基于数字孪生的电网基础资源运营场景可视化

张鹏飞 刘朋熙 章爱武 王尉

安徽省思极科技有限公司 安徽 合肥 230022

引言

随着数字经济的蓬勃发展，电网资源与数字经济的融合不断深入，同时国家、工信部、国资委和国网公司层面分别出台相关配套政策，鼓励电信企业与电力企业的资源共享、合作共赢。

国网公司积极响应国家战略，积极培养、布局开拓新业务、新业态、新模式，明确了要围绕资源增值复用、业务创新赋能、数据共享应用、平台建设运营等方面，实现公司新的增长极。传统二维的电网基础资源运营场景可视化系统和方法已经不能适应国网公司发展的新要求，迫切需要加快数字孪生技术在电网基础资源运营的研究和应用。

本课题运用“数字孪生”技术结合电网基础资源运营业务，对基于数字孪生技术实现多站融合和共享杆塔三维建模与全景监控，物联网状态感知与数据可视化展示等典型业务场景进行深入研究，促进数据和业务的深度融合，提升电网基础资源运营业务精益化管理水平[1]。目前本课题的研究成果已在安徽省思极科技有限公司示范应用，为电网基础资源运行和运营监控提供技术保障。

本文的主要贡献如下：①通过“数字孪生”技术，实现了多站融合和共享杆塔三维建模与全景监控；②综合运用物联网与数据分析，实现物联网状态感知与数据可视化展示。

1 相关工作

2020年，国家全面启动实施“新基建”战略，包括信息基础设施、融合基础设施和创新基础设施三方面，涉及5G基建、特高压、人工智能、物联网等诸多领域，为贯彻国家“新基建”决策部署和国家电网公司新战略，抢抓发展新机遇，各网省思极科技公司逐步开展电力杆塔、沟道、变电站等基础资源开展运营。

在电网基础资源运营数据可视化方面，目前应用系统多是基于二维地理空间实现了部分业务场景的可视化，主要存在的问题包括：平台管理界面仍以二维表单和二维的拓扑视图为主，在复杂的运维场景中，缺乏直观立体的方式将管理对象和实际的物理空间联动起来辅助认知；平台可视化运营的功能不够完善和灵活，无法按照专业领域或应用场景，把空间数据、资源信息、运维检修和用户信息进行组装融合；缺少完整的电网资源运营成果与业务深化应用的可视化集中展示。本文主要从这些方面入手，将“数字孪生”技术与电网基础资源运营业务相结合，做电网基础资源运营场景可视化平台的研究与应用。

2 需求分析

2.1 功能定位

主要以电网基础资源实际运营的场景为基础，通过场景建模和物联感知结合运营信息，实践了现实场景与虚拟场景融合，为电网基础资源运行监控和管理提供智能化手段，提高了各网省思极科技公司开展电网基础资源运营业务的效率。

在业务上，选取典型多站融合和杆塔敷挂光缆以及附挂基站的共享资源运营场景进行三维实景建模，并融合物联状态感知信息，实现运营场景的全数字化映射，辅助重点项目的精准运营与运行监控[2]。

在技术上，通过在市县公司层面开展的电网基础资源运营业务数据结合PMS2.0系统中的设备台账、位置和线路数据，为供电公司持续开展电网基础资源运营场景可视化应用提供技术实践依据。

2.2 数据融合

电网基础资源运营场景建模，需要和运行监控相关的设备台账、电网拓扑、动环监控、运营等数据，同时还需要集成了TMS系统、PMS2.0系统和电网基础资源运营平台运营数据，同时通过数据治理，实现海量、多源、异构数据有效整合和数据质量提升，从而为平台建设提供有力的数据支撑。

2.3 功能需求

根据基于数字孪生的电网基础资源运营场景可视化平台的功能定位，主要提供以下功能：

2.3.1 多站融合和共享杆塔三维建模与全景监控。根据多站融合站点与杆塔周边自然环境与电网设备进行三维建模，全方位展示多站融合站点建筑外貌、电力设备放置位置、设备外貌，杆塔的设备信息敷挂线路走向、附挂基站等信息。

2.3.2 物联网状态感知与数据可视化展示。通过三维场景递进式方式展示多站融合站房内监控摄像头、室内温度与湿度、电力设备基本信息与运营信息。

3 平台设计与实现

3.1 技术架构

本平台在技术实现上遵循国家电网公司相关技术规范，进行架构设计和实现，具体技术架构设计参考如下图所示：①数据层，实现海量、多源、异构的电网基础资源运营数据的接入、融合与治理；②平台层，与电网基础资源运营平台互通，实现数据无缝衔接，实时更新展示，平台接入跳转的目的；③应用层，通过可视化组件实现三维场景、租赁信息、机房监控、线路运营可视化；④场景层，通过三维模型立体的展示运营场景。通过层层递进的操作，展示合同信息、机房运维监控信息和杆塔运营信息[3]。

3.2 功能架构

根据基于数字孪生的电网基础资源运营场景可视化的需求分析，功能架构下图所示：

图1 功能架构

3.3 多站融合和共享杆塔三维建模与全景监控

3.3.1 建筑场景建模实现可视化。通过实地考察观测多站融合与杆塔等电网资源所在环境，对建筑与周边环境进行建模，实现虚拟与现实环境一一对应，立体的展示资源所在建筑或周边建筑场景。

3.3.2 多站融合站房建模实现可视化。对多站融合站房进行实际测量，根据站房内建筑结构，房间高度，墙壁厚度，窗户位置等诸多建筑特征进行建模，实现虚拟场景等比再现现实站房场景。

3.3.3 构建电网基础设备数字孪生体。在建筑模型中存在大量电网基础设备，比如机柜、UPS、服务器等，为了能够全方位展示设备运行状态，设备运行数据，需要创建对应的孪生体从而形象的表示物品的存在。

3.4 物联网状态感知与数据可视化

3.4.1 动环监控可视化。通过对分布在各多站融合机房的电源柜、UPS、空调、温湿度、烟感等机房环境的各种参数进行遥测、遥信和遥控,实时监测其运行参数，诊断故障，展示和分析相关数据，并对设备进行集中监控。

3.4.2 视频监控可视化。基于多站融合站房和电网设备周边监控摄像头将监控视频信息接入电网基础资源运营场景可视化平台，实现虚拟与现实结合。

3.4.3 运营信息可视化。采用数字孪生技术，实现对数据中心的虚拟仿真，让运维管理人员可以清晰直观地掌握实际运营中的电网基础资源的有效信息，实现透明化与可视化管理，进而有效提升资产管理与监控管理的效率。

3.5 关键技术及创新点

首次运用数字孪生技术，实现多站融合和共享杆塔三维建模与全景监控。选取典型多站融合和杆塔敷挂光缆以及附挂基站的共享资源运营场景进行三维实景建模，并融合物联状态感知信息，实现运营场景的全数字化映射，辅助重点项目的精准运营与运行监控。对多站融合示范站，实现站内设备、环境布局、告警信息、视频监控、动环信息以及运营信息的三维全景可视化，全方位监控示范站的运营和运行信息，提升运维服务水平[4]；对杆塔敷挂光缆及附挂基站，实现杆塔设备、敷挂线路走向、附挂基站和运营信息的三维全景可视化，实现共享杆塔运营场景的全方位示范展示。

实现了物联网状态感知与数据可视化。集成动环监控的温湿度感应器、温度、湿度、烟感、水浸、UPS等数据。综合运用温度云图等可视化方法，实时、动态、直观动态地展示运营场景中运行环境信息、负荷信息、监控信息、告警信息，为电网基础资源运行维护提供可视化支撑。

4 典型业务场景

根据平台功能定位和功能需求，本文从中选择多站融合和共享杆塔三维建模与全景监控、物联网状态感知与数据可视化展示两个典型的业务场景进行重点论述。

4.1 多站融合和共享杆塔三维建模与全景监控

4.1.1 分析需求。选择典型的多站融合和杆塔敷挂光缆以及附挂基站的共享资源运营场景进行建模实现全景监控。

4.1.2 分析方法。建筑物建模需要到达现场实际考察实体建筑，记录建筑特征数据作为依据。通过3D场景制作引擎“CompusBuilder”与3D城市组件“CityBuilder”实现3D建模，并将模型放入3D模型库“ThingDepot”用于加载使用。

4.1.3 分析结果。通过以上方法可实现多站融合和共享杆塔三维建模，将建好的模型加载到电网基础资源运营场景可视化实现全景监控。

4.1.4 业务成效。通过数字孪生技术的应用，相比二维场景，为运营资源空间信息的展示提供了更丰富、逼真的平台，方便运维人员根据信息提示和结合自己相关的经验，从而做出准确而快速的判断，高效稳定的维护运营现场各类设备的正常运行。

4.2 物联网状态感知与数据可视化展示

4.2.1 分析需求。通过温度传感器、湿度传感器等智能物联网设备，将监测数据传输到电网基础资源运营场景可视化，实现站内环境的持续监控，通过温度云图等数据可视化展示方式，清晰地展现电网设备运行环境状态。通过操作数字孪生体查看对应电力设备的运营信息，实现运营信息可视化。

4.2.2 分析方法。物联网对环境状态监测进行有效数据采集提供了强大的技术保障，通过智能传感器对表征事物或现象状态的物理量进行变送和转换，然后再通过数据可视化技术将其展示出来，实现电网设备运行环境的状态感知与数据可视化展示。在建立的三维模型中根据实际场景情况存在大量与电力设备对应是数字孪生体，从过点击查看等操作展示该设备的基本信息与运营信息，实现数据可视化展示。

4.2.3 分析结果。将物联网状态感知技术和数据可视化技术融合到三维场景中，可清晰立体地了解到场景中每个区域的温度和湿度情况、UPS电压电流情况。如果环境监测数据在正

常范围，则数值指示条显示为绿色，接近临界值显示为黄色，超出临界值显示为红色，可进行预警展示，对电力设备运维起到重要作用。

4.2.4 业务成效。通过三维场景，直观动态地展示了运营现场的运行环境、动环信息，辅助运维人员快掌握和发现运营现场的实际情况，结合故障分析方法的使用，可以迅速排除相关故障，有效保障了电网运营资源运行稳定性。

5 结束语

本文通过对电力运行与运营业务场景进行分析，结合经典业务场景的特征，通过基于数字孪生的电网基础资源运营场景可视化平台的功能定位和功能需求进行深入分析，进行了设计与实现，通过动环监测可视化展示、电网资源运行典型业务场景的研究过程、业务成效的深入阐述，表明基于数字孪生的电网基础资源运营场景可视化平台为电网基础资源运行监测与运营分析等方面效果显著，具有重要的参考价值[5]。