一种基于数字孪生的变电站远程优化控制方法和系统

技术领域

本发明涉及变电站数字化远程运维领域，特别涉及一种基于数字孪生的变电站远程优化控制方法和系统。

背景技术

随着电网规模的扩大和智能化程度的提高，智能变电站大量投运，提高了对运维检修人员的技能提升的要求，导致在目前的运维方式下，运维人员往返变电站的次数增加，维护成本的增加；故障信息只能通过调度监控平台逐级传达的方式下发，导致对现场故障事故与缺陷的处理速度相对较慢。基于以上现状，数字孪生从设备的管理者角度出发，基于面向设备对象的思路，在信息化条件下，实现了跨部门、跨专业的整合。数字孪生重构了变电站监控的顶层设计，从角色维度包括运行人员、检修人员、管理人员；从时间维度包括历史信息、当前信息、规划信息。随着电网资源业务整合全面推进建设，逐步实现物理设备、自动化系统和信息系统的互联互通，数字孪生技术开始具备了充分应用条件，通过“物理变电站”和“数字变电站”融合，用数字化技术来感知、理解和优化现实世界变电站，将基础设施和数字化建设紧密结合起来是数字孪生技术应用的目标，目前数字孪生的研究及工程应用场景主要是在变电站一次设备运行状态数据采集的基础上实现设备的运行状态可视化，并未涉及现场装置的测试、回路验收、状态检修等方向，从而无法为现场工作提供辅助支持。因此现有技术没有真正地实现远程运维、消缺和处理故障的目的。

发明内容

为了解决现有技术中存在的不足，本发明提供了一种基于数字孪生的变电站远程优化控制方法和系统，以解决变电站远程运维的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案。

本发明首先公开了一种基于数字孪生的变电站远程优化控制方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：基于变电站数字化设计模型文件建立变电站数字孪生平台，并基于变电站三维空间模型文件构建用于变电站数字孪生平台的可视化三维模型；

步骤2：建立变电站内监控系统、在线监测系统和智能巡视系统之间的数据交互通讯；

步骤3：根据所述变电站内监控系统、在线监测系统和智能巡视系统的交互数据，由变电站数字孪生平台的变电站远程优化控制应用结合所述可视化三维模型对变电站现场设备进行远程优化控制。

本发明进一步包括以下优选方案：

步骤1中，所述变电站三维空间模型文件通过以下过程来构建：

步骤1.1：综合变电站设备激光点云、倾斜摄影、施工图纸、设备结构图纸和设备影像多源数据信息，结合工程建设阶段应用的BIM三维模型，进行数字化精确坐标三维场景构建，生成按实际变电站1:1还原的虚拟场景，建立覆盖全站一次和二次设备的三维静态模型，包含设备的几何模型、逻辑拓扑关系和空间位置转换属性文件信息；

步骤1.2：基于数字孪生平台构建的全站设备模型定义变电站一次和二次设备及状态灯、端子排和硬压板设备零部件三维模型接口属性信息，通过规范三维模型命名规则、配置关联信息表的方式与后台数据库中的属性对应，生成三维空间模型与变电站SCD模型文件的唯一标识映射关系；

步骤1.3：建立三维摄像机、机器人模型与智能巡视系统对应对象的唯一关联，通过点击三维模型对现场的实时状态进行视频查看。

步骤2中，所述建立变电站内监控系统、在线监测系统和智能巡视系统之间的数据交互通讯，进一步包括：

步骤2.1：采用基于IEC104标准规约的通讯方式接入变电站III区的变电站主辅监控系统的四遥数据，并将远程优化控制任务确认执行的操作指令反向输出给所述主辅监控系统；

步骤2.2：基于HTTP协议的通讯方式获取变电站III区的变电站智能巡视系统的全站设备巡视结果的信息、数据、图片和实时视频流，在数字孪生平台中查看巡视任务结果和摄像机对应实时视频，并在数字孪生平台对巡视摄像机和机器人反向控制巡视状态，向智能巡视系统下发巡视任务；

步骤2.3：基于通过正反向隔离装置的E文件传输的通讯方式获取变电站在线监测系统对于变电站设备状态实时运维诊断分析的结果信息和数据，包括一次和二次设备的评估和预测文件和巡视报告，利用在线监测系统进行诊断分析。

所述由变电站数字孪生平台的变电站远程优化控制应用结合所述可视化三维模型对变电站现场设备进行远程优化控制，进一步包括：

步骤3.1，数字孪生平台服务端实时监测基于综合应用主机推送的根据多源数据分析结果生成的优化控制消息文件，所述优化控制消息文件中包含优化控制类型，分析依据，控制设备点位和操作类型；

步骤3.2，数字孪生平台服务端将所述优化控制文件的关键字段推送给前端网页展示，变电站远程优化控制应用为平台应用的最高权限功能模块，前端收到优化控制消息后，立即执行最前端展示指令，将优化控制内容进行结合三维模型的可视化展示；

步骤3.3，根据优化控制内容选择三种处理方式之一，分别是确认操作、暂时取消和完全取消；所述确认操作为对优化控制内容中的控制设备点位进行确认操作指令，通过IEC104规约通讯的反向控制功能将控制指令下发至主辅监控系统，通过应用的任务列表查看执行完成状态；所述暂时取消执行后本次优化控制任务被挂起，通过应用的任务列表进行查看和操作，为未处理状态；所述完全取消为该用户确认对本次优化控制任务不做处理，直接删除本任务，通过应用的任务列表进行查看，为已取消状态；

步骤3.4，获取优化控制任务内容中包含的任务分析依据，在应用前端以列表形式展示，每条分析依据通过快捷按钮进行三维空间定位和视频查看，辅助用户在数字孪生平台对是否执行优化控制任务进行分析判断；

步骤3.5，优化控制任务确认操作完成后，主辅监控系统将执行结果返回数字孪生平台服务端，返回结果包括未执行、下发成功、取消、执行成功、执行超时、执行失败或服务错误；服务端对返回结果进行处理后在前端任务列表中展示不同状态，并根据当前状态判断可进行的处理操作，显示后续可进行的操作按钮。

所述步骤3.3中，所述将控制指令下发至主辅监控系统，进一步包括：

根据运维安全和操作权限，通过在站端部署安全运维边缘载体，采用管理和运维双通道约束机制，基于工单申请、身份认证和加密传输机制，实现基于数字孪生技术的变电站远程优化控制遥控操作的反向输出。

本发明同时公开了一种利用前述基于数字孪生的变电站远程优化控制方法的基于数字孪生的变电站远程优化控制系统，包括变电站数字孪生平台建立模块、数据交互通讯建立模块和现场设备远程优化控制模块：

所述变电站数字孪生平台建立模块，用于基于变电站数字化设计模型文件建立变电站数字孪生平台，并基于变电站三维空间模型文件构建用于变电站数字孪生平台的可视化三维模型；

所述数据交互通讯建立模块，用于建立变电站内监控系统、在线监测系统和智能巡视系统之间的数据交互通讯；

所述现场设备远程优化控制模块，用于根据所述变电站内监控系统、在线监测系统和智能巡视系统的交互数据，由变电站数字孪生平台的变电站远程优化控制应用结合所述可视化三维模型对变电站现场设备进行远程优化控制。

相应地，本申请还公开了一种终端，包括处理器及存储介质；

所述存储介质用于存储指令；

所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据前述基于数字孪生的变电站远程优化控制方法的步骤。

相应地，本申请还公开了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现前述基于数字孪生的变电站远程优化控制方法的步骤。

本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明提供了一种基于数字孪生的变电站远程优化控制方法和系统，搭建的变电站数字孪生平台基于变电站数字化设计模型文件，搭建具备监视、告警和业务支撑功能的数字孪生模型，实现变电站设备模型的统一管理，解决了变电站厂站内多系统信息不统一，业务功能不同步的问题；建立基于边缘网关的数据通讯方式与站内监控、在线监测和智能巡视等多系统进行数据交互，实现变电站全域设备多源异构数据采集，数据存储、视频及应用服务，扩大了对变电站设备进行智能感知的范围，丰富了分析信息类型，通过三维展示和视频联动的方式展现设备全景全时空状态，根据风险预测结果和异常处理建议，在充分考虑运维安全和操作权限的前提下向III区辅助监控系统发出主动优化控制的指令，使孪生模型与实体物理模型形成合理化双向反馈，进行主动的远程优化控制，降低变电站维护成本，缩短故障时间，提升系统运维安全，降低电网风险。

附图说明

图1是本发明中的基于数字孪生的变电站远程优化控制方法的流程图。

图2为本发明中的基于数字孪生的变电站远程优化控制方法的架构图；

图3为本发明优选实施例中的基于数字孪生的变电站远程优化控制方法功能模块的应用流程图；

图4是本发明中的基于数字孪生的变电站远程优化控制系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。

本申请所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部实施例。基于本发明精神，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的有所其它实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明提出一种基于数字孪生的变电站远程优化控制方法和系统，基于变电站数字化设计模型文件开发变电站数字孪生平台，搭建具备监视、告警和业务支撑功能的数字孪生模型，建立基于边缘网关的数据通讯方式与站内监控、在线监测和智能巡视等多系统进行数据交互，实现变电站全域设备多源异构数据采集，数据存储、视频及应用服务，在此基础上结合三维展示方式实现变电站远程优化控制的高级应用，在对站内核心设备异常信号进行实时运维诊断分析的基础上，进行孪生模型的空间异常定位，结合视频巡视画面展现设备全景全时空状态，根据风险预测结果和异常处理建议，在充分考虑运维安全和操作权限的前提下向III区辅助监控系统发出主动优化控制的指令，使孪生模型与实体物理模型形成合理化双向反馈，进行主动的远程优化控制，以降低变电站维护成本，缩短故障时间，提升系统运维安全，降低电网风险。

参见图1所示，本发明公开了一种基于数字孪生的变电站远程优化控制方法，包括以下步骤：

步骤1：基于变电站数字化设计模型文件建立变电站数字孪生平台，并基于变电站三维空间模型文件构建用于变电站数字孪生平台的可视化三维模型。

所述变电站数字化设计模型文件用于支撑变电站数字孪生平台建立一次和二次设备的孪生模型。所述变电站数字孪生平台用于提供模型和数据支撑的后端数据库、支撑前端应用的数据交互服务、支撑上层应用的前端功能模块和实现变电站远程优化控制应用。

所述变电站数字孪生平台采用Java EE分布式微服务架构平台，基于经典技术组合(Spring Boot、Spring Cloud&Alibaba、Vue、Element)，平台前端基于Vue CLI脚手架开发，前端渲染框架采用Vue.js，使用MVVM设计，基于Html、JavaScript、CSS、NodeJS等开发技术，支持路由管理，状态集中管理。使用微服务框架，平台各应用和服务实现充分解耦，支持后台数据模拟，数据转发，前后端配置文件预处理等。

在优选的实施例中，所述变电站三维空间模型文件通过以下过程来构建：

步骤1.1：三维空间模型构建，综合变电站设备激光点云、倾斜摄影、施工图纸、设备结构图纸和设备影像等多源数据信息，结合工程建设阶段应用的BIM(BuildingInformation Modeling)三维模型，进行数字化精确坐标三维场景构建，生成按实际变电站1:1还原的虚拟场景，建立覆盖全站一次和二次设备的三维静态模型，包含设备的几何模型、逻辑拓扑关系，空间位置转换属性文件等丰富信息；

步骤1.2：基于数字孪生平台构建的全站设备模型定义变电站一次和二次设备及状态灯、端子排、硬压板等设备零部件三维模型接口属性信息，通过规范三维模型命名规则、配置关联信息表的方式与后台数据库中的属性对应，生成三维空间模型与变电站SCD(Substation Configuration Description)模型文件的唯一标识映射关系；

步骤1.3：三维空间模型中包含巡视摄像机、机器人等巡视资源模型，建立三维摄像机、机器人模型与智能巡视系统对应对象的唯一关联，通过点击三维模型可对现场的实时状态进行视频查看。

步骤2：建立变电站内监控系统、在线监测系统和智能巡视系统之间的数据交互通讯。

所述与变电站内监控系统、在线监测系统和智能巡视系统之间的数据交互通讯用于为数字孪生平台提供支撑变电站远程优化控制应用所需的实时数据、告警信息，现场实时巡视视频等变电站全域设备多源异构数据和实时诊断分析结果，以及优化控制的交互通讯。所述变电站数字孪生平台部署在变电站III区，通过综合数据专网通道策略传输至变电管理所进行远程管理。

在优选的实施例中，步骤2中，所述建立变电站内监控系统、在线监测系统和智能巡视系统之间的数据交互通讯，进一步包含：

步骤2.1：采用基于IEC104标准规约的通讯方式接入变电站III区的变电站主辅监控系统的四遥数据，并将远程优化控制任务确认执行的操作指令反向输出给所述主辅监控系统；

步骤2.2：基于HTTP协议的通讯方式获取变电站III区的变电站智能巡视系统的全站设备巡视结果的信息、数据、图片和实时视频流，在数字孪生平台中查看巡视任务结果、摄像机对应实时视频等，并在数字孪生平台对巡视摄像机和机器人反向控制巡视状态，向智能巡视系统下发巡视任务；

步骤2.3：基于通过正反向隔离装置的E文件传输的通讯方式获取变电站在线监测系统对于变电站设备状态实时运维诊断分析的结果信息和数据，包括一次和二次设备的评估和预测文件和巡视报告，利用在线监测系统进行诊断分析，可以更充分利用现场的在线监测系统功能，使诊断结果更精确。

步骤3：根据所述变电站内监控系统、在线监测系统和智能巡视系统的交互数据，由变电站数字孪生平台的变电站远程优化控制应用结合所述可视化三维模型对变电站现场设备进行远程优化控制。

在具体实施例中，利用所述变电站数字孪生平台的变电站远程优化控制应用对变电站现场设备进行远程优化控制，主要步骤如下：

步骤3.1，数字孪生平台服务端实时监测基于综合应用主机推送的根据多源数据分析结果生成的优化控制消息文件，所述优化控制消息文件中包含优化控制类型，分析依据，控制设备点位和操作类型。

步骤3.2，数字孪生平台服务端将所述优化控制文件的关键字段推送给前端网页展示，变电站远程优化控制应用为平台应用的最高权限功能模块，无论用户目前正在进行数字孪生平台的哪个功能应用模块，前端收到优化控制消息后，立即执行最前端展示指令，将优化控制内容进行结合三维模型的可视化展示。

步骤3.3，优化控制内容查看后有三种处理方式，分别是确认操作、暂时取消和完全取消。所述确认操作为对优化控制内容中的控制设备点位进行确认操作指令，通过IEC104规约通讯的反向控制功能将控制指令下发至主辅监控系统，通过应用的任务列表查看执行完成状态；所述暂时取消执行后本次优化控制任务被挂起，通过应用的任务列表进行查看和操作，为未处理状态；所述完全取消为该用户确认对本次优化控制任务不做处理，直接删除本任务，通过应用的任务列表进行查看，为已取消状态。

步骤3.4，优化控制任务内容中包含任务分析依据，在应用前端以列表形式展示，每条分析依据都可通过快捷按钮进行三维空间定位和视频查看，辅助用户在数字孪生平台对是否执行优化控制任务进行分析判断。

步骤3.5，优化控制任务确认操作完成后，主辅监控系统会将执行结果返回数字孪生平台服务端，返回结果包括未执行、下发成功、取消、执行成功、执行超时、执行失败、服务错误。服务端对返回结果进行处理后在前端任务列表中展示不同状态，并根据当前状态判断可进行的处理操作，显示后续可进行的操作按钮。

在优选的实施例中，步骤3.3中所述将控制指令下发至主辅监控系统，进一步包括：

充分考虑运维安全和操作权限，通过在站端部署安全运维边缘载体，采用管理和运维双通道约束机制，基于严格的工单申请、身份认证、加密传输等机制保障变电站远程操作的安全可靠，实现基于数字孪生技术的变电站远程优化控制“由虚向实”遥控操作的反向输出。

其中，所述变电站远程优化控制的远程优化控制应用通过三维场景展示变电站运行的实时状态、实时告警、诊断告警、三维空间定位、巡视结果和视频来全面查看变电站的现场运维情况，对收到的远程优化控制任务进行多维度的信息确认和综合分析，并在二次保护屏柜内部署微型高清摄像机进行视频获取并识别屏柜内部端子排电缆是否有破损、是否着火、是否存在小动物，在智能巡视系统增加针对变电站二次设备装置外观和环境的巡视，将巡视结果发送至变电站数字孪生平台，来提升判断变电站二次设备状态是否存在缺陷的准确率。

图2是以变电站电流回路开路风险紧急控制为例的远程优化控制流程，主要包括以下步骤：

步骤A1、监控系统输出保护装置发生CT断线告警信号；

步骤A2、在线检测系统联动智能运维系统，通过设备CT附近的摄像机以识别是否有烟、火发生，同时通过摄像机识别附近人员情况；

步骤A3、启动判断逻辑进行综合判断分析，当电流回路开路存在对运维人员存在较大的人身安全风险时，将远程控制请求通过正向隔离装置以E文件形式发给变电站数字孪生平台；

步骤A4、数字孪生平台进行现场运行状况的视频再次确认，判断是否进行远程控制；

步骤A5、确认远程控制操作时，进行运维安全和登录账户操作权限的审核，通过后向III区主辅监控系统发出紧急切除对应的一次设备控制指令，保障运维人员的人身安全。

本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明提供了一种基于数字孪生的变电站远程优化控制方法和系统，搭建的变电站数字孪生平台基于变电站数字化设计模型文件，搭建具备监视、告警和业务支撑功能的数字孪生模型，实现变电站设备模型的统一管理，解决了变电站厂站内多系统信息不统一，业务功能不同步的问题；建立基于边缘网关的数据通讯方式与站内监控、在线监测和智能巡视等多系统进行数据交互，实现变电站全域设备多源异构数据采集，数据存储、视频及应用服务，扩大了对变电站设备进行智能感知的范围，丰富了分析信息类型，通过三维展示和视频联动的方式展现设备全景全时空状态，根据风险预测结果和异常处理建议，在充分考虑运维安全和操作权限的前提下向III区辅助监控系统发出主动优化控制的指令，使孪生模型与实体物理模型形成合理化双向反馈，进行主动的远程优化控制，降低变电站维护成本，缩短故障时间，提升系统运维安全，降低电网风险。

本发明可以是系统、方法和/或计算机程序产品。参见图4，本发明同时公开了一种基于前述的基于数字孪生的变电站远程优化控制方法的基于数字孪生的变电站远程优化控制系统，包括变电站数字孪生平台建立模块1、数据交互通讯建立模块2和现场设备远程优化控制模块3。

所述变电站数字孪生平台建立模块1，用于基于变电站数字化设计模型文件建立变电站数字孪生平台，并基于变电站三维空间模型文件构建用于变电站数字孪生平台的可视化三维模型；

所述数据交互通讯建立模块2，用于建立变电站内监控系统、在线监测系统和智能巡视系统之间的数据交互通讯；

所述现场设备远程优化控制模块3，用于根据所述变电站内监控系统、在线监测系统和智能巡视系统的交互数据，由变电站数字孪生平台的变电站远程优化控制应用结合所述可视化三维模型对变电站现场设备进行远程优化控制。

基于本发明的精神，本领域技术人员能够容易想到基于前述基于数字孪生的变电站远程优化控制方法可以得到一种计算机程序产品。计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质，其上载有用于使处理器实现本公开的各个方面的计算机可读程序指令。即本申请还包括一种终端，包括处理器及存储介质；所述存储介质用于存储指令；所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据前述基于数字孪生的变电站远程优化控制方法的步骤。

计算机可读存储介质可以是可以保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以是-但不限于-电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意合适的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、静态随机存取存储器(SRAM)、便携式压缩盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能盘(DVD)、记忆棒、软盘、机械编码设备、例如其上存储有指令的打孔卡或凹槽内凸起结构、以及上述的任意合适的组合。这里所使用的计算机可读存储介质不被解释为瞬时信号本身，诸如无线电波或者其它自由传播的电磁波、通过波导或其它传输媒介传播的电磁波(例如，通过光纤电缆的光脉冲)、或者通过电线传输的电信号。

这里所描述的计算机可读程序指令可以从计算机可读存储介质下载到各个计算/处理设备，或者通过网络、例如因特网、局域网、广域网和/或无线网下载到外部计算机或外部存储设备。网络可以包括铜传输电缆、光纤传输、无线传输、路由器、防火墙、交换机、网关计算机和/或边缘服务器。每个计算/处理设备中的网络适配卡或者网络接口从网络接收计算机可读程序指令，并转发该计算机可读程序指令，以供存储在各个计算/处理设备中的计算机可读存储介质中。

用于执行本公开操作的计算机程序指令可以是汇编指令、指令集架构(ISA)指令、机器指令、机器相关指令、微代码、固件指令、状态设置数据、或者以一种或多种编程语言的任意组合编写的源代码或目标代码，所述编程语言包括面向对象的编程语言-诸如Smalltalk、C++等，以及常规的过程式编程语言-诸如“C”语言或类似的编程语言。计算机可读程序指令可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络-包括局域网(LAN)或广域网(WAN)-连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。在一些实施例中，通过利用计算机可读程序指令的状态信息来个性化定制电子电路，例如可编程逻辑电路、现场可编程门阵列(FPGA)或可编程逻辑阵列(PLA)，该电子电路可以执行计算机可读程序指令，从而实现本公开的各个方面。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。