面向“共智”的配電網(wǎng)數(shù)字孿生評價系統(tǒng)
▌?數(shù)字孿生體及其成熟度等級
有據(jù)可查的“數(shù)字孿生”概念提出者，是美國空軍研究實驗室 (AFRL，Air Force Research Laboratory) 。2011 年 3 月，他們做了一次演講，題目是“Condition-based Maintenance Plus Structural Integrity (CBM+SI) & the Airframe Digital Twin (基于狀態(tài)的維護+結(jié)構(gòu)完整性&戰(zhàn)斗機機體數(shù)字孿生)”，首次明確提到了數(shù)字孿生。當(dāng)時，AFRL 希望實現(xiàn)戰(zhàn)斗機維護工作的數(shù)字化，而數(shù)字孿生是他們想出來的創(chuàng)新方法。
針對數(shù)字孿生、數(shù)字孿生體業(yè)界已經(jīng)有不下十幾種定義，本文借用數(shù)字孿生體實驗室在2019年底發(fā)布的《數(shù)字孿生體白皮書》中的定義：數(shù)字孿生體是現(xiàn)有或?qū)⒂械奈锢韺嶓w對象的數(shù)字模型，通過實測、仿真和數(shù)據(jù)分析來實時感知、診斷、預(yù)測物理實體對象的狀態(tài)，通過優(yōu)化和指令來調(diào)控物理實體對象的行為，通過相關(guān)數(shù)字模型間的相互學(xué)習(xí)來進化自身，同時改進利益相關(guān)方在物理實體對象生命周期內(nèi)的決策。加上“體”字，是借中文的“體”來應(yīng)對和減少Digital Twin翻譯為中文時在不同場景下的不確定性。
數(shù)字孿生體不僅僅是物理世界的鏡像，也要接受物理世界實時的信息，更要反過來驅(qū)動物理世界，而且進化為物理實際的先知、先覺甚至超體。這個演變過程稱為成熟度進化，即一個數(shù)字孿生體的勝場發(fā)育將經(jīng)歷數(shù)化、互動、先知、先覺和共智等幾個階段。
▌配電網(wǎng)數(shù)字孿生體
3.1? DNDT的概念定義
配電網(wǎng)數(shù)字孿生體（DNDT：Distribute Network Digital Twin）對應(yīng)的是真實世界中的配電網(wǎng)，是包括架空線路、桿塔、電纜、配電變壓器、開關(guān)設(shè)備、無功補償電容等配電設(shè)備及附屬設(shè)施在內(nèi)的配電網(wǎng)系統(tǒng)在虛擬數(shù)字空間的完整映射，通過全覆蓋度的高密度動態(tài)數(shù)據(jù)，完全反映實體及其之間關(guān)系在全生命周期時間尺度內(nèi)的動態(tài)變化，它能實現(xiàn)與物理配電網(wǎng)系統(tǒng)的信息與動作的交互，同時也能支撐應(yīng)用系統(tǒng)實現(xiàn)基于數(shù)字孿生體全模型數(shù)據(jù)智能分析、動態(tài)決策、互感協(xié)作，是一個數(shù)字化的生命體集合或更大尺度與范疇的數(shù)字孿生體。
注：
如無特殊說明，本文用DNDT來代表配電網(wǎng)數(shù)字孿生體。
3.2? DNDT的成熟度特征
3.3? DNDT的典型特點
3.3.1 面向全生命周期
DNDT不僅是面向?qū)ο蟮模彩敲嫦蜻^程的，這種面向過程的特點表征在一個數(shù)字與時間主線上，即在配電網(wǎng)的相關(guān)創(chuàng)新設(shè)計，生產(chǎn)、施工環(huán)節(jié)的價值鏈條和對設(shè)備等系統(tǒng)進行運營、運行維護等各環(huán)節(jié)均有數(shù)字孿生概念體現(xiàn)。數(shù)字孿生體是有生命的，既然是有生命的，即意味著每個配電站數(shù)字孿生體、變電站數(shù)字孿生體、架空線數(shù)字孿生體和線纜數(shù)字孿生體都是存在著孕育、出生、成長和退出階段的，在保證合理規(guī)劃、優(yōu)質(zhì)工程、安全生產(chǎn)、可靠運行的前提條件下，追求全壽命周期最優(yōu)目標。面向全生命周期內(nèi)的配電網(wǎng)數(shù)字孿生體應(yīng)用模型如圖所示。
同時面向全生命周期的配電網(wǎng)數(shù)字孿生體需要能夠細化粒度到全網(wǎng)、廠站端、設(shè)備、部件和原子零件等不同層級，以面向變電站設(shè)備運維與故障分析的設(shè)備全生命周期推演為例，設(shè)備從設(shè)計、采購、安裝、檢修、臺帳、故障記錄等所有過程性數(shù)據(jù)按時間線進行建模與存儲（設(shè)備數(shù)字孿生體），當(dāng)有設(shè)備發(fā)生故障并觸發(fā)告警事件后，運檢人員能夠清晰得到當(dāng)前設(shè)備的所有生命演進進程數(shù)據(jù)，比如什么時候進行過檢修，更換零部件情況，出現(xiàn)嚴重隱患與故障情況，每次搶修的過程與解決方案等等。通過對設(shè)備的全生命周期的記錄與推演，能夠幫助運維人員快速分析設(shè)備隱患與故障，更加高效地進行防范風(fēng)險與故障維修。
3.3.2 全數(shù)據(jù)與全感知
數(shù)化是配電網(wǎng)數(shù)字孿生體構(gòu)建的核心基礎(chǔ)支撐工作，這是構(gòu)建在數(shù)據(jù)高覆蓋度、體系化細粒度與高實時性特點基礎(chǔ)之上的。
所謂全覆蓋，必須要面向構(gòu)成配電網(wǎng)的所有物（設(shè)備）、流程、財、組織和人員進行有效的數(shù)據(jù)建模，以單個變電站為例，建設(shè)全覆蓋的感知網(wǎng)絡(luò)，會涵蓋主變、開關(guān)柜、小電阻、電容器、蓄電池、站內(nèi)電纜等6大類設(shè)備共計25類感知技術(shù)，才能對設(shè)備運行狀態(tài)以及環(huán)境運維情況開展全面、準確、及時的狀態(tài)感知，而面向配電網(wǎng)的“萬物數(shù)化”工作而言，這一切無疑是一個龐大而又不可或缺的巨大工程；
所謂“體系化細粒度”，是指一切數(shù)化的指標必須能構(gòu)建面向建設(shè)、應(yīng)用、評估與考核的配電網(wǎng)指標體系，而且同時這種指標體系是能夠穿透到最底層的單一技術(shù)指標的。配電網(wǎng)具有點多、面 廣、線路長的特點，其指標體系的建立需要確保指標體系的實用性和可操作性，既要準確、規(guī)范具有可比性，又要真實可靠可采集，同時還要細粒度到原子數(shù)據(jù)指標，如變壓器智能傳感器指標：鐵芯高頻局放幅值、鐵芯高頻局放次數(shù)、夾件高頻局放幅值、夾件高頻局放次數(shù)、鐵芯接地電流、夾件接地電流等；
高實時性與數(shù)據(jù)的采集密度以及靈敏感知關(guān)系密切，只有在更小的時間距離下來傳感與采集數(shù)據(jù)，數(shù)字孿生體才能更及時感知物理對象的變化，才能更快地作出決定與反饋。從技術(shù)層面看，實現(xiàn)的基礎(chǔ)有賴于5G、傳感和區(qū)塊鏈等新興技術(shù)的成熟引入。
3.3.3 階梯構(gòu)建與螺旋進化
DNDT的成熟度是按照一定的階梯性規(guī)律來實現(xiàn)的。每個階段都是在上一個階段的基礎(chǔ)上來不斷優(yōu)化與成長，而下一個階段的更高要求又反向促進上一階段的不斷優(yōu)化與完善。而且，很難出現(xiàn)跨越階段發(fā)展的情況出現(xiàn)，因為每一個成熟度階段都是下一個階段開始的基礎(chǔ)和出發(fā)點。
▌配電網(wǎng)數(shù)字孿生評價系統(tǒng)
4.1? DNDT-ES定義
配電網(wǎng)數(shù)字孿生評價系統(tǒng)（DNDT-ES：Distribute Network Digital Twin Evaluate System）是數(shù)字孿生理念與技術(shù)在電力行業(yè)的落地實踐。系統(tǒng)基于無人機、機器人、輔助設(shè)備和傳感器等多種監(jiān)測手段，匯聚變電站一次、二次設(shè)備以及電纜、線路等數(shù)據(jù)資源構(gòu)建配電網(wǎng)數(shù)字孿生體，以人工智能為核心，利用深度學(xué)習(xí)、知識圖譜等能力，結(jié)合5G、大數(shù)據(jù)、邊緣計算等技術(shù)進行智能診斷、預(yù)測性維護，實現(xiàn)全對象的精益管理、精益檢測和精益管控，加強配電網(wǎng)全狀態(tài)量感知力與協(xié)作力，增強安全生產(chǎn)保障能力，提高運檢精益管理水平。建設(shè)配電網(wǎng)數(shù)字孿生系統(tǒng)，以“電力云”與“新基建”相關(guān)技術(shù)為支撐，以“數(shù)據(jù)驅(qū)動”與“知識驅(qū)動”為核心，以全壽命周期精益管理為鏈條，能夠支撐加快建立安全、經(jīng)濟、精準、智能的運維檢修模式，探索可復(fù)制可推廣的物聯(lián)網(wǎng)高質(zhì)量發(fā)展方向，全方位打造智慧可靠、節(jié)本增效的下一代配電網(wǎng)新標桿。
4.2? DNDT-ES系統(tǒng)架構(gòu)
物理世界感知：面向傳感器、智能終端單元，對設(shè)備運行、設(shè)備安全等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行采集、感知。電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，在感知層需要鋪設(shè)大量的傳感設(shè)備（如智能電表、溫度 傳感等），還需要其他終端產(chǎn)品用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、邊緣計算和通信服務(wù)的功能。面向電力物聯(lián)網(wǎng)的典型傳感技術(shù)包括如非介入式負荷辨識技術(shù)、傳感芯片技術(shù)應(yīng)用、基于HPLC的用采高級應(yīng)用技術(shù)、基于HPLC的雙模通信技術(shù)、綜合能源測量感知技術(shù)和電力互感器在線監(jiān)測技術(shù)等；通過標準化服務(wù)接口、通訊統(tǒng)一傳輸協(xié)議，將傳感器后臺、輔助設(shè)備、無人機數(shù)據(jù)、紅外視頻、機器人視頻、運營中臺、電力管理系統(tǒng)等應(yīng)用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)等感知層進行數(shù)據(jù)接入；
通訊網(wǎng)絡(luò)：利用先進的信息通信技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)互通、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)以及資源互操作的功能。在不同的業(yè)務(wù)場景下,通過靈活的網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度滿足不同場景下通信的差異性需求。此外網(wǎng)絡(luò)層還需要保障數(shù)據(jù)的安全可靠傳輸；
數(shù)據(jù)智能服務(wù)：對海量電力接入數(shù)據(jù)的采集與處理，建立統(tǒng)一數(shù)學(xué)模型與配電網(wǎng)指標體系，集中統(tǒng)一、實時高效的對數(shù)據(jù)進行分析、形成配電網(wǎng)數(shù)據(jù)治理體系；一方面對多源數(shù)據(jù)進行深度學(xué)習(xí),形成專家知識圖譜，實現(xiàn)設(shè)備的快速實時監(jiān)測、智能運維和資源優(yōu)化調(diào)度等;另一方面建立面向通用與專用業(yè)務(wù)場景的智能算法分析平臺，通過智能算法對大量數(shù)據(jù)進行快速處理，適用于實時數(shù)據(jù)的快速擴展，具體高吞吐量、高容錯處理的特點；
應(yīng)用系統(tǒng)：針對各類用戶，如管理層、設(shè)備運檢維護人員、調(diào)度管控人員等構(gòu)建面向配電網(wǎng)全生命周期的變電、配電、架空、電纜四大類下的一系列運營、監(jiān)控與運維分析應(yīng)用系統(tǒng)，能夠滿足支撐這些用戶在日常以及應(yīng)急各種場景下的工作需求；在不同電網(wǎng)公司和配電網(wǎng)建設(shè)需求的不同階段和成熟度等級，這些應(yīng)用系統(tǒng)沒有唯一、固定的界定范圍。例如，某省電網(wǎng)公司規(guī)劃的配電網(wǎng)數(shù)據(jù)孿生系統(tǒng)包括：全業(yè)務(wù)運行管理中臺、變電站數(shù)字孿生評價子系統(tǒng)（巡檢機器人系統(tǒng) 、安全帽系統(tǒng)、電能質(zhì)量系統(tǒng)、主網(wǎng)管控系統(tǒng)、變電站綜合監(jiān)測系統(tǒng)等）、配電站數(shù)字孿生評價子系統(tǒng)（智慧門衛(wèi)系統(tǒng)、巡檢機器人系統(tǒng)、智能鎖、配電站綜合監(jiān)測等系統(tǒng)）、架空線路數(shù)字孿生評價子系統(tǒng)（移動作業(yè)搶修系統(tǒng)、輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、輸電線路通道可視化智慧型監(jiān)拍系統(tǒng)、低壓監(jiān)控及快速搶修系統(tǒng)等）和電纜線路數(shù)字孿生評價子系統(tǒng)（智能井蓋管控告警系統(tǒng)、電纜綜合監(jiān)控系統(tǒng)、電纜通道分布式光纖震動監(jiān)控系統(tǒng)等）。
4.3? 面向運維的典型場景
面向配電網(wǎng)全生命周期運行、監(jiān)控與運維分析下的一系列變電、配電、架空、電纜四大類下的細化場景有很多，這里選取一些典型的在不同的數(shù)字孿生體成熟度階段的不同領(lǐng)域進行舉例說明。
4.3.1 配電網(wǎng)可視化管控
該場景屬于“數(shù)化”成熟度面向設(shè)備運維檢修階段的應(yīng)用。利用數(shù)字孿生技術(shù)，匯聚轄區(qū)內(nèi)變電站、桿塔、架空線路以及線纜的環(huán)境和設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過3D可視化、VR巡視可視化的方式進行實時動態(tài)展示，利用大數(shù)據(jù)分析、人工智能等技術(shù)手段對數(shù)據(jù)挖掘分析，實現(xiàn)變電站設(shè)備的全狀態(tài)量感知與管理。該場景可充分展現(xiàn)智慧變電站運維建設(shè)、調(diào)度和設(shè)備管理水平，幫助電網(wǎng)公司管理層進行高效智能的綜合指揮決策。
1）配電網(wǎng)整體運行態(tài)勢感知：基于GIS地圖工具，標記變電站地理位置，展示電力走線形式，3D可視的視覺效果。
2）變電站內(nèi)/外景：3D實體、透明展示，直觀具像，空間立體感強烈，設(shè)備綜合運行指標實時動態(tài)展示。
3）設(shè)備三維展示：變電站設(shè)備3D實體、透明展示，設(shè)備虛擬模型數(shù)學(xué)仿真映射，全局信息實時動態(tài)刷新。
４）專題展示分析：對整個電網(wǎng)網(wǎng)架（發(fā)、輸、配、變、用）不同維度的三維展示方式，反映真實電網(wǎng)網(wǎng)架、架空線路、電纜線路等各類專題的三維場景。如可設(shè)置電纜管道透明度，并對不同透明度的電纜管道及管道內(nèi)電纜進行展示等。
4.3.2 變電站設(shè)備故障告警
該場景屬于“先知”成熟度面向配電網(wǎng)中變電站設(shè)備運維檢修的應(yīng)用。變電站是電網(wǎng)調(diào)度自動化最為重要的環(huán)節(jié)之一 ,而變電站基礎(chǔ)設(shè)備可能伴隨著各類故障的發(fā)生。通過對變電站動力設(shè)備、室內(nèi)外環(huán)境數(shù)據(jù)、電力隧道氣體、安防報警、設(shè)備控制、電纜溫度等數(shù)據(jù)指標的進行梳理，通過將各種經(jīng)驗變?yōu)楸O(jiān)控系統(tǒng)中的告警模板，實現(xiàn)在線實時監(jiān)測，可以將事故后報警轉(zhuǎn)變?yōu)槭鹿是邦A(yù)警、事故時控制；轉(zhuǎn)變?nèi)斯な降墓收吓袛嗯懦秊榧夹g(shù)以及規(guī)則性自動化判斷。如下圖所示在某省網(wǎng)管控中心變電站設(shè)備告警規(guī)則設(shè)置與告警信息展示。
4.3.3 電力設(shè)備缺陷分析
該場景屬于“先知”成熟度面向配電網(wǎng)中變電站設(shè)備運維檢修的應(yīng)用。電力設(shè)備的使用壽命受溫度、濕度、光照等環(huán)境因素影響。在不同運行環(huán)境下，設(shè)備出現(xiàn)故障或缺陷的概率不同。通過對電力設(shè)備發(fā)生歷史故障或缺陷數(shù)據(jù)進行時序分析，能夠清晰地展示出設(shè)備在不同時間發(fā)生的故障或缺陷的變化情況。再結(jié)合歷史氣象和環(huán)境數(shù)據(jù)，建立設(shè)備運行環(huán)境模型，分析影響設(shè)備健康運行的關(guān)鍵因素，幫助設(shè)備維護人員科學(xué)制定檢修計劃，將設(shè)備檢修模式由被動轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃印?
4.3.4 性能性能劣化拐點分析
該場景屬于“先覺”成熟度面向配電網(wǎng)中設(shè)備運維檢修的應(yīng)用。挖掘各型設(shè)備全壽命周期或周期片段運行數(shù)據(jù)、缺陷數(shù)據(jù)以及溫度、濕度、負荷、不良工況等影響因素，分析在不同運行環(huán)境參數(shù)下各型設(shè)備及其相關(guān)部件性能出現(xiàn)劣化拐點的運行年限，從而掌握不同運行年限時各型設(shè)備高發(fā)的缺陷類型，為各型設(shè)備建立“健康檔案”，從而為設(shè)備選型、設(shè)備日常運維檢修、老舊設(shè)備大修技改、備品備件儲備等生產(chǎn)業(yè)務(wù)提供數(shù)據(jù)支撐；
4.3.5 基于知識圖譜的多種應(yīng)用
該場景屬于“先覺”成熟度面向配電網(wǎng)中設(shè)備運維檢修的應(yīng)用。知識圖譜在智能電網(wǎng)領(lǐng)域的典型應(yīng)用包括如電力設(shè)備缺陷記錄檢索、智能變電站二次安全措施自動生成、設(shè)備故障診斷與管理等。比如借助知識圖譜技術(shù)，利用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法，基于智能推理對變電站與配電站設(shè)備、線纜和架空線等狀態(tài)評價和故障診斷提供智能推理診斷和相似缺陷案例報告推薦；
4.3.6 智能的電力負荷預(yù)測
該場景屬于“先覺”成熟度面向配電網(wǎng)中運營以及設(shè)備運維檢修的應(yīng)用?；诖罅康臍v史數(shù)據(jù)，建立科學(xué)有效的預(yù)測模型，采用有效的算法，進行大量試驗性研究，總結(jié)經(jīng)驗，不斷修正模型和算法，從而反映真實的負荷變化規(guī)律，對負荷進行準確預(yù)測。準確的負荷預(yù)測可以更科學(xué)地安排電網(wǎng)內(nèi)部發(fā)電機組的啟停，保持電網(wǎng)安全穩(wěn)定的運行，減少不必要的旋轉(zhuǎn)儲備容量、優(yōu)化機組檢修計劃、有效地降低發(fā)電成本。
4.3.7 疑似家族性缺陷分析
該場景屬于“先覺”成熟度面向配電網(wǎng)中設(shè)備運維檢修的應(yīng)用。將采集到的廠站、設(shè)備、設(shè)備故障缺陷、設(shè)備供應(yīng)廠商、電力公司等多維數(shù)據(jù)深度融合，建立關(guān)聯(lián)關(guān)系。再結(jié)合知識圖譜、人工智能算法，實現(xiàn)對設(shè)備的家族性缺陷分析。通過設(shè)備家族性缺陷分析，可以清晰的反應(yīng)出設(shè)備供應(yīng)商的產(chǎn)品和設(shè)備故障缺陷現(xiàn)象、問題根源存在的密切聯(lián)系。還可以通過對同類原因故障缺陷進行分析，實現(xiàn)設(shè)備疑似家族性缺陷發(fā)生的概率并進行排序，便于檢修人員判斷其他相關(guān)設(shè)備潛存在相同缺陷的可能性。同時，設(shè)備家族性缺陷分析也可以為設(shè)備選型、供應(yīng)商篩選提供重要的決策依據(jù)。
4.3.8 電力設(shè)備質(zhì)量溯源
該場景屬于“先知”成熟度面向配電網(wǎng)中變電站設(shè)備運維檢修的應(yīng)用。將設(shè)備的設(shè)計、制造、運輸、驗收、運維等多個環(huán)節(jié)的質(zhì)量信息全景記錄采集并存儲。再結(jié)合5G、物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測技術(shù)、自動識別技術(shù)構(gòu)建設(shè)電力設(shè)備的溯源體系。通過設(shè)備溯源可以對供應(yīng)商產(chǎn)品質(zhì)量進行質(zhì)量監(jiān)督，減少甚至杜絕問題設(shè)備進入市場；準確定位設(shè)備問題源頭，消除同類設(shè)備的質(zhì)量問題隱患，將設(shè)備質(zhì)量問題及時攔截并糾正處理，可大幅降低設(shè)備的更換頻率和設(shè)備采購成本，運維成本也將隨之降低。同時，電力設(shè)備溯源也會促進電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性、可靠性不斷提高。
4.3.9 智能決策大腦
該場景屬于“共智”成熟度面向配電網(wǎng)運營管理以及設(shè)備運維檢修的應(yīng)用。該場景也是智能配電網(wǎng)建設(shè)的高級階段，通過智能決策大腦，能夠達到“統(tǒng)一管控”與變電站數(shù)字孿生體之間以及與輸電線路數(shù)字孿生體之間“自由互助”的平衡。以此實現(xiàn)配電網(wǎng)與電力系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的協(xié)調(diào)和優(yōu)化運行以及故障情況下的問題定位、隔離、恢復(fù)和負荷轉(zhuǎn)移等；以在“國家電網(wǎng)公司智能配電網(wǎng)頂層設(shè)計技術(shù)路線”規(guī)劃中提到的配電網(wǎng)智能化運維管控平臺為例，基于配電網(wǎng)大數(shù)據(jù)、利用人工智能技術(shù)，為配電網(wǎng)運維檢修管理提供智能決策和協(xié)同指揮，縱向?qū)崿F(xiàn)“國網(wǎng)-網(wǎng)省-地市-縣-班所”逐級管控，橫向?qū)崿F(xiàn)配電網(wǎng)配變設(shè)備的“站線變”逐級管控。
▌總結(jié)與展望
數(shù)字孿生是一種技術(shù)理念，這種技術(shù)理念應(yīng)用到配電網(wǎng)的全生命周期中時，就形成了面向配電網(wǎng)的數(shù)字孿生體模型及其評價系統(tǒng)。但最終的目標，還是需要落腳在用戶的核心需求上來，通過針對建立數(shù)字孿生的全數(shù)據(jù)模型實現(xiàn)基于數(shù)據(jù)驅(qū)動、算法融合工程化的場景化賦能。本文給出了面向“共智”的配電網(wǎng)數(shù)字孿生評價系統(tǒng)的典型場景，但是“共智”是建立在前面一系列的“數(shù)化”、“互動”、“先知”、“先覺”的成熟度基礎(chǔ)之上的，在企業(yè)構(gòu)建數(shù)字孿生體及其評價系統(tǒng)的過程中，要按照科學(xué)和迭代的思路不斷螺旋式的完善與優(yōu)化。而且隨著數(shù)字孿生技術(shù)理念在配電網(wǎng)的不斷落地與成熟，相信會有更多、更高階的“共智”場景會被大家探索與實踐，為構(gòu)建安全、可靠、高效、節(jié)本的配電網(wǎng)貢獻智慧力量。
