CN113379196A - 一种基于数字孪生技术的变电设备管理评价系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于数字孪生技术的变电设备管理评价系统，包括数据转换装置、数据采集服务器、可视化服务器及构建有数字孪生模型的Hadoop集群，数据转换装置、数据采集服务器、可视化服务器及Hadoop集群分别通过防火墙连接于以太网，数据采集服务器经由以太网从各数据源处采集数据发送给数据转换装置，数据转换装置将收到的数据转换为Hadoop集群所需的形式后发送至Hadoop集群，Hadoop集群用于海量数据的存储、访问以及采用数字孪生模型进行数据计算与分析得到变电设备管理评价结果发送给可视化服务器，可视化服务器呈现变电设备管理评价结果；优点是有效补充与扩展电网目前流行的PMS系统以及持续建设中的电网智能运检管控系统。
Description
技术领域
本发明涉及一种，尤其是涉及一种基于数字孪生技术的变电设备管理评价系统。
背景技术
变电设备是电力企业的核心资产，其安全运行既是电网稳定的基础，又影响着企业成本和效益。目前电力系统内已开发应用诸如生产管理系统(PMS)、宝讯等设备管控系统，解决了变电设备管控中的部分实际问题，但此类系统普遍存在以下四点问题：一、跨专业的数据共享不足；二、电力数据价值有待进一步挖掘；三、缺乏有效地设备全寿命周期管理手段；四、系统专业技术优势的商业效益转化率低。
2002年，密歇根大学教授Dr.Michael Grieves第一次提出了数字孪生概念。数字孪生是一个在现实中的物理实体，在虚拟信息空间里还有一个与物理实体动态一致的数字副本。借助数字孪生这一概念，能够实现物理机械和分析技术的融合，从而得到数字孪生模型。通过这些数字孪生模型，可以在虚拟环境下实现实体设备的调试和试验，优化其运行状态。随后，只需要将最佳方案应用在物理世界的机器设备上，就能节省大量维修以及调试成本。
“数字孪生”主要分五步走方式实现：1)准确将现实世界以数字化的方式表达；2)利用数字化使现实和虚拟世界无缝连接；3)创造一个产品/流程/设备的数字孪生模型；4)模拟/仿真/分析/虚拟调试现实世界中发生的问题或未知的领域；5)解决问题，预测未来。
目前，数字孪生技术在电力行业有了部分应用。西门子公司已基于数字孪生理念构建了智能电网的孪生模型，形成了基于模型的虚拟电网镜像，并在芬兰电网中进行了验证性应用。此外，国内某变电站工程，充分利用数字孪生模型的强大功能优化设计工作，改善设计合作伙伴之间的协作并节省工程总成本；通过充分利用数字化设计理念，围墙内占地面积节约用地30％，土方量减少70％，建筑面积减少60％，大大节省了设计时间，节省了30％的设计总成本并提前三天完成了项目。国内某输电工程，也利用沉浸式数字孪生模型帮助工程师实现220kV输电线可视化设计。数字孪生技术和大数据技术的日渐成熟，使得利用丰富的电网、设备数据建立变电设备孪生模型的虚实映射，实现设备智能管控成为可能。
当前，在电力行业，主要采用PMS系统以及持续建设中的电网智能运检管控系统来进行电网变电设备的管理。但是，这些系统管理功能比较单一，主要用于对变电设备运行数据进行采集并分析，判断设备当前运行状态是否正常，不能预测变电设备的状态，只能在变电设备运行数据出错表示变电设备发生故障时才会对其进行维修，后期维修成本较高。鉴此，设计一种能实时采集分析变电设备各项数据，建立虚拟设备模型，进而评估并预测变电设备状态，辅助管理决策并提供咨询服务的变电设备管理评价系统具有重要意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于数字孪生技术的变电设备管理评价系统，该变电设备管理评价系统能通过对变电设备各项数据进行采集分析，建立虚拟设备模型，进而评估并预测变电设备状态，辅助管理决策并提供咨询服务，有效补充与扩展电网目前流行的PMS系统以及持续建设中的电网智能运检管控系统。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于数字孪生技术的变电设备管理评价系统，包括数据转换装置、数据采集服务器、可视化服务器及Hadoop集群，所述的Hadoop集群处基于数字孪生技术构建有数字孪生模型，所述的数据转换装置、所述的数据采集服务器、所述的可视化服务器及所述的Hadoop集群分别通过防火墙连接于以太网，与变电设备相关联的各数据源分别通过防火墙连接于以太网，所述的数据采集服务器能够经由以太网从各数据源处采集所需的数据发送给所述的数据转换装置，所述的数据转换装置用于将收到的数据转换为所述的Hadoop集群所需的形式后发送至所述的Hadoop集群，所述的Hadoop集群用于海量数据的存储、访问以及采用数字孪生模型进行数据计算与分析得到变电设备管理评价结果发送给所述的可视化服务器，所述的可视化服务器用于呈现变电设备管理评价结果。
所述的数字孪生模型包括感知层、平台层、网络层和应用层，所述的感知层用于接入所述的变电设备管理评价系统所需的数据来源，为所述的数字孪生模型提供各类数据信息与电网参数；所述的网络层采用所述的Hadoop集群的硬件资源实现，包括基础设施层和数据接口层，所述的基础设施层作为所需数据资源载体，为电力系统各业务子系统提供硬件支撑，所述的数据接口层基于大数据分析算法的数据建模理论构建，能够基于交互规约及行业标准对数据进行清洗、转换、处理并最终保存；所述的平台层采用所述的Hadoop集群的Hypervisor/VMs协调服务器上的物理设备与虚拟机作为载体，该载体内设置有大数据系统，所述的大数据系统采用分布式文件系统作为存储框架，采用MapReduce分布式计算技术作为并行编程模型和计算框架，为所述的变电设备管理评价系统提供高性能的分布式计算环境；所述的应用层具有变电设备管理评价服务功能与基于数字孪生的系统可视化功能，所述的应用层的变电设备管理评价服务功能提供了各类数据分析服务，基于数字孪生的系统可视化功能用于数据及结果的可视化，包括设备地理分布与基本信息展示、设备管理评价信息展示以及设备检修与运维计划展示。
所述的感知层提供的各类数据信息与电网参数主要有以下设备参数、环境因素和在线测量/运维数据，其中设备参数包括材质、尺寸和材料，环境因素包括温度、湿度、雨水酸碱度、降水量和风力，在线测量/运维数据包括检修记录、缺陷记录、运行曲线(局放、SF6压力、分解物、微水、铁心接地电流、温度和有色谱分析)以及负荷变化情况。
所述的各数据源分别为：调度管理系统OMS、能量管理系统EMS、生产管理系统PMS、气象信息系统、设备在线监测系统、社会公共信息数据库、电网历史和地理信息数据库。
与现有技术相比，本发明的优点在于通过数据转换装置、数据采集服务器、可视化服务器及Hadoop集群构建变电设备管理评价系统，Hadoop集群处基于数字孪生技术构建有数字孪生模型，数据转换装置、数据采集服务器、可视化服务器及Hadoop集群分别通过防火墙连接于以太网，与变电设备相关联的各数据源分别通过防火墙连接于以太网，数据采集服务器能够经由以太网从各数据源处采集所需的数据发送给数据转换装置，数据转换装置用于将收到的数据转换为Hadoop集群所需的形式后发送至Hadoop集群，Hadoop集群用于海量数据的存储、访问以及采用数字孪生模型进行数据计算与分析得到变电设备管理评价结果发送给可视化服务器，可视化服务器用于呈现变电设备管理评价结果，本发明通过数据采集服务器从各数据源处采集所需的数据发送给数据转换装置，数据转换装置将收到的数据转换为Hadoop集群所需的形式后发送至Hadoop集群，Hadoop集群处的数字孪生模型对数据进行计算与分析，得到变电设备管理评价结果发送给可视化服务器进行显示，由此本发明将数字孪生技术用于变电设备管理，能够对变电设备各项数据进行采集分析，建立虚拟设备模型，进而评估并预测变电设备状态，辅助管理决策并提供咨询服务，有效补充与扩展电网目前流行的PMS系统以及持续建设中的电网智能运检管控系统。
附图说明
图1为本发明的基于数字孪生技术的变电设备管理评价系统的硬件构架图；
图2为本发明的基于数字孪生技术的变电设备管理评价系统的数字孪生模型的功能构架图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例：如图1所示，一种基于数字孪生技术的变电设备管理评价系统，包括数据转换装置、数据采集服务器、可视化服务器及Hadoop集群，Hadoop集群处基于数字孪生技术构建有数字孪生模型，数据转换装置、数据采集服务器、可视化服务器及Hadoop集群分别通过防火墙连接于以太网，与变电设备相关联的各数据源分别通过防火墙连接于以太网，数据采集服务器能够经由以太网从各数据源处采集所需的数据发送给数据转换装置，数据转换装置用于将收到的数据转换为Hadoop集群所需的形式后发送至Hadoop集群，Hadoop集群用于海量数据的存储、访问以及采用数字孪生模型进行数据计算与分析得到变电设备管理评价结果发送给可视化服务器，可视化服务器用于呈现变电设备管理评价结果。
如图2所示，本实施例中，数字孪生模型包括感知层、平台层、网络层和应用层，感知层用于接入变电设备管理评价系统所需的数据来源，为数字孪生模型提供各类数据信息与电网参数；网络层采用Hadoop集群的硬件资源实现，包括基础设施层和数据接口层，基础设施层作为所需数据资源载体，为电力系统各业务子系统提供硬件支撑，数据接口层基于大数据分析算法的数据建模理论构建，能够基于交互规约及行业标准对数据进行清洗、转换、处理并最终保存；平台层采用Hadoop集群的Hypervisor/VMs协调服务器上的物理设备与虚拟机作为载体，该载体内设置有大数据系统，大数据系统采用分布式文件系统作为存储框架，采用MapReduce分布式计算技术作为并行编程模型和计算框架，为变电设备管理评价系统提供高性能的分布式计算环境；应用层具有变电设备管理评价服务功能与基于数字孪生的系统可视化功能，应用层的变电设备管理评价服务功能提供了各类数据分析服务，基于数字孪生的系统可视化功能用于数据及结果的可视化，包括设备地理分布与基本信息展示、设备管理评价信息展示以及设备检修与运维计划展示。
本实施例中，感知层提供的各类数据信息与电网参数主要有以下设备参数、环境因素和在线测量/运维数据，其中设备参数包括材质、尺寸和材料，环境因素包括温度、湿度、雨水酸碱度、降水量和风力，在线测量/运维数据包括检修记录、缺陷记录、运行曲线(局放、SF6压力、分解物、微水、铁心接地电流、温度和有色谱分析)以及负荷变化情况。
本实施例中，各数据源分别为：调度管理系统OMS、能量管理系统EMS、生产管理系统PMS、气象信息系统、设备在线监测系统、社会公共信息数据库、电网历史和地理信息数据库。
本发明的基于数字孪生技术的变电设备管理评价系统根据变电设备物理实体的实际运行数据及虚拟实体模拟运行状况，可以实现设备的全寿命周期管控。本发明的基于数字孪生技术的变电设备管理评价系统能够实现以下功能：
一、设备选型：本发明的基于数字孪生技术的变电设备管理评价系统通过感知层能够收集各个地区不同环境不同时段的全面信息，导入厂家提供的变电设备数字参数后，就能模拟各变电设备在需求环境下的运行状态，从而筛选出最适合现场的变电设备类型。在变电站建设初期优化变电设备筛选流程，缩短建设流程，实现变电设备最优化配置。
二、虚拟安装：在变电设备装配前，可以通过本发明的基于数字孪生技术的变电设备管理评价系统的应用层选取需要安装的部件，然后通过应用层提供的变电设备管理评价服务功能模拟装配过程，验证变电设备安装流程，优化安装顺序，减少变电设备在建设过程中重复返工率，优化现场基建流程，节约建设人力、物力成本，缩短建设时间。
三、运检管理：本发明的基于数字孪生技术的变电设备管理评价系统的应用层的提供的变电设备管理评价服务功能对变电设备进行评价管理，并通过基于数字孪生的系统可视化功能实时数据可视化，直观体现变电设备运行状况，将变电设备台账图形化，为运维过程提供直观设备台账支持。
四、检修决策：本发明的基于数字孪生技术的变电设备管理评价系统依据变电设备健康状况，结合大数据分析算法，可以帮助运检部门在运维检修过程中解决以下难题：1)故障预警及设备优化管控：利用各数据源提供的在线监测数据进行挖掘和数据分析，判断变电设备近期有可能发生的故障并及时预警。根据变电设备全寿命预估，优化检修计划及相应决策，作为供电方案、能源布局和投资的决策。2)故障定位：利用感知层提供的SF6气体压力、微水、分解物的运行曲线实时分析变电设备内部动态同时结合二次故障录波图范围判断，通过数字孪生模型故障告警与录波曲线拟合，精准定位故障。3)故障诊断：通过故障的精确定位，通过大数据分析算法发觉通过过去故障检修记录、缺陷分析、反措要求，推荐最优处理方案，同时画面显示检修所用工器具、备品备件，显示停电范围、故障级别，达到智能辅助检修的功效。
五、价值评价：对变电设备的运行年限、绝缘状态、外观完好性、导电性能进行评估评价并形成价值评估报告，量化变电设备剩余价值。将报告上传流转系统，供系统内外的客户选择，并为其提供电网公司维保及保险服务。
本发明的基于数字孪生技术的变电设备管理评价系统还可以为主要客户群体，发电厂、重化工企业、政府大型项目等，根据其具体用电需求，提供专业的咨询服务，对于有需求的客户，还可定制相应的设计、安装、运维一站式解决方案。针对即将退役的电力设备，借助本发明的基于数字孪生技术的变电设备管理评价系统可以开展专业的评估评价，形成具有公信力的评估报告，根据报告结果，将变电设备分为报废与再利用两类。对于报废变电设备走设备报废流程；对于可再利用的电力设备，将其入库归类，可用于电力系统内流转及对外销售。客户选购变电设备后，本发明的基于数字孪生技术的变电设备管理评价系统还能够提供相关的维护、保养、保险等增值服务。通过上述商业模式，可以降低客户成本，建立客户信任，增强客户黏性，提升电力设备利用率，从原先单一的拍卖电力设备废品模式向挖掘二手设备最大剩余价值模式的转变；从原先单一提供电能，向提供咨询、维护、保险、电能一站式服务的转变；从原先封闭的经营模式向与外界客户共享共赢的转变。
Claims (4)
1.一种基于数字孪生技术的变电设备管理评价系统，其特征在于包括数据转换装置、数据采集服务器、可视化服务器及Hadoop集群，所述的Hadoop集群处基于数字孪生技术构建有数字孪生模型，所述的数据转换装置、所述的数据采集服务器、所述的可视化服务器及所述的Hadoop集群分别通过防火墙连接于以太网，与变电设备相关联的各数据源分别通过防火墙连接于以太网，所述的数据采集服务器能够经由以太网从各数据源处采集所需的数据发送给所述的数据转换装置，所述的数据转换装置用于将收到的数据转换为所述的Hadoop集群所需的形式后发送至所述的Hadoop集群，所述的Hadoop集群用于海量数据的存储、访问以及采用数字孪生模型进行数据计算与分析得到变电设备管理评价结果发送给所述的可视化服务器，所述的可视化服务器用于呈现变电设备管理评价结果。
2.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生技术的变电设备管理评价系统，其特征在于所述的数字孪生模型包括感知层、平台层、网络层和应用层，所述的感知层用于接入所述的变电设备管理评价系统所需的数据来源，为所述的数字孪生模型提供各类数据信息与电网参数；所述的网络层采用所述的Hadoop集群的硬件资源实现，包括基础设施层和数据接口层，所述的基础设施层作为所需数据资源载体，为电力系统各业务子系统提供硬件支撑，所述的数据接口层基于大数据分析算法的数据建模理论构建，能够基于交互规约及行业标准对数据进行清洗、转换、处理并最终保存；所述的平台层采用所述的Hadoop集群的Hypervisor/VMs协调服务器上的物理设备与虚拟机作为载体，该载体内设置有大数据系统，所述的大数据系统采用分布式文件系统作为存储框架，采用MapReduce分布式计算技术作为并行编程模型和计算框架，为所述的变电设备管理评价系统提供高性能的分布式计算环境；所述的应用层具有变电设备管理评价服务功能与基于数字孪生的系统可视化功能，所述的应用层的变电设备管理评价服务功能提供了各类数据分析服务，基于数字孪生的系统可视化功能用于数据及结果的可视化，包括设备地理分布与基本信息展示、设备管理评价信息展示以及设备检修与运维计划展示。
3.根据权利要求2所述的一种基于数字孪生技术的变电设备管理评价系统，其特征在于所述的感知层提供的各类数据信息与电网参数主要有以下设备参数、环境因素和在线测量/运维数据，其中设备参数包括材质、尺寸和材料，环境因素包括温度、湿度、雨水酸碱度、降水量和风力，在线测量/运维数据包括检修记录、缺陷记录、运行曲线(局放、SF6压力、分解物、微水、铁心接地电流、温度和有色谱分析)以及负荷变化情况。
4.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生技术的变电设备管理评价系统，其特征在于所述的各数据源分别为：调度管理系统OMS、能量管理系统EMS、生产管理系统PMS、气象信息系统、设备在线监测系统、社会公共信息数据库、电网历史和地理信息数据库。
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