0引言
配電室是電網(wǎng)系統(tǒng)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非常重要的作用。傳統(tǒng)的配電室管理都是采用人工巡查和定時檢查的方式進行,導致了配電室中的安全隱患得不到及時解決,只有出現(xiàn)問題時才能發(fā)現(xiàn)故障。數(shù)字孿生為這些難題的解決提供了新途徑?!皵?shù)字李生"是利用人工智能、傳感和模擬工具等數(shù)字化技術,在真實世界和物理實體之間通過平行交互、精確映射和虛實迭代的一種新的方法。數(shù)字孿生技術能夠對真實環(huán)境中的實體進行監(jiān)測、診斷和預測,本課題在分析數(shù)字化李生技術特性的基礎上,從配電機房運行與管理的實際需要出發(fā),分析其概念,研究基于數(shù)字化孿生的配電機房運行與管理的技術體系與核心技術,為進一步提升工作效率做鋪墊。
1數(shù)字孿生技術內(nèi)涵
“數(shù)字孿生"是一種新興的信息技術,它將人工智能、傳感器、模擬工具等多種數(shù)據(jù)有機地結合在一起,從而實現(xiàn)實體與虛擬的交互和傳送。目前,數(shù)字孿生技術已被廣泛地用于對物體狀態(tài)和人類行為進行監(jiān)測和預測。“數(shù)字孿生電網(wǎng)"對于將“數(shù)字孿生"技術與新型電力系統(tǒng)相結合,通過虛擬現(xiàn)實的互動,逐步激活電網(wǎng)、裝備等多源數(shù)據(jù),深度挖掘數(shù)據(jù)資源與信息,提升高維、多層次的“視點"輔助運行能力;實現(xiàn)了電力系統(tǒng)在虛擬與真實兩個空間上的動態(tài)實時映射?!皵?shù)字孿生電網(wǎng)"是基于“數(shù)字孿生"的基礎設施和電網(wǎng)的數(shù)字化改造,從“數(shù)字空間"、“人員"和“環(huán)境"三個層面,構建“數(shù)據(jù)驅動、全生命周期"的“數(shù)字孿生體",提升“數(shù)據(jù)驅動"的全生命周期以及應用效能。而對于配電室而言,在其內(nèi)部使用數(shù)字孿生技術,可以有效地提高配電室的運營和管理效率,并以數(shù)字孿生技術為基礎,對其關鍵技術要素進行深度挖掘,從而為提高配電室的運營和維修水平提供新思路。
2數(shù)字孿生的關鍵技術實現(xiàn)
從基本的層次化思想出發(fā),歸納了數(shù)字孿生技術在實際應用中的通用解決方案。首先,建立一條信道,以實現(xiàn)與物理實體之間的信息實時傳遞。其次,基于實際數(shù)據(jù),建立了一個具有較強擬合性的數(shù)字孿生模型,并對模型進行了模擬和分析。如果得到的結果與需要相匹配,那么就可以使用這個數(shù)字孿生體,對其進行輔助決策,從而有助于實現(xiàn)改善產(chǎn)品設計、提高生產(chǎn)效率等生產(chǎn)目標,或者是實現(xiàn)故障診斷與預警等維護目標;具體的數(shù)字孿生技術還體現(xiàn)在以下幾個層面。
2.1建模
建模是開展數(shù)字孿生研究的前提與基礎。與傳統(tǒng)的建模相比,數(shù)字孿生模型不但要對物體的實體特性進行精細的3D建模,還要對物體的操作特性進行全數(shù)字化的仿真,物體的材料、操作模式、軟件算法等都歸屬于建模的范圍。
2.2模擬
模擬是對數(shù)字孿生模型進行驗證的重要手段。通過模擬驗證,驗證數(shù)字孿生系統(tǒng)是否能夠準確地再現(xiàn)出實體的客觀操作規(guī)則,以及對實體數(shù)據(jù)的收集是否滿足精度要求;在數(shù)字孿生模型中,每個步驟的進展都離不開模擬結果支持。
2.3處理數(shù)據(jù)
海量數(shù)據(jù)的高效采集是數(shù)字孿生技術應用的前提,也是實現(xiàn)數(shù)字孿生技術應用于故障診斷、結果預測和故障識別等多方面的關鍵技術。數(shù)字孿生所使用的數(shù)據(jù)具有高密度和低價值的特征。由于數(shù)字孿生技術對時間的要求很高,這就要求在更高層次上采用更高層次的算法來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時處理,從而提高數(shù)據(jù)傳輸效率。
3數(shù)字孿生配電室的系統(tǒng)構架
利用建模的形式構建出一個與現(xiàn)實配電室相同的3D模擬配電室,將其采集的數(shù)據(jù)融入至模擬配電室中,其中電流、電壓、溫濕度以及監(jiān)控和設備報警裝置都屬于數(shù)據(jù)范疇,利用虛擬配電室模型可以隨時隨地查看設備的運行情況以及狀態(tài)。通過對配電網(wǎng)運行狀態(tài)、環(huán)境變化、突發(fā)干擾等實時數(shù)據(jù)的分析、學習和計算,實現(xiàn)配電網(wǎng)運行狀態(tài)、環(huán)境變化、突發(fā)干擾等數(shù)據(jù)和模擬結果的充分互動和深度融合,達到數(shù)據(jù)感知、實時分析、智能決策和精準執(zhí)行的目的。同時,該系統(tǒng)還能對配電室中的設備進行壽命分析,并能對配電室中的設備進行壽命管理。
4配電室數(shù)字孿生的關鍵要素與功能
4.1要素
(1)提供精準數(shù)據(jù):配電室的各種數(shù)據(jù)是實現(xiàn)數(shù)字孿生的前提和依據(jù),需要在機房內(nèi)設置相應的設備,使機房內(nèi)的主要物性參數(shù)盡可能完整,并保證獲取的及時性以及具大的存儲空間,以便存儲機房整個生命周期內(nèi)的數(shù)據(jù)。采集裝置、網(wǎng)絡通道要穩(wěn)定、可靠,才能保證所采集到的數(shù)據(jù)的真實性和準確性;此外,還要強化對業(yè)務過程的管理,以保證檔案類數(shù)據(jù)的詳細、準確。
(2)對建模進行科學合理化分析:配電室數(shù)字孿生核心功能包括檢測、診斷、預測等等,而科學合理地分析模型是實現(xiàn)以上前提的先決條件。在技術發(fā)展過程中,配電室存在一定的物理特征,為確保模型的科學有效性,還需根據(jù)以往的各類及時數(shù)據(jù)來進行深入研究,確保多元化的因素不會對其模型構建造成阻礙。
(3)邊緣計算能力:受配電室數(shù)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,以實現(xiàn)對配電室內(nèi)各種運行狀態(tài)數(shù)據(jù)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際運行情況,并能及時地做出預警和處理,減少現(xiàn)場維護人員的工作量,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(shù)字孿生技術,能夠通過建模的方法,精準掌握數(shù)據(jù)與模型之間的關系,是實現(xiàn)配電室運行轉臺監(jiān)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(xiàn),可利用該設備實現(xiàn)配變監(jiān)測、開關量采集以及低壓開關位置信息采集等功能;在此基礎上,相關的工作者要以邊緣計算所提供的數(shù)據(jù)為基礎,對其展開深入調研以及探究,積極做好區(qū)域自動控制與調節(jié)工作。在傳統(tǒng)的配電室中存在著諸多問題,比如缺少巡視記錄、人工操作繼續(xù)以及缺乏相關工作資料等等,而數(shù)字孿生技術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(shù)字孿生關鍵技術在配電室中的應用
5.1智慧云平臺建設
基于當前主流微服務開放源代碼架構的“數(shù)字孿生"智能云平臺,采用分布式、虛擬化、微服務、信息總線等技術,構建一個科學合理的大數(shù)據(jù)收集和分析平臺,充分發(fā)揮“數(shù)字孿生"的技術優(yōu)勢,實現(xiàn)對配電室總體運行狀況的直觀、真實地展示。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(shù)字模型與實體設備進行有效地聯(lián)系起來,能夠實時地獲取監(jiān)控系統(tǒng)中所監(jiān)測到的操作數(shù)據(jù)信息。智慧云平臺的建設能夠將配電室內(nèi)的環(huán)境、擾動狀況、運行設備等實時數(shù)據(jù)和仿真情況相結合,實現(xiàn)配電網(wǎng)設備與環(huán)境的實時管理和控制;全面的配電環(huán)境以及可視化的管理平臺可實現(xiàn)配電室系統(tǒng)管理,相關工作人員可根據(jù)數(shù)字孿生配電室所提供的資料信息來完成數(shù)據(jù)感知,不僅如此,相關工作人員還可利用手機客戶端來實現(xiàn)數(shù)據(jù)勘察,沒有時間空間限制,有利于第一時間排除配電室的風險隱患。
5.2物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關技術
物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關是將物聯(lián)網(wǎng)技術應用于配電室,通過搭建軟硬件平臺,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(tǒng),實現(xiàn)業(yè)務需求。該智能網(wǎng)關是一種集數(shù)據(jù)融合、邊緣計算于一體的新型網(wǎng)絡系統(tǒng),能夠對配電機房的關鍵技術節(jié)點進行全面的信息收集和實時監(jiān)控。配電物聯(lián)網(wǎng)是基于智能網(wǎng)關的,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(tǒng)手工操作,減少人為操作所帶來的局限性,大大提高工作質量;并且可以對配電房的工作狀態(tài)進行全天候的實時跟蹤和監(jiān)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(xiàn)形式,它的主要職責是將通信協(xié)議傳遞到各個設備端口,在低寬帶以及網(wǎng)絡不穩(wěn)定的環(huán)境下,還可以實現(xiàn)良好的服務效果。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(jù)目前我國用戶配電是現(xiàn)狀分析得知,中壓部分的改造方案可被分為以下幾個方面;首先;將全新的配電終端與中壓柜進行有機融合,利用101以及104規(guī)約渠道將數(shù)據(jù)傳輸給智能網(wǎng)關,再通過智能網(wǎng)關來實現(xiàn)智慧平臺數(shù)據(jù)接收。其次;在中壓柜中,要利用保護模塊,將數(shù)據(jù)通過103規(guī)約傳遞給智慧平臺。*后;中壓柜沒有任何智能化設備,因此可以在柜體內(nèi)部安裝一個智能終端,對每個柜體的電氣量和非電能量進行采集,并使用104規(guī)約與智能網(wǎng)關展開通信,智能網(wǎng)關將其轉發(fā)給智慧云平臺。在對中壓部分進行了改造之后,它可以實現(xiàn)對中壓柜的電壓、電流等電學參數(shù)的采集與監(jiān)控,也可以實現(xiàn)對非電學參數(shù)的采集,如局放、電纜接頭溫度、柜體溫度等。
(2)低壓:變壓器柜、進線柜、補償柜、出線柜、聯(lián)絡柜以及配電室內(nèi)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(guī)約,通過智能網(wǎng)關路由模式與智慧云平臺進行通信。
5.5設計聯(lián)動方案
聯(lián)動方案的設計,主要是將配電室環(huán)境、視頻以及安防聯(lián)動進行有機地結合起來,通過在配電室視頻監(jiān)控系統(tǒng)中安裝網(wǎng)絡攝像頭以及視頻分析主機,對智能網(wǎng)關路由進行訪問,從而達到HTTP協(xié)議與智慧云平臺的互聯(lián)互通。一般來說,配電室環(huán)境監(jiān)控的重點是對配電室的溫度、濕度等信息進行監(jiān)控,通過傳感器和智能物聯(lián)裝置之間的實時通信來加強動態(tài),現(xiàn)場聯(lián)動的效果。在智能物聯(lián)系統(tǒng)中,對綜合監(jiān)測設備的布線方式主要采用“智能網(wǎng)關路由"方式。
6配電室中應用數(shù)字孿生技術的主要注意事項
6.1強化配套傳感裝置的推廣
在現(xiàn)代化發(fā)展的背景下,智能電表被廣泛地普及并使用,它可以對電力用戶的用電信息進行實時監(jiān)控,還可以對配電變壓器電流及電壓等重要參數(shù)進行滲透。在現(xiàn)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路電流、配電變壓器觸頭溫度以及戶外變壓器拓撲關系等重要信息。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(qū),以確保其對重要數(shù)據(jù)的全面采集,并逐漸達到對配網(wǎng)臺區(qū)實際運行狀況進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(shù)據(jù)平臺的重視
由于配網(wǎng)臺區(qū)的文件數(shù)據(jù)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(tǒng)中,這給配網(wǎng)臺區(qū)的數(shù)字孿生計算和分析帶來了一定的困難,如數(shù)據(jù)不準確,則會給后續(xù)配電室的運行帶來嚴重影響,導致在實際應用中的效率呈現(xiàn)下降趨勢。因此,要加強對多維數(shù)據(jù)的整合與共享,建立專業(yè)化的整合與共享平臺,加強對相關工作的規(guī)范執(zhí)行,落實好具體工作人員的職責,為在配電網(wǎng)區(qū)實現(xiàn)“數(shù)字孿生"技術的有效運用貢獻力量。
6.3深度研究計算分析模式,加大開發(fā)力度
在配網(wǎng)臺區(qū)數(shù)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,應更多地關注其計算分析模式,并將其與現(xiàn)實狀況和各種數(shù)據(jù)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(qū)數(shù)字化孿生中的核心工作內(nèi)容。在新時代發(fā)展的大背景下,人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)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(qū)的“數(shù)字孿生"技術在我國的應用水平,為實現(xiàn)更高的經(jīng)濟效益奠定基礎。
7安科瑞配電室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)
7.1概述
配電室綜合監(jiān)控系統(tǒng)包括智能監(jiān)控系統(tǒng)屏、通訊管理機、UPS電源、視頻監(jiān)控子系統(tǒng)(云臺球機、槍機)、環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)(溫度、濕度、水浸、煙感)、控制子系統(tǒng)(燈光、空調、除濕機、風機、水泵)、門禁監(jiān)控子系統(tǒng)(讀卡器、開門按鈕、磁力鎖)、安防監(jiān)控子系統(tǒng)(雙鑒檢測器)。
7.2應用場所
適用于軌道交通,工業(yè),建筑,學校,商業(yè)綜合體等35kV及以下用戶端供配電自動化系統(tǒng)工程設計、施工和運行維護。
7.3系統(tǒng)結構
7.4系統(tǒng)功能
7.4.1實時監(jiān)測
能夠顯示配電室設備的運行狀態(tài),實時監(jiān)測配電室環(huán)境參數(shù)信息,實時顯示有關故障、告警等信息。
7.4.2數(shù)據(jù)查詢
在人機界面中,可以直接查看配電室中各個設備的運行數(shù)據(jù)。
7.4.3曲線查詢
可以直接查看各電參量曲線。
7.4.4運行報表
查詢配電室內(nèi)設備的運行數(shù)據(jù)報表。
7.4.5實時告警
具有實時告警功能,系統(tǒng)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
能夠對產(chǎn)生的所有事件記錄進行存儲和管理,方便用戶對系統(tǒng)事件和進行歷史追溯、查詢統(tǒng)計、事故分析。
7.4.7用戶權限管理
設置了用戶權限管理功能,可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限。
7.4.8網(wǎng)絡拓撲圖
支持實時監(jiān)視并診斷各設備的通訊狀態(tài),能夠完整的顯示整個系統(tǒng)網(wǎng)絡結構。
7.4.9遙控功能
可以對整個配電系統(tǒng)范圍內(nèi)的設備進行遠程遙控操作。
7.5系統(tǒng)硬件配置
名稱 | 型號 | 圖片 | 功能 |
系統(tǒng) | ACREL-2000E |
| Acrel-2000E配電室綜合監(jiān)控系統(tǒng),可實現(xiàn)開關柜運行監(jiān)控、高壓開關柜帶電顯示、母線及電纜測溫監(jiān)測、環(huán)境溫濕度監(jiān)測、有害氣體監(jiān)測、安防監(jiān)控,可對燈光、風機、除濕機、空調控制等設備進行聯(lián)動控制。實現(xiàn)動力環(huán)境各數(shù)據(jù)的檢測與設備控制,優(yōu)化動力環(huán)境,避免運行環(huán)境的失控導致配電設備運行故障,保證維護人員安全,延長設備使用壽命,實現(xiàn)配電動力環(huán)境的分布式遠程管理。 |
智能通信管理機 | Anet-2E4SM |
| 通用網(wǎng)關,2路網(wǎng)口,4路RS485,可選配1路LORA,帶電告警功能,支持485,4G從模塊擴展。 |
主機 | Acrel-2000E/A |
| 數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)監(jiān)測、設備控制、報警事件記錄查詢,可以根據(jù)采集到的設備數(shù)據(jù)或狀態(tài)聯(lián)動啟動風機、聲光報警器、空調、水泵等設備。 |
Acrel-2000E/B |
| 參數(shù)設置、通信管理、圖形繪制、狀態(tài)監(jiān)測、設備控制、視頻監(jiān)控和回放、報警事件記錄查詢、報警圖片和視頻查詢功能。 | |
Acrel-2000E/M |
| 參數(shù)設置、通信管理、圖形繪制、狀態(tài)監(jiān)測、設備控制、視頻監(jiān)控和回放、報警事件記錄查詢、報警圖片和視頻查詢功能。立柜式安裝。 | |
Acrel-2000E/G |
| 參數(shù)設置、通信管理、圖形繪制、狀態(tài)監(jiān)測、設備控制、視頻監(jiān)控和回放、報警事件記錄查詢、報警圖片和視頻查詢功能。立柜式安裝 | |
環(huán)境監(jiān)測硬件 | RS-WS-NO1-8 |
| 用于配電房溫度和濕度。工作電源:AC/DC85~265V工作溫度:-40.0℃~99.9℃工作濕度:0%RH~99%RH |
BRJ-307 |
| 光電式煙霧傳感;電源正極(DC12V):+12V,繼電器輸出:常開觸點 | |
RS-SJ-N01R01-2 |
| 接觸式水浸傳感器,監(jiān)測變電所、電纜溝、控制室等場所積水情況,工作電源:DC10-30V工作溫度:-20℃~+60℃工作濕度:0%RH~80%RH響應時間:1s繼電器輸出:常開觸點 | |
環(huán)境監(jiān)測硬件 | T35-II-5.6 |
| 風量4800,帶溫控器,帶消聲段,電機變頻 |
AT8002 |
| 常開型;感應距離:30-50mm材質:鋅合金,銀灰色電度干接點輸出 | |
DS-2DC6120BY-A |
| 視頻監(jiān)控 | |
ARTU-KJ8 |
| 8路開關量輸入,8路繼電器輸出 |
8結束語
綜上所述,在新時代發(fā)展背景下,數(shù)字孿生技術為各個領域的發(fā)展帶來了全新的機遇和挑戰(zhàn)。從電力企業(yè)角度分析,數(shù)字孿生技術的應用對各流程的優(yōu)化以及配電效率、質量的提高等都具有現(xiàn)實意義;為此,在應用數(shù)字孿生技術過程中,要合理分析其有效性,確保電力行業(yè)持續(xù)健康發(fā)展。
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