配电网台区数字孪生技术的实现与应用研究

杜晓东,王立斌,赵建利,刘成龙,陈 泽

(1.国网河北省电力有限公司电力科学研究院,河北 石家庄 050021;2.国网河北省电力有限公司,河北 石家庄 050021)

0 引言

配电网台区位于电网末端,是配电网的重要组成部分,其负责直接为电力用户供电。配电网台区的运维管理水平不但关系到电力用户的满意度,而且还与电网安全以及供电企业的运营成本密切相关。因此,做好配电网台区的管理工作,保证配电网台区保持良好的状态,既是供电企业的社会责任,也是其降本增效的有效途径。目前,由于配电网台区具有数量众多且分布广泛、感知设备配置不足、基础数据质量较差、各类信息融合不充分等特点[1-2],导致其运维管理工作存在以下不足:不能准确掌握配电网台区的状态,运维管理工作带有较强的主观盲目性;不能及时识别配电网台区的各类异常,运维管理工作效率低下且缺乏主动性;不能精准预测配电网台区的发展趋势。

数字孪生技术为解决上述问题提供了新的思路。数字孪生是物理实体在信息空间的数字化映射,可用来监测、诊断、预测物理实体在现实环境中的状态和行为[3]。目前,对数字孪生的研究应用多集中在航空航天、智能制造等领域[410],文献[11]对数字孪生电网的技术架构与关键技术进行了研究,文献[12]对数字孪生电力系统的框架设计与潜在应用方向进行了研究。数字孪生技术在配电网台区领域的研究与应用还比较鲜见。本文基于电网数字化建设成果,提出了实现配电网台区数字孪生的技术架构和关键要素,为配电网台区数字孪生的技术实现提供参考依据。基于配电网台区数字孪生的特点,结合配电网台区的运维管理工作需求,提出了配电网台区数字孪生的典型应用场景,为利用数字孪生技术提升配电网台区的运维管理工作水平提供了思路。

1 数字孪生技术

数字孪生是一种高度集成的多物理场、多尺度、多概率的仿真模型,并能够利用传感器数据和历史数据等反映物理实体的实时状态及演变趋势等[1315]。数字孪生体系由物理实体、数字孪生以及两者之间的双向交互通道三部分组成[16-17],如图1所示。数字孪生通过接收来自物理实体的状态信息而同步演化,基于数字孪生可以进行诊断及预测等一系列计算分析,并将分析结果反馈给物理实体,从而推动物理实体优化调整。

图1 数字孪生体系

数字孪生技术架构大致可分为物理层、数据层、模型层、功能层以及展现层等5层[18-20]。其中,物理层由物理实体构成;数据层中的各类数据是实现数字孪生的基础;模型层中的各类计算分析模型是数字孪生的核心;功能层集成了描述、诊断、预测等各类功能应用,基于功能层可实现对物理实体的精益管理和优化调整;展现层则负责通过VR/AR、3D模型、GIS等将功能层的相关信息进行输出。

2 配电网台区数字孪生的技术实现

2.1 配电网台区数字孪生的技术架构

为提升电网的数字化水平,电网公司已经建成了用电信息采集系统、数据中台、电网GIS平台等数字化建设成果,这为配电网台区数字孪生的建设奠定了良好的基础。

基于国家电网有限公司数字化建设成果的配电网台区数字孪生技术架构如图2所示。配电网台区的配电变压器、配电线路、分布式光伏等物理设备构成了数字孪生架构中的物理层;采集装置、传输网络以及数据中台的数据集成层,分别负责配电网台区数据的采集、传输以及存储,构成了数字孪生架构中的数据层;数据中台的分析服务层中封装了一系列计算分析模型,构成了数字孪生架构中的模型层;面向不同功能开发的微应用群构成了数字孪生架构中的功能层;电网GIS、台区拓扑图以及相关信息系统用户界面构成了数字孪生架构中的展现层。

图2 配电网台区数字孪生技术架构

2.2 实现配电网台区数字孪生的关键要素

基于上述技术架构,实现配电网台区数字孪生的关键要素如下。

a.必要且准确的数据。与配电网台区相关的各类数据是实现配电网台区数字孪生的基础,因此必须安装必要的采集装置,以尽可能全面实现对配电网台区关键物理量的采集,如配电变压器温度、低压断路器的通断、电力用户用电信息等,同时,还应有足够的存储空间,用于存储配电网台区全寿命周期的数据。采集装置、网络通道应稳定可靠,以确保采集到的数据真实准确,另外,还应加强业务流程管理,以确保档案类数据(如设备档案、拓扑关系等)的详实准确。

b.科学合理的分析模型。科学合理的分析模型是实现监测、诊断、预测等配电网台区数字孪生核心功能的前提。因此,应基于电力学的基本知识,充分研究配电网台区的物理特征,同时,还应深入分析各类历史数据,提炼配电网台区的演变规律,以确保所构建分析模型的科学合理。

c.高性能的计算能力。因配电网台区数量众多,要基于配电网台区数字孪生实现监测、诊断、预测等分析,计算量相当庞大,且部分计算分析对实时性要求较高,如停电研判,因此,必须要有充足的硬件资源与合理的部署架构,以提供高性能的计算能力。

3 配电网台区数字孪生的应用场景

基于配电网台区数字孪生的特点,结合工作人员的实际业务需求,本文分析其在配电网台区运维工作的典型应用场景。

3.1 台区状态评价

配电网台区不但数量众多、地域分散,且工作人员缺乏准确及时评估配电网台区状态的有效手段,从而导致配电网台区的运维工作效率难以有效提升。已有部分文献对配电网台区状态综合评价进行了研究[12],其均以获取配电网台区的相关档案数据和运营指标数据为前提,因上述数据分布于多个信息系统中,造成对配电网台区状态进行全面综合评价的难度较大。

配电网台区数字孪生具有精准反映配电网台区的拓扑关系、设备参数、运营指标及配电网台区下各电力用户信息的特点,因此,可以便捷准确地获取各类档案信息及运营指标,以实现对配电网台区状态的快速准确评价,提升配电网台区的运维工作效率。某区域内配电网台区的状态评价结果如图3所示。

图3 配电网台区状态评价结果

3.2 可开放容量分析

为保障电网的健康运行和长远发展,供电公司需对配电网接入点的可开放容量进行评估,为业扩报装工作提供科学依据[21]。目前,由于不掌握配电网台区的设备参数和运行状态,工作人员只能凭经验对配电网接入点的可开放容量进行主观估计,准确度往往不高。

基于配电网台区数字孪生的精准反映能力,根据接入点的具体位置以及配电网台区的拓扑关系,推算出配电变压器到接入点的电能传输途径,再根据配电变压器的容量、负载情况以及电能传输路径上每条供电线路的允许载流量和负载情况,计算出接入点的可开放容量。某配电网台区各接入点的可开放容量如图4所示。

图4 配电网台区各接入点的可开放容量

3.3 线损精益管理

受现有技术条件的限制,目前仅能将配电网台区作为一个整体进行线损计算,当某配电网台区的线损值出现异常后,则无法确定异常的具体位置,严重影响了线损治理工作的效率。

由于配电网台区数字孪生可精准反映电网台区的设备参数和用户信息,实现对配电网台区线损的分段计算,如图5中配电网台区可以分成5个分段,分别进行线损的计算。配电网台区线损实现分段计算后,细化了线损管理的颗粒度,可快速定位线损异常区域,进而将大幅提升配电网台区的线损定位水平。

图5 配电网台区统计线损分段

3.4 停电范围研判

长期以来,供电公司主要依靠电力用户的报修电话来获得配电网的故障信息,且无法准确研判故障范围与故障地点,导致故障抢修工作效率不高、用户停电时间较长,容易引起用户投诉。

配电网台区数字孪生可实时反映运行状态,即实时反映配电网台区下各线路的电流、各节点的电压信息,以及各电力用户的用电负荷、停上电等信息。上述信息的更新频度取决于电能表、集中器等采集设备的采集频度,随着用电信息采集系统的建设和HPLC技术的应用,电压、电流等信息可15 min更新一次,停电信息可实时更新。配电网台区数字孪生实时反映运行状态的能力可及时获得电力用户的停电信息,同时,结合配电网台区的拓扑及用户地址信息,可准确研判出故障范围及故障地点,进而可有效提升抢修工作效率、缩短停电时间,避免用户投诉。

通过电网GIS展示的停电范围如图6所示。

图6 停电范围

3.5 异常识别诊断

配电网台区具有数量众多、地域分散的特点,工作人员很难及时发现配电网台区中的各类异常。配电网台区数字孪生可依据各类异常研判模型,实现配电网台区在接线、拓扑等方面的异常识别诊断。

如某单相电力用户(未安装分布式光伏)的用电负荷如图7所示,该电力用户的用电负荷始终为负值,配电网台区数字孪生可以基于配电网台区拓扑关系、设备参数,以及各电力用户的电压、电流信息,建立配电网台区的异常诊断模型,进而实现对各类异常状态的准确诊断和识别,即判断出该电力用户的电能表接线存在异常,并能给出电力用户的具体地址,工作人员可赶赴现场对接线进行校正。

图7 某单相电力用户用电负荷

3.6 过载风险预判

迎峰度夏、迎峰度冬期间,配电网台区所承载的用电负荷将大幅度升高,配电网台区内各设备在高负载的情况下将存在较大的潜在风险。由于受现有技术手段制约,工作人员无法提前预测配电网台区各设备在迎峰度夏期间的负载率,从而无法对其过载风险进行预判,导致因设备过载引起的故障频发,这将大幅降低配电网台区供电可靠性与电力用户的用电体验,容易引起电力用户的投诉。

基于电网台区数字孪生的趋势预测能力,可对配电网台区在迎峰度夏、迎峰度冬期间的负载率进行预测,进而提前发现存在过载风险的设备。某配电网台区中部分设备在迎峰度夏期间的负载率预测曲线如图8所示。

图8 负载率预测曲线

由图8可知,供电线路L1存在过载的风险,应在迎峰度夏之前对其进行更换;供电线路L2不存在过载风险;供电线路L4虽然不存在过载的风险,但其负载率也较重,应加强对其关注力度。

3.7 三相不平衡治理

由于电力用户用电行为的随机性和波动性,极易导致配电网台区出现三相负荷不平衡的问题,目前,人工离线调整相间负荷的方式仍是治理配电网台区三相负荷不平衡的主要方式,为指导电力工作人员的离线调整工作,已有部分文献开展了相应的研究工作[22-23],由于上述文献受限于技术手段,无法精准掌握配电网台区拓扑信息和电力用户的负荷数据,导致其应用范围具有一定的局限性或应用效果欠佳。

由于配电网台区数字孪生可优化运行策略,自动给出配电网台区的相间负荷优化调整决策。同时基于配电网台区数字孪生还可对调整后的效果进行提前推演验证。某配电网台区在相间负荷优化调整前的配电变压器电流如图9所示,经配电网台区数字孪生推演出的相间负荷优化调整后的配电变压器电流如图10所示,经对比可发现,相间负荷优化调整后,该配电网台区的三相负荷不平衡现象有了明显改善。

图9 相间负荷优化调整前配电变压器三相电流

图10 相间负荷优化调整后配电变压器三相电流

4 结束语

本文提出了配电网台区数字孪生的技术架构,以及配电网台区数字孪生的典型应用场景,为配电网台区数字孪生的建设与应用提供了思路。随着电网数字化建设工作的开展,部分与配电网台区数字孪生建设相关的工作已经起步,如HPLC通信模块、TTU的推广应用以及计量异常研判规则、停电范围研判规则的研究等,但下列工作仍将是配电网台区数字孪生建设中的重点。

a.配套传感装置的推广应用。随着智能电能表的推广,已经实现了对电力用户用电信息以及配电变压器电流、电压等信息的采集,但当前仍无法获取配电变压器触头温度、分支线路电流以及户外变压器拓扑关系等信息,因此有必要在配电网台区内安装配套传感装置,以获取上述信息,进而全面地对配电网台区进行反映与分析。

b.多维度数据的融合与共享。目前,配电网台区相关的档案类数据与量测类数据分散在设备、营销、财务等多个专业的信息化系统中,这给配电网台区数字孪生配套计算分析模型的构建与应用带来了不利影响。因此,基于数据中台开展配电网台区相关数据的融合共享工作,是建设配电网台区数字孪生的基础。

c.高效计算分析模型的开发。配电网台区数字孪生的各类功能应用,均基于计算分析模型实现,因此高效计算分析模型的开发是建设配电网台区数字孪生的核心。随着物联网、人工智能、大数据等先进技术的发展迭代与推广应用,配电网台区数字孪生落地应用的速度势必将进一步加快。