【解決方案】數(shù)字化配電室關(guān)鍵技術(shù)的研究

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未曉妃

安科瑞電氣股份有限公司上海嘉定 201801

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。“數(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(shù)，在真實世界和物理實體之間通過平行交互、精*映射和虛實迭代的一種新的方法。數(shù)字孿生技術(shù)能夠?qū)φ鎸嵀h(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(shù)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(shù)體系與核心技術(shù)，為進一步提升工作效率做鋪墊。

1數(shù)字孿生技術(shù)內(nèi)涵

“數(shù)字孿生”是一種新興的信息技術(shù)，它將人工智能、傳感器、模擬工具等多種數(shù)據(jù)有*地結(jié)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(shù)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(shù)與新型電力系統(tǒng)相結(jié)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。“數(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(gòu)建“數(shù)據(jù)驅(qū)動、全生命周期”的“數(shù)字孿生體”，提升“數(shù)據(jù)驅(qū)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(shù)，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(shù)為基礎，對其關(guān)鍵技術(shù)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(guān)鍵技術(shù)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(shù)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(jié)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*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(shù)還體現(xiàn)在以下幾個層面。

3配電室數(shù)字孿生的關(guān)鍵要素與功能

3.1要素

（1）提供精*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(shù)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(gòu)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(gòu)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。

3.2功能

在配電室中應用數(shù)字孿生技術(shù)，能夠通過建模的方法，精*掌握數(shù)據(jù)與模型之間的關(guān)系，是實現(xiàn)配電室運行轉(zhuǎn)臺監(jiān)管和綜合性管理的主要途徑。物聯(lián)網(wǎng)機構(gòu)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(guān)量采集以及低壓開關(guān)位置信息采集等功能；在此基礎上，相關(guān)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(diào)研以及探究，積極做好區(qū)域自動控制與調(diào)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(guān)工作資料等等，而數(shù)字孿生技術(shù)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。

4數(shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù)在配電室中的應用

4.1智慧云平臺建設

基于當前主流微服務開放源代碼架構(gòu)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(shù)，構(gòu)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(shù)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?qū)?shù)字模型與實體設備進行有效地聯(lián)系起來，能夠?qū)崟r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?qū)⑴潆娛覂?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(jié)合，實現(xiàn)配電網(wǎng)設備與環(huán)境的實時管理和控制；全*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(guān)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(guān)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，有利于一時間排除配電室的風險隱患。

4.2物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)是將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)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(gòu)，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(guān)是一種集數(shù)據(jù)*合、邊緣計算于一體的新型網(wǎng)絡系統(tǒng)，能夠?qū)ε潆姍C房的關(guān)鍵技術(shù)節(jié)點進行全*位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(guān)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(zhì)量；并且可以對配電房的工作狀態(tài)進行全*候的實時跟蹤和監(jiān)控。

4.3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。

4.4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*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(guān)，再通過智能網(wǎng)關(guān)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*進行采集，并使用104規(guī)約與智能網(wǎng)關(guān)展開通信，智能網(wǎng)關(guān)將其轉(zhuǎn)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(cè)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(guān)路由模式與智慧云平臺進行通信。

4.5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)動進行有地結(jié)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(guān)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*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(guān)路由”方式。

5配電室中應用數(shù)字孿生技術(shù)的主要注意事項

1）強化配套傳感裝置的推廣

2）提高對搭建多維度*合數(shù)據(jù)平臺的重視

3）深度研究計算分析模式，加大開發(fā)力度

6安科瑞配電室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)

6.1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(diào)、除*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）。

6.2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。

6.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)