【儀表網 儀表下游】導讀：1月5日，中國電力科學研究院有限公司高壓所設備狀態評價中心副主任楊寧通過變電數字孿生平臺，觀測試驗變壓器在當下環境下的溫度場。該平臺將實景三維模型和狀態數據在三維空間中融合，利用圖像和點云缺陷識別算法，結合實時變電設備狀態仿真，為設備管理提供智能化解決方案。
 

　　數字孿生是對物理實體或過程進行數字化表達的技術，常常使用可視化模型、數理模型和機理模型等進行建模。2018年開始，中國電科院高壓所設備狀態評價中心團隊結合變電運維業務需求，開展數字孿生技術攻關，于2021年11月研發上線變電數字孿生平臺，推動電力設備智能化管理。
 

　　三維立體巡檢無死角
 

　　1月4日，中國電科院高壓所設備評價中心團隊成員李麗華利用變電數字孿生平臺三維立體巡檢模塊發布任務，位于現場的在線智能巡檢裝置從不同位置和不同角度觀測試驗變壓器，并將采集數據回傳平臺。“這次采集的數據很全面，像變壓器頂面、冷卻器和本體連接的油管這種難以觀測部位的數據都采集到了。”李麗華介紹。
 

　　該團隊采用可視化模型技術思路，通過三維參數設計和實景三維掃描，構建變電設備的三維立體模型。基于多線激光雷達技術構建的變電站實景三維數字孿生模型誤差在2毫米以內，還原了變電站設備和環境細節，同時與設備狀態數據匹配，輔助運維人員直觀查看和分析變電設備狀態。
 

　　“機器人+高清視頻攝像頭”巡檢已是智能巡檢中的常見手段。團隊基于這一特點，根據智能巡檢設備的工作角度和維度，控制在線智能巡檢設備聯動和多角度數據采集，實現變電站智能巡檢無死角。
 

　　“我們在三維模型空間中定位巡檢機器人、高清視頻攝像頭、紅外攝像頭、相機和無人機，再根據不同類型巡檢工作的需求設置參數。比如針對變壓器巡檢，我們設置巡檢機器人在變壓器周圍低視角環繞觀測，讓無人機和三維多光譜云臺在變壓器頂部用高視角、多角度實時觀測，用相機對變壓器表計讀數，獲取所有點位的巡檢數據。”李麗華說。
 

　　變電缺陷識別更快更準
 

　　2021年12月23日，中國電科院高壓所設備評價中心團隊成員朱家運通過變電數字孿生平臺可見光算法模塊，在6分鐘內復核了2000張樣本圖片。在此之前，一次變電站巡檢產生的數據量是上千張圖片，人工復核往往需要數個小時。
 

　　變電數字孿生平臺的可見光算法是提升人工復核效率的關鍵。該算法基于變電巡檢數據的數字孿生數理模型，學習海量樣本的數據特征，替代人工判斷，實現電力設備狀態的快速準確識別。
 

　　2021年8月份，統計算法結果顯示，可見光算法在27類可見光缺陷場景下的設備狀態識別平均準確率達到88.2%。團隊還針對紅外圖像背景開展研究，通過可見光邊緣和紋理信息，精確提取紅外目標區域溫度場，利用溫度梯度算法實現變電設備部件溫度場異常分析，形成紅外可見光融合診斷算法。經第三方測試，紅外可見光融合診斷算法識別準確率達到90.1%。
 

　　目前，可見光算法模塊已在重慶110千伏蘭家沱變電站試點應用，紅外可見光融合診斷算法模塊已在±1100千伏古泉換流站等站點試點應用。該團隊針對蘭家沱變電站的高溫高濕環境，對算法進行了增量模型訓練和優化，提升算法對金屬銹蝕、表計表盤模糊等缺陷的識別率。針對古泉換流站換流變壓器運行環境現狀，團隊改進了紅外可見光融合診斷算法，實現對換流變壓器本體、閥側套管、網側套管、冷卻器等部件完整區域的溫度異常識別。
 

　　設備狀態比對預警更及時
 

　　2021年12月20日，中國電科院高壓所設備評價中心團隊成員廖思卓依托變電數字孿生平臺綜合狀態預警模塊，發現試驗設備溫度趨勢異常。這是一次平臺告警實驗，主要測試平臺在三維溫度場數據和多物理場實時仿真數據方面的對比分析能力。
 

　　通常，變電站設備溫度告警主要是基于缺陷告警閾值發出，但設備存在地域、環境、生產廠家等差異，固定的閾值并不能適應所有運行情況，通過閾值告警的方法有一定不足。
 

　　該團隊引入多物理場實時仿真手段，提出應用變電設備模型降階技術，在保證計算精度的同時，實現仿真數據結果與在線監測數據實時比對。
 

　　“多物理場實時仿真是基于電力設備多物理場數值計算的機理模型，通過與狀態數據的綜合比對，實現對電力設備異常狀態主動預警。”廖思卓解釋。
 

　　多物理場仿真一般需要在高性能服務器上計算電力設備或現象的多個物理場的數值，目前主要用于電力設備參數設計、試驗驗證和事故分析。為了提升變電設備異常識別質效，團隊在多物理場仿真基礎上，將大規模的仿真方程進行自由度降階，實現了復雜變電設備模型狀態的快速仿真。
 

　　2021年10月，團隊做了一次對比實驗：利用多物理場仿真手段對變壓器溫度場進行仿真，經過在高性能服務器上2個多小時的仿真計算，變壓器繞組和油溫的溫度分布結果出現在了屏幕上，而變電數字孿生平臺僅用時1.8秒便給出了溫度場計算結果。
 

　　變壓器溫度場仿真時間從2小時減少到1～2秒，實現了秒級的多物理場仿真計算。結合巡檢數據和紅外可見光識別結果，這可以讓現場運維人員實時分析和判斷設備狀態趨勢，及時消除缺陷。
 

　　目前，基于該團隊的技術成果，中國電科院形成一系列變電數字孿生應用和關鍵裝置，研發的變電數字孿生平臺已在5個省級電力公司管轄的多個換流站、變電站開展試點應用，輔助運維人員感知設備狀態，推動電力設備智能化管理。后續，團隊加快推進變電設備數字孿生標準制定，構建變電設備三維數字模型服務庫，構建相關數理模型和機理模型庫體系，持續推動電力設備管理智能化。