交付软硬件原型系统
数字化交付应用是数字孪生系统“可互动性”的重要一环,实现了现场设备状态在数字空间的实时映射。
2)电缆数字化健康度评价应用
通过对运行电缆导体温度的采集、分析,并与运行电流、电压、环境温度、时空等参数组成数据链形成演变数据,为电缆运维提供精准的状态评估和调控方法。依据智能电缆生命周期规律和数字孪生技术,建立电热耦合仿真模型,实现动态阈值、风险预警、区域调荷、故障定位导航、自动巡检等功能。同时采用模型类比探究存量电缆生命周期评判方法,实现电缆寿命演变过程的可视化,将指导存量电缆安全运行,大幅提高电缆使用性能和资产利用率。如图4所示
图4 (a)电缆状态全景监测;(b)导体温度与电流、时间的对应关系
电缆健康度评价应用是数字孪生系统“可预测性、可假设性、可解释性”的具体表现,实现了现场设备状态与数字空间的实时镜像。
3)数字孪生的配电网全景监测平台
通过数字孪生的增强交互能力,结合仿真技术以及数字空间三维模型生成技术,开发了变电站、电缆、配电设备的三维可视化全景监测平台。该平台集三维空间测量、三维空间分析、数字化交付等功能于一体,支撑起配电网运检智能分析决策系统应用。随着数字孪生技术迭代,其应用空间广阔。如图5所示
图5 基于数字孪生的三维可视化平台
三维全景监测平台应用是数字孪生系统“可视化”的关键技术体现,通过现场设备状态与数字空间的实时影像,实现了透明电网的精准运检。
综上,基于数字孪生的配电网设备资产管理项目所研发的数字孪生平台连接多种业务系统,形成了信息共享和交互的渠道,可以提高电网数字化水平、提升资产运营收益、提升运维效率,降低停电损失、提高资产管理水平。
4. 结束语
数字化是新型电力系统建设的核心内容,数字孪生是数字化应用的价值体现。随着IDC广泛应用,数字孪生不仅是电能、设备、电磁等数据的应用,也将融合环境、能耗、金融、碳资产等数据,形成满足环境条件要求的高能效、低碳排的安全运行方式指引。总之,数据已成为重要生产要素和无形资产,数据孪生是数字服务经济的必经环节,将广泛应用于各行各业,数据孪生技术的深度发展与应用,为南方电网在服务经济领域开拓新思路、拓展新市场、提供新途径。
本文首发自北极星输配电网 作者:胡冉 黄湛化(深圳供电局)转载请申请授权,注明来源及作者!
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