孪生的变电站可视化监控与运维

周泉

摘要：变电站作为电力系统的重要组成部分，其安全稳定运行关乎到整个电网的安全稳定运行。变电站自动化、智能化的发展，不仅可以减少人力成本，提高工作效率，还可以实现电力资源的优化配置。因此，在变电站中实施数字孪生技术具有重要意义。数字孪生技术将物理对象在虚拟空间中进行映射，实现对物理对象状态信息的实时采集和监测，并利用数字模型进行仿真分析和智能预测，从而提高生产效率和管理水平。

关键词：数字孪生；变电站；数据可视化；监控系统

一、前言

孪生的变电站可视化监控与运维基于虚拟现实技术与人工智能技术，可以对现实世界中的变电站进行三维建模和可视化监控管理，将其所处环境数字化并通过传感器实时采集数据，对现实世界中的变电站进行智能化运维管理。通过孪生的变电站可视化监控与运维平台可以对变电站进行全面监控和管理，实现对设备数据、运行状态、工作过程、环境状况等信息的采集、分析和预警。

二、智能巡检系统

在变电站中实施智能巡检系统，可以实现对设备的全面监测，并及时发现故障点。该系统可以通过集成激光扫描传感器和红外热成像传感器，通过无线网络实现对变电站环境的实时监测和预警[1]。另外，通过监测设备状态参数和运行工况，还可以及时发现故障隐患，避免设备发生故障。

变电站智能巡检系统包括设备状态监测模块、巡检信息管理模块和无线网络管理模块。在设备状态监测模块中，可以对变电站内的设备进行实时监测。当变电站内的设备出现故障时，系统会自动提醒工作人员，并及时采取处理措施。在巡检信息管理模块中，工作人员可以及时查看巡检信息。在无线网络管理模块中，工作人员可以通过移动网络对变电站内的设备进行监控。

在智能变电站的移动监控系统中，主要包括了人员管理模块、远程查询模块、次侧监控模块、告警记录模块、故障处理模块、可视化交互模块、操作票模块，后台控制模块等。在这些工作中，像人员管理和远程查询的日常管理功能被设置在了远程访问系统的服务器端上，其他的都被设置在了当地的监控系统上，具体见图1。

三、变电站设备运维管理系统

变电站设备运维管理系统利用数字孪生技术，以三维可视化形式，模拟变电站设备运行状态，提供可视化操作界面，便于工作人员直观查看设备的实时运行状态。此外，系统还可实现对变电站设备的故障诊断与分析功能，对不同设备的故障类型、原因等进行统计，并提供相应的故障解决方案。

基于数字孪生技术的变电站设备运维管理系统可以对变电站设备进行远程监测和故障诊断，提高运维效率和质量[2]。此外，系统还可以根据变电站内设备状态的变化，生成实时状态报告或历史状态报告，工作人员可以根据系统提供的数据对变电站内的关键设备进行合理有效地维护。数字孪生技术的变电站设备运维管理系统不仅能够有效解决传统变电站运维模式中存在的问题，还能为未来数字孪生技术在变电站中应用提供技术参考和思路借鉴。此外，通过数字孪生技术可以实现对物理对象状态信息的实时采集和监测，并利用数字孪生技术对物理对象进行仿真分析和智能预测。

四、变电站防误闭锁系统

智能防误闭锁系统使用了数字孪生技术，利用数字孪生技术可以实时采集现场设备的运行数据。此外，数字孪生技术还可以适应虚拟空间中模拟设备的运行环境。变电站防误闭锁系统主要由硬件和软件组成。硬件设备包括机械设备、通信设备等。软件主要由操作控制软件和监控系统软件组成。操作控制软件负责对机械设备的状态信息进行采集和监测，并实时判断机械设备的运行状态是否符合要求。监控系统软件负责实时监控机械设备的运行情况，并根据情况做出相应的判断和决策。

数字孪生技术在变电站防误闭锁系统中的应用可以提高变电站运行的安全性和稳定性，减少工作人员的操作失误，提高工作效率。因此，为了更好地满足实际需求，可以选择采用数字孪生技术来实现变电站防误闭锁系统的可视化监控与运维。在变电站防误闭锁系统中使用数字孪生技术，可以更好地提高工作人员的工作效率和管理水平。此外，数字孪生技术还可以实现可视化监控与运维，为变电站管理人员提供决策支持。

五、机房环境监控系统和远程监控系统

（一）机房环境监控系统

目前，大多数变电站的机房都采用传统的集中监控管理模式，对机房进行统一监控管理。然而，由于机房内设备数量较多、种类繁多、分布位置分散等原因，集中监控管理存在较大风险。因此，为解决集中监控管理模式存在的问题，本文提出了一种基于数字孪生技术的变电站机房环境监控系统。通过在变电站机房环境监控系统中引入数字孪生技术，可以将物理对象映射到虚拟空间中，并通过传感器采集物理对象的状态信息[3]，实现对物理对象状态信息的实时监测和数字模型仿真分析。此外，该系统还可以根据监测结果对物理对象进行智能预测实现变电站环境监控和运维。

（二）远程监控系统

远程监控系统是以计算机网络为基础，在控制中心系统的支持下，对变电站内设备的实时运行状态进行监控的一种远程监视系统。在远程监控系统中，对变电站内设备状态进行实时监测的主要是站内的各类传感器。通过传感器获取设备数据，并利用服务器中存储的数据进行分析，从而实现对设备运行状态的监视。在远程监控系统中，采用组态王作为开发工具。组态王作为一款功能强大的组态软件，具有良好的兼容性和稳定性，可以与各类不同类型的监控系统进行连接。

变电站内设备运行状态的实时监测系统是远程监控系统中重要的组成部分。数字孪生技术可以通过采集、分析和处理来自现场设备传感器数据，并利用数字模型对其进行仿真分析和预测。随着数字孪生技术在变电站内的应用越来越广泛，数字孪生技术可以帮助变电站工作人员提前预测设备故障并制定相应措施，从而提高了变电站运行的安全性和稳定性。

六、数字化孪生变电所综述

数字孪生（Development Evolution）是指实体与虚拟世界之间的映射关系，能够对实体、资源、过程、系统、服务等进行模拟、建模与实时再现，并具备可扩展、自适应、自愈合等特性。利用数字化李生技术，实现了在数字化空间内的可视化监测与运行，为变电站管理者实现了对变电所设施的远程监测与维修提供了一种新的途径。将数字化孪生技术应用于变电所，可以对变电所进行可视化的监测和运营，从而为电力系统的安全、稳定、可靠运行提供了强有力的支持。

以数字孪生技术为基础，实现了现实中的变电站与虚拟变电站的相互映射。在线监控技术中，可以将监控的结果反馈到后台运营平台，并对其进行调用和展示，从而使实际的变电所的工作状态能够在虚拟变电所中得到实时地反映。运行管理平台集成了实际的变电所中的各种电气设备的相关数据，使其能够从后台系统中获取各种电气设备的相关数据[4]。当出现故障时，可以为其提供有效的数据支持，判断出故障的种类和位置，实现及时维修，将其扼杀在萌芽状态。将“数字孪生”技术应用到运营平台上，就等于为运营系统添加了一个运营“大脑”。本项目的研究成果，将虚拟与现实相结合，采用3D可视化技术，对电网运行状况进行快速分析，及时诊断，精确定位，提升电网运行管理的可视化程度，提升电网的智能化管理水平。

在建立孪生虚拟变电站之后，还对系统数据库和显示页面展开了设计，并对其进行了开发，该系统还支持三维模型的缩放、旋转及动画演示等功能。利用数字孪生技术，构建了一个虚拟变电站的3D模型，并将主控、辅控和保安等设备收集到的数据集成到一起，这样就可以将收集到的各种设备的状态信息，实时地传输到运维系统中，这样，运检人员就可以不用亲自到受控站，也可以了解到受控站各个关键部件的工作状况。利用该模型，可以清楚地看到各装置的工作状态。设计效果如图2。

如果有设备的参数出现异常，可以选择这个设备的电源，具体的看到它的参数和工作时间等信息。以变电站现场的避雷器为例，当系统在一定时间内，显示一个时间间隔内的一个避雷器的数据有异常时，在孪生系统中，单击这个避雷器，即可获取有关的参数信息。对数据进行总和、AVG、Max、TopN等聚集运算，当需要聚集的时候，可以直接得到聚集的结果，从而提高了查询的效率。

七、数字孪生技术在电力系统中的应用

数字孪生技术能够为运维人员提供可视化操作平台，使他们能够对设备运行状态进行远程监控和维护[5]。

通过“设备+环境”的虚拟数字孪生，实现了对变电站设备和环境的三维可视化监控，并具备故障诊断、远程控制等功能。目前，该系统已经在多个变电站成功应用，效果良好，有效提升了运维效率。利用数字孪生技术，将变电站的物理实体和虚拟实体通过传感器连接起来，构建了一个三维数字化模型。设备运行状态可在可视化平台上实时展示，故障诊断可根据设备的不同类型进行分析诊断，对运行环境的监控和维护可在可视化平台上进行远程控制。

故障诊断与远程控制，在可视化平台上对设备进行三维展示，直观、形象地展现设备运行状况；在系统中对故障进行分析诊断，并对故障位置进行定位；通过远程控制功能对设备进行控制或操作，包括开合断路器、改变运行状态等；将变压器油温、断路器温度、高压开关温度等关键参数通过传感器连接起来，构成变电站的三维可视化监控平台[6]。运维人员可通过鼠标在三维平台上选择故障位置和原因，并对设备运行状况进行实时监控和远程控制；系统可根据设定的预警阈值自动向运维人员发出警报，将变压器油温升数据等关键参数与操作规程相结合，在可视化平台上通过鼠标点击等方式进行培训。

八、结语

基于数孪生技术的变电站运维平台，在传统的运维应用基础上增加孪生虚拟功能。通过三维建模，将变电站内实际电力设备运行状态在孪生虚拟变电站内进行映射，操作人员可直观观察到站内电力设备的运行情况，为设备精准运维提供可靠的数据支撑，同时系统可准确地对故障类型和故障位置进行判断，提出正确的指导建议。数字孪生技术在运维平台的应用，可提高运维系统决策能力，故障快速分析判别和定位能力，对保证电力系统的安全稳定运行具有重要的指导意义。

参考文献

[1]曾海燕，李新国，李刚，等.基于数字孪生的变电站智能运检一体化平台.湖北省，国网湖北省电力有限公司武汉供电公司，2022-05-07.

[2]李江成，刘建戈，张鹏宇，等.变电站数字孪生技术研究与应用[J].电气应用，2022，41（7）：29-36.

[3]王林，晏锋，任重，等.基于数字孪生技术的变电站运维平台的研究[J].电工技术，2021，555（21）：167-168+171.

[4]刘海峰，池威威，贾志辉，等.变电站数字孪生系统的设计与应用[J].河北电力技术，2021，40（3）：8-14.

[5]高赛.数字孪生的变电站巡检系统数字化模型[D].北京：华北电力大学，2021.

[6]范永恒.变电站综合自动化安全监控与运维一体化研究[D].吉林：长春大学，2020.

作者单位：正泰电气股份有限公司