简析基于数字孪生的配电室关键技术研究

叶根胜

安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要:在传统配电室的应用过程中，由于环境、运维、管理等外部因素的影响，传统配电室难以发挥实际价值。在此基础上，数字孪生配电室的关键技术应运而生。数字孪生配电技术主要依靠孪生全景三维建模技术，构建配电室和配电设备的三维全景虚拟模型；然后根据数据对其进行建模，掌握和控制配电室的运行状态。数字孪生配电室的关键技术具有节约成本、减少工作量的优点，是配电室向智能数据和感知转型的重要渠道。鉴于此，本文提出了对数字的改进。

关键字：数字孪生；配电室；关键技术

0引言

配电室是电网系统的终端，是分布广泛的电力设施之一，对电能的运输和分配起着非常重要的作用。传统的配电室管理采用人工检查和定期检查的方式，导致配电室的安全隐患得不到及时解决，只有出现问题才能发现故障。数字孪生为解决这些问题提供了新的途径。“数字李生”是一种新的方法，利用人工智能、传感和模拟工具等数字技术，在现实世界和物理实体之间进行平行交互、精确映射和虚拟现实迭代。数字孪生技术可以通过对真实世界和实体系统的预测进行进行。

1数字孪生技术内涵

“数字孪生”是一种将人工智能、传感器、模拟工具等多种数据有机结合的新兴信息技术，从而实现实体与虚拟的互动和传输。当前，数字孪生技术已广泛应用于监测和预测物体状况和人类行为。“数字孪生电网”通过虚拟现实的互动，逐步激活电网、设备等多源数据，将“数字孪生”技术与新型电力系统相结合，深入挖掘数据资源和信息，提高高维、多层次的“视点”辅助运行能力；实现了虚拟和真实两个空间电力系统的动态实时映射。“数字孪生电网”是以“数字孪生”为基础的基础设施和电网的数字化改造，从“数字空间”、在“人员”和“环境”三个层面，构建“数据驱动、全生命周期”的“数字孪生体”，提高“数据驱动”的全生命周期和应用效率。对于配电室来说，在配电室内部使用数字孪生技术可以有效提高配电室的运行和管理效率，并在数字孪生技术的基础上深入挖掘其关键技术要素，从而为提高配电室的运行和维护水平提供新的思路。

实现数字孪生的关键技术

从基本层次思想出发，总结了数字孪生技术在实际应用中的一般解决方案。首先，建立信道，实现与物理实体的信息实时传递。其次，基于实际数据，建立了拟合性强的数字孪生模型，模拟分析了模型。如果结果与需求相匹配，可以使用这个数字孪生体进行辅助决策，有助于改善产品设计、提高生产效率等生产目标，或者实现故障诊断和预警的维护目标；具体的数字孪生技术也在几个层面上。

2.1建模

建模是进行数字双胞胎研究的前提和基础。与传统建模相比，数字双胞胎模型不仅需要对物体的物理特性进行精细的3D建模，还需要对物体的操作特性进行全数字模拟。物体的材料、操作模式、软件算法都属于建模范围。

2.2模拟

模拟是验证数字双胞胎模型的重要手段。通过模拟验证，验证数字双胞胎系统是否能准确再现实体的客观操作规则，以及收集实体数据是否符合精度要求；在数字双胞胎模型中，模拟结果的支持对于每一步的进展都是不可或缺的。

2.3处理数据

高效收集大量数据是数字孪生技术应用的前提，也是实现故障诊断、结果预测、故障识别等多个方面的关键技术。数字双胞胎使用的数据具有高密度、低价值的特点。因为数字双胞胎技术对时间的要求很高，所以需要在更高的层次上使用更高层次的算法来实现数据的实时处理，从而提高数据传输效率。

3系统架构数字孪生配电室

以建模的形式构建一个与实际配电室完全相同的3D模拟配电室，将其收集的数据融入到模拟配电室中，其中电流、电压、温度和湿度、监控和设备报警装置都属于数据范畴。虚拟配电室模型可以随时随地检查设备的运行状态和状态。通过分析、学习和计算配电网的运行状态、环境变化、突发干扰等实时数据，可以实现配电网的运行状态、环境变化、突发干扰等数据与模拟结果的充分互动和深度融合，实现数据感知、实时分析、智能决策以及设备的定。

四是配电室数字孪生的关键因素和功能

4.1要素

(1)提供准确的数据:配电室的各种数据是实现数字孪生的前提和依据，需要在机房内设置相应的设备，使机房内的主要物理参数尽可能完整，保证获取的及时性和大的存储空间，从而在机房的整个生命周期内存储数据。采集设备和网络通道应稳定可靠，以确保采集到的数据的真实性和准确性；此外，还应加强业务流程管理，以确保档案数据的详细性和准确性。

(2)科学合理地分析建模:配电室数字孪生的核心功能包括检测、诊断、预测等。，而科学合理地分析模型是实现上述前提的前提。在技术发展过程中，配电室具有一定的物理特性。为了保证模型的科学性和有效性，需要根据以往的各种及时数据进行深入研究，以确保多样化因素不会阻碍其模型建设。

(3)边缘计算能力:由于配电室数量因素的限制，智能配电室按照配电物联网“云-管-边-端”的框架设计流程，确保设备的边缘计算能力能够在很大程度上发挥作用，从而收集和访问配电室的各种运行状态数据。这种运行方式可以帮助维护人员充分掌握设备的实际运行情况，及时做出预警和处理，减少现场维护人员的工作量，提高维护效率，保证供电的可靠性。

4.2功能

数字孪生技术在配电室的应用，是实现配电室运行转台监管和综合管理的主要途径，可以通过建模的方法准确掌握数据与模型的关系。物联网机构终端是配电室运行状态的重要体现，可以利用该设备实现配变监控、开关量采集、低压开关位置信息采集等功能。在此基础上，相关工作人员应基于边缘计算提供的数据，对其进行深入调查和探索，积极做好区域自动控制和调整工作。传统配电室存在诸多问题，如缺乏巡视记录、缺乏巡视记录等。

5数字孪生关键技术在配电室中的应用

智慧云平台建设5.1

利用分布式、虚拟化、微服务、信息总线等技术，构建科学合理的大数据收集分析平台，充分发挥“数字孪生”的技术优势，基于目前主流微服务开放源代码架构的“数字孪生”智能云平台，实现配电室整体运行状态的直观真实展示。由于配电室和配电设备主要采用3D全景虚拟模型，可以有效地将数字模型与实体设备联系起来，实时获取监控系统中监控到的操作数据信息。智能云平台的建设可以结合配电室内的环境、扰动状态、运行设备等实时数据和模拟情况，实现配电网络设备和环境的实时管理和控制；综合配电环境和可视化管理平台可以实现配电室系统的管理，相关工作人员可以根据数字孪生配电室提供的信息完成数据感知。不仅如此，相关工作人员还可以利用手机客户端实现数据调查，没有时间和空间的限制，有利于第一时间消除配电室的风险隐患。

5.2物联网智能网关技术

物联网智能网关是将物联网技术应用于配电室，利用手机终端系统实现业务需求，通过搭建软硬件平台，以分布式边缘计算为基础架构，以硬件资源平台为基础。智能网关是一种集数据融合、边缘计算于一体的新型网络系统，可以全方位收集和实时监控配电机房的关键技术节点。配电物联网以智能网关为基础，可以帮助提高工作人员的工作效率，用智能化、信息化的方式替代传统手工操作，减少人工操作带来的局限性，大大提高工作状态。

5.3通信拓扑

消息队遥测传输协议是配电物联网通信拓扑的主要表现形式。它的主要职责是将通信协议传输到各种设备端口，在低宽带和不稳定的网络环境下也能取得良好的服务效果。在保证设备运行速度快、互联互通的前提下，这种运行模式保证了设备的精细化管理。

5.4配电室中压部分及低压部分改造方案

(1)中压:根据目前中国用户配电的现状分析，中压部分的改造方案可以分为以下几个方面；首先；新的配电终端与中压柜有机融合，数据通过101和104的约定渠道传输到智能网关，然后智能平台数据通过智能网关接收。其次；在中压柜中，需要使用保护模块，通过103规定将数据传输到智能平台。*之后；中压柜没有智能设备，可以在柜体内部安装智能终端，收集每个柜体的电能和非电能参数。

(2)低压:变压器柜、进线柜、补偿柜、出线柜、联络柜、配电室内电力配电箱均属于配电室低压侧改造范畴。因此，在具体的方案设计中，SCU应作为通信和边缘处理中心，通过智能网关路由模式与智能云平台通信，通过MQTT通信协议或104规定。

5.5设计联动方案

联动方案的设计，主要是将配电室环境、视频以及安防联动进行有机地结合起来，通过在配电室视频监控系统中安装网络摄像头以及视频分析主机，对智能网关路由进行访问，从而达到HTTP协议与智慧云平台的互联互通。一般来说，配电室环境监控的重点是对配电室的温度、湿度等信息进行监控，通过传感器和智能物联装置之间的实时通信来加强动态，现场联动的效果。在智能物联系统中，对综合监测设备的布线方式主要采用“智能网关路由”方式。

6配电室中应用数字孪生技术的主要注意事项

6.1强化配套传感装置的推广

在现代化发展的背景下，智能电表被广泛地普及并使用，它可以对电力用户的用电信息进行实时监控，还可以对配电变压器电流及电压等重要参数进行渗透。在现阶段的电力信息获取中，滞后性的存在导致不能获得准确的分支线路电流、配电变压器触头温度以及户外变压器拓扑关系等重要信息。因此，应合理选取与之相匹配的传感器，并将其安装于配网台区，以确保其对重要数据的全面采集，并逐渐达到对配网台区实际运行状况进行全面反映和分析的工作状态标定。

6.2提高对搭建多维度融合数据平台的重视

由于配网台区的文件数据具有高度的分散性，且大多分散在各种设备和金融信息系统中，这给配网台区的数字孪生计算和分析带来了一定的困难，如数据不准确，则会给后续配电室的运行带来严重影响，导致在实际应用中的效率呈现下降趋势。因此，要加强对多维数据的整合与共享，建立专业化的整合与共享平台，加强对相关工作的规范执行，落实好具体工作人员的职责，为在配电网区实现“数字孪生”技术的有效运用贡献力量。

6.3深度研究计算分析模式，加大开发力度

在配网台区数字化孪生的具体应用中，为使其能够更好地发挥各种功能，应更多地关注其计算分析模式，并将其与现实状况和各种数据资料相结合，建立特定的运算分析模式框架，突出其在配网台区数字化孪生中的核心工作内容。在新时代发展的大背景下，人工智能、物联网、大数据等多种前沿科技在我国得到了广泛的应用与创新，建立行之有效的计算与分析模型，可以提高我国配电网台区的“数字孪生”技术在我国的应用水平，为实现更高的经济效益奠定基础。

7安科瑞配电室环境监控系统

7.1概述

配电室综合监控系统包括智能监控系统屏、通讯管理机、UPS电源、视频监控子系统（云台球机、枪机）、环境监测子系统（温度、湿度、水浸、烟感）、控制子系统（灯光、空调、除湿机、风机、水泵）、门禁监控子系统（读卡器、开门按钮、磁力锁）、安防监控子系统（双鉴检测器）。

7.2应用场所

适用于轨道交通，工业，建筑，学校，商业综合体等35kV及以下用户端供配电自动化系统工程设计、施工和运行维护。

7.3系统结构

7.4系统功能

7.4.1实时监测

能够显示配电室设备的运行状态，实时监测配电室环境参数信息，实时显示有关故障、告警等信息。

7.4.2数据查询

在人机界面中，可以直接查看配电室中各个设备的运行数据。

可以直接查看各电参量曲线。

查询配电室内设备的运行数据报表。

7.4.5实时告警

具有实时告警功能，系统能够对配电室温度、湿度、有害气体、设备故障或通信故障等事件发出告警。

7.4.6历史事件查询

能够对产生的所有事件记录进行存储和管理，方便用户对系统事件和进行历史追溯、查询统计、事故分析。

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7.4.7用户权限管理

设置了用户权限管理功能，可以定义不同级别用户的登录名、密码及操作权限。

7.4.8网络拓扑图

支持实时监视并诊断各设备的通讯状态，能够完整的显示整个系统网络结构。

7.4.9遥控功能

可以对整个配电系统范围内的设备进行远程遥控操作。

7.5系统硬件配置

8结束语

综上所述，在新时代发展背景下，数字孪生技术为各个领域的发展带来了全新的机遇和挑战。从电力企业角度分析，数字孪生技术的应用对各流程的优化以及配电效率、质量的提高等都具有现实意义；为此，在应用数字孪生技术过程中，要合理分析其有效性，确保电力行业持续健康发展。

参考文献

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[7]孙蓉蓉.基于数字孪生的配电室关键技术研究.

[8]安科瑞企业微电网设计与应用手册2022.5版

作者简介

叶根胜，男，现任职于安科瑞电气股份有限公司，主要从事无线测温系统的研发与应用。