中国电科院研发推广变电数字孪生平台

1月5日，中国电力科学研究院有限公司高压所设备状态评价中心副主任杨宁通过变电数字孪生平台，观测试验变压器在当下环境下的温度场。该平台将实景三维模型和状态数据在三维空间中融合，利用图像和点云缺陷识别算法，结合实时变电设备状态仿真，为设备管理提供智能化解决方案。

数字孪生是对物理实体或过程进行数字化表达的技术，常常使用可视化模型、数理模型和机理模型等进行建模。2018年开始，中国电科院高压所设备状态评价中心团队结合变电运维业务需求，开展数字孪生技术攻关，于2021年11月研发上线变电数字孪生平台，推动电力设备智能化管理。

三维立体巡检无死角

1月4日，中国电科院高压所设备评价中心团队成员李丽华利用变电数字孪生平台三维立体巡检模块发布任务，位于现场的在线智能巡检装置从不同位置和不同角度观测试验变压器，并将采集数据回传平台。“这次采集的数据很全面，像变压器顶面、冷却器和本体连接的油管这种难以观测部位的数据都采集到了。”李丽华介绍。

该团队采用可视化模型技术思路，通过三维参数设计和实景三维扫描，构建变电设备的三维立体模型。基于多线激光雷达技术构建的变电站实景三维数字孪生模型误差在2毫米以内，还原了变电站设备和环境细节，同时与设备状态数据匹配，辅助运维人员直观查看和分析变电设备状态。

“机器人+高清视频摄像头”巡检已是智能巡检中的常见手段。团队基于这一特点，根据智能巡检设备的工作角度和维度，控制在线智能巡检设备联动和多角度数据采集，实现变电站智能巡检无死角。

“我们在三维模型空间中定位巡检机器人、高清视频摄像头、红外摄像头、相机和无人机，再根据不同类型巡检工作的需求设置参数。比如针对变压器巡检，我们设置巡检机器人在变压器周围低视角环绕观测，让无人机和三维多光谱云台在变压器顶部用高视角、多角度实时观测，用相机对变压器表计读数，获取所有点位的巡检数据。”李丽华说。

变电缺陷识别更快更准

2021年12月23日，中国电科院高压所设备评价中心团队成员朱家运通过变电数字孪生平台可见光算法模块，在6分钟内复核了2000张样本图片。在此之前，一次变电站巡检产生的数据量是上千张图片，人工复核往往需要数个小时。

变电数字孪生平台的可见光算法是提升人工复核效率的关键。该算法基于变电巡检数据的数字孪生数理模型，学习海量样本的数据特征，替代人工判断，实现电力设备状态的快速准确识别。

2021年8月份，统计算法结果显示，可见光算法在27类可见光缺陷场景下的设备状态识别平均准确率达到88.2%。团队还针对红外图像背景开展研究，通过可见光边缘和纹理信息，精确提取红外目标区域温度场，利用温度梯度算法实现变电设备部件温度场异常分析，形成红外可见光融合诊断算法。经第三方测试，红外可见光融合诊断算法识别准确率达到90.1%。

目前，可见光算法模块已在重庆110千伏兰家沱变电站试点应用，红外可见光融合诊断算法模块已在±1100千伏古泉换流站等站点试点应用。该团队针对兰家沱变电站的高温高湿环境，对算法进行了增量模型训练和优化，提升算法对金属锈蚀、表计表盘模糊等缺陷的识别率。针对古泉换流站换流变压器运行环境现状，团队改进了红外可见光融合诊断算法，实现对换流变压器本体、阀侧套管、网侧套管、冷却器等部件完整区域的温度异常识别。

设备状态比对预警更及时

2021年12月20日，中国电科院高压所设备评价中心团队成员廖思卓依托变电数字孪生平台综合状态预警模块，发现试验设备温度趋势异常。这是一次平台告警实验，主要测试平台在三维温度场数据和多物理场实时仿真数据方面的对比分析能力。

通常，变电站设备温度告警主要是基于缺陷告警阈值发出，但设备存在地域、环境、生产厂家等差异，固定的阈值并不能适应所有运行情况，通过阈值告警的方法有一定不足。

该团队引入多物理场实时仿真手段，提出应用变电设备模型降阶技术，在保证计算精度的同时，实现仿真数据结果与在线监测数据实时比对。

“多物理场实时仿真是基于电力设备多物理场数值计算的机理模型，通过与状态数据的综合比对，实现对电力设备异常状态主动预警。”廖思卓解释。

多物理场仿真一般需要在高性能服务器上计算电力设备或现象的多个物理场的数值，目前主要用于电力设备参数设计、试验验证和事故分析。为了提升变电设备异常识别质效，团队在多物理场仿真基础上，将大规模的仿真方程进行自由度降阶，实现了复杂变电设备模型状态的快速仿真。

2021年10月，团队做了一次对比实验：利用多物理场仿真手段对变压器温度场进行仿真，经过在高性能服务器上2个多小时的仿真计算，变压器绕组和油温的温度分布结果出现在了屏幕上，而变电数字孪生平台仅用时1.8秒便给出了温度场计算结果。

变压器温度场仿真时间从2小时减少到1～2秒，实现了秒级的多物理场仿真计算。结合巡检数据和红外可见光识别结果，这可以让现场运维人员实时分析和判断设备状态趋势，及时消除缺陷。

目前，基于该团队的技术成果，中国电科院形成一系列变电数字孪生应用和关键装置，研发的变电数字孪生平台已在5个省级电力公司管辖的多个换流站、变电站开展试点应用，辅助运维人员感知设备状态，推动电力设备智能化管理。后续，团队加快推进变电设备数字孪生标准制定，构建变电设备三维数字模型服务库，构建相关数理模型和机理模型库体系，持续推动电力设备管理智能化。