数字孪生技术在输变电设备中的应用前景与关键技术 - 信息谷 - ICITU

摘要：我国科学技术的不断发展，很多地区对自身电网技术进行了充分的优化，不断地完善了智能电网的相关内容，对智能电网进行了进一步的探究。数字化是新型电力系统的主要特征之一。加快传统电网向数字电网升级，依托数字孪生推动电网智能运行代表了目前电力行业发展的趋势。数字孪生技术是实现输变电设备全生命周期数字化、智能化管理的关键技术。本文主要对数字孪生技术在输变电设备中的应用前景与关键技术进行分析，仅供参考。

关键词：数字孪生技术；输变电设备；应用

数字孪生输变电设备是数字孪生电网最基础、最重要的组成部分，通过构造与实体输变电设备对应的数字输变电设备，推进输变电设备运检和管控智能化、数字化，奠定电网数字化转型基石。数字孪生输变电设备能够深入挖掘电网数据资产价值，实现智能运维、精准作业和远程协作等，实现“数”与“智”的融合，通过推动数字电网建设，使新型电力系统更好地服务于“双碳”目标。

1数字孪生的定义

数字孪生在业界关注和研究时间不长，其概念和内涵目前没有统一的定义。标准化组织、学术界、企业等机构对数字孪生定义表述不完全一致，相信随着数字孪生研究和实践不断深入，人们赋予数字孪生的定义将更加科学准确。更多研究者趋向把数字孪生定义为“充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程”。

2数字孪生保障系统的构成

装备保障系统整个过程中存在很多不确定性因素，这些因素部分源自于装备本身的设计制造，部分则与装备所处的环境以及人员操作的习惯有关，综合影响着装备正常的运行以及其保障过程，因而构建数字孪生保障系统必须做到能够对装备本身、所处工作环境以及保障环境实时感知和监控，同时通过高效的信息网络传输，使得采集的数据能够高效率传输，通过智能化的数据分析，进行保障任务规划和资源调配。其主要功能为：一要在装备正常运行和保障工作中，对产生的各种数据进行收集汇总，达到实时反映应用及保障场景的程度；二要通过映射现实保障工作场景的数字模型，并且通过现实保障过程中采集的数据进行模拟仿真，实现模型与现实操作同步变化；三要在上述数据共享、远程联动的基础上，充分发挥数字孪生保障系统的价值，通过大数据分析、算法应用等，对装备保障的任务进行规划，对现有保障资源进行最优化的调度；四要进一步通过数字孪生中的装备数据积累，形成装备全寿命周期管理的模式，实现装备应用过程中各个阶段的性能发挥及保障工作可视化，从而增加总的装备使用调度层面的冗余度，充分体现装备保障过程中的“智能化”水平。装备现实保障的物理空间体系、映射保障过程的虚拟空间体系以及二者之间的信息交互网络，其运维模式主要是以装备本身以及保障装备的设备设施等为基础，通过装备自身故障诊断以及其工作实时监测系统所产生的数据，结合保障设备测试所得数据，在云端形成一个能够映射反应现实装备物理实体的数字孪生保障系统，形成一个“感知→传输→集成分析→智能决策→实施”的信息处理数据链，在整个数据链中，感知主要通过现实装备物理实体环境中的实时传感器以及人工使用的设施设备采集等进行装备状态的实时录入，传输主要依靠专用局域网络进行数据的高速传输。到达数据处理中心后，通过系统中的大数据分析等技术对数据进行集成分析，在比对数据库以及相关智能算法的推演下进行任务智能规划和决策辅助分析，将所得结果通过网络回传至现实装备保障环境中，通过物理空间到虚拟空间再到物理空间的一来一回的模式，给出特定装备保障的任务规划，从而缩短规划时间，提高保障效率。

3数字孪生技术在输变电设备中的应用前景与关键技术

3.1规避差错漏碰

一是解决设计过程中的“差错漏碰”问题。通过融合数字孪生技术，有效促进管理文档及资源与实际工程项目相关联、管理资料与实际工程相匹配、物料与场地规划管理相适应。二是精准建立三维可视化数字孪生体，能够直观展示施工计划方案，从而规避因施工人员知识水平不同带来的理解不到位以及盲目施工问题，提前发现并解决问题，节约成本，缩短工期。

3.2强化施工管理

一是提高仿真效果及施工效率。相比传统方式，采用数字孪生技术可以模拟更加真实的电力项目施工环境，尤其对重要节点的主要施工工艺进行虚拟建造仿真模拟，可以对真实建造过程中的潜在问题进行提前预判并在设计前期进行优化，减少后期施工中可能发生的隐患。二是实现资料信息化管理。通过将施工过程中资料实时更新并更新至数字孪生体中，避免了资料后补现象发生，从而保证资料的真实有效性。项目各方也可以共享资料，加强各方协调沟通，提高信息传递能力，提升多单位协同效率。三是施工方基于数字孪生体可以对整个施工过程质量、进度、安全、成本等实现全过程管控，使施工过程的资源管理与数字模型相关联。通过数字孪生技术实时同步反映工程运行状态，提前预判实际工程可能出现的各种状态，并且追溯各种质量问题以及资金流情况，从而有效提升施工过程资源管控。

3.3完善竣工验收

一是有利于提升项目竣工交付成果。通过基于数字孪生技术生成的竣工交付成果可以形成项目设计和施工全过程的统一信息与数据库，并准确实时反映在数字孪生体上，为业主后期运维提供更加丰富及可靠的信息。根据三维模型进行渲染，所见即所得，使项目具有更好的宣传效果。二是有利于提升竣工结算效率与准确性。基于数字孪生技术的交付成果可以进行项目施工质量复核，同时数字孪生体可以实时反映工程建设成果并开展竣工结算，极大地提升了项目竣工结算效率与准确性。

3.4判断设备故障

由于数字孪生体是基于实体对象遵循的物理规律构建的，因此在模型参数准确的前提下可以反映电力设备运行的理想状态。也就是说，数字孪生体在特定输入条件下的输出，可以作为该条件下物理实体的理想输出，并以此作为参考感知电力设备的运行状态。当检测到电力设备故障时，数字孪生体可以直观显示故障位置、类型以及严重程度，从而有效指导电力设备故障检修与维护，提高效率，同时降低运维成本。

3.5提升运维效率

在实际运维中，由于运维人员与继电保护人员、检修人员在职业素养方面有一定差距，他们往往对设备基本原理的理解不够深入，容易造成沟通脱节的情况，导致问题无法在第一时间解决，甚至造成事故升级。使用数字孪生技术可以使电力设备信息高度集成，运维人员可以更清楚地了解电力设备运行情况，电力设备本身也可以借助更完整的信息做出更准确的故障判断，并在一定程度上实现自动处理，发挥“自我修复”功能，降低运维人员的工作强度。

数字孪生输变电设备作为数字孪生电网的关键组成部分，是电网实现数字化转型的落脚点。通过输变电设备数字孪生建设实现电网可测、可知、可观和可控，打造能源互联网生态体系，适应新能源为主体的新型电力系统发展需求，推动电力行业转型升级和经济社会高质量发展。

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