1月5日，中國電力科學(xué)研究院有限公司高壓所設(shè)備狀態(tài)評價中心副主任楊寧通過變電數(shù)字孿生平臺，觀測試驗變壓器在當(dāng)下環(huán)境下的溫度場。該平臺將實景三維模型和狀態(tài)數(shù)據(jù)在三維空間中融合，利用圖像和點云缺陷識別算法，結(jié)合實時變電設(shè)備狀態(tài)仿真，為設(shè)備管理提供智能化解決方案。
數(shù)字孿生是對物理實體或過程進(jìn)行數(shù)字化表達(dá)的技術(shù)，常常使用可視化模型、數(shù)理模型和機理模型等進(jìn)行建模。2018年開始，中國電科院高壓所設(shè)備狀態(tài)評價中心團(tuán)隊結(jié)合變電運維業(yè)務(wù)需求，開展數(shù)字孿生技術(shù)攻關(guān)，于2021年11月研發(fā)上線變電數(shù)字孿生平臺，推動電力設(shè)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(shè)備評價中心團(tuán)隊成員李麗華利用變電數(shù)字孿生平臺三維立體巡檢模塊發(fā)布任務(wù)，位于現(xiàn)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(shù)據(jù)回傳平臺?！斑@次采集的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)都采集到了?！崩铥惾A介紹。
該團(tuán)隊采用可視化模型技術(shù)思路，通過三維參數(shù)設(shè)計和實景三維掃描，構(gòu)建變電設(shè)備的三維立體模型。基于多線激光雷達(dá)技術(shù)構(gòu)建的變電站實景三維數(shù)字孿生模型誤差在2毫米以內(nèi)，還原了變電站設(shè)備和環(huán)境細(xì)節(jié)，同時與設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)匹配，輔助運維人員直觀查看和分析變電設(shè)備狀態(tài)。
“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(tuán)隊基于這一特點，根據(jù)智能巡檢設(shè)備的工作角度和維度，控制在線智能巡檢設(shè)備聯(lián)動和多角度數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)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(jù)不同類型巡檢工作的需求設(shè)置參數(shù)。比如針對變壓器巡檢，我們設(shè)置巡檢機器人在變壓器周圍低視角環(huán)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(shù)，獲取所有點位的巡檢數(shù)據(jù)?！崩铥惾A說。
變電缺陷識別更快更準(zhǔn)
2021年12月23日，中國電科院高壓所設(shè)備評價中心團(tuán)隊成員朱家運通過變電數(shù)字孿生平臺可見光算法模塊，在6分鐘內(nèi)復(fù)核了2000張樣本圖片。在此之前，一次變電站巡檢產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量是上千張圖片，人工復(fù)核往往需要數(shù)個小時。
變電數(shù)字孿生平臺的可見光算法是提升人工復(fù)核效率的關(guān)鍵。該算法基于變電巡檢數(shù)據(jù)的數(shù)字孿生數(shù)理模型，學(xué)習(xí)海量樣本的數(shù)據(jù)特征，替代人工判斷，實現(xiàn)電力設(shè)備狀態(tài)的快速準(zhǔn)確識別。
2021年8月份，統(tǒng)計算法結(jié)果顯示，可見光算法在27類可見光缺陷場景下的設(shè)備狀態(tài)識別平均準(zhǔn)確率達(dá)到88.2%。團(tuán)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(biāo)區(qū)域溫度場，利用溫度梯度算法實現(xiàn)變電設(shè)備部件溫度場異常分析，形成紅外可見光融合診斷算法。經(jīng)第三方測試，紅外可見光融合診斷算法識別準(zhǔn)確率達(dá)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(yīng)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(yīng)用。該團(tuán)隊針對蘭家沱變電站的高溫高濕環(huán)境，對算法進(jìn)行了增量模型訓(xùn)練和優(yōu)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(huán)境現(xiàn)狀，團(tuán)隊改進(jìn)了紅外可見光融合診斷算法，實現(xiàn)對換流變壓器本體、閥側(cè)套管、網(wǎng)側(cè)套管、冷卻器等部件完整區(qū)域的溫度異常識別。
設(shè)備狀態(tài)比對預(yù)警更及時
2021年12月20日，中國電科院高壓所設(shè)備評價中心團(tuán)隊成員廖思卓依托變電數(shù)字孿生平臺綜合狀態(tài)預(yù)警模塊，發(fā)現(xiàn)試驗設(shè)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(shù)據(jù)和多物理場實時仿真數(shù)據(jù)方面的對比分析能力。
通常，變電站設(shè)備溫度告警主要是基于缺陷告警閾值發(fā)出，但設(shè)備存在地域、環(huán)境、生產(chǎn)廠家等差異，固定的閾值并不能適應(yīng)所有運行情況，通過閾值告警的方法有一定不足。
該團(tuán)隊引入多物理場實時仿真手段，提出應(yīng)用變電設(shè)備模型降階技術(shù)，在保證計算精度的同時，實現(xiàn)仿真數(shù)據(jù)結(jié)果與在線監(jiān)測數(shù)據(jù)實時比對。
“多物理場實時仿真是基于電力設(shè)備多物理場數(shù)值計算的機理模型，通過與狀態(tài)數(shù)據(jù)的綜合比對，實現(xiàn)對電力設(shè)備異常狀態(tài)主動預(yù)警?！绷嗡甲拷忉?。
多物理場仿真一般需要在高性能服務(wù)器上計算電力設(shè)備或現(xiàn)象的多個物理場的數(shù)值，目前主要用于電力設(shè)備參數(shù)設(shè)計、試驗驗證和事故分析。為了提升變電設(shè)備異常識別質(zhì)效，團(tuán)隊在多物理場仿真基礎(chǔ)上，將大規(guī)模的仿真方程進(jìn)行自由度降階，實現(xiàn)了復(fù)雜變電設(shè)備模型狀態(tài)的快速仿真。
2021年10月，團(tuán)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(jìn)行仿真，經(jīng)過在高性能服務(wù)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(jié)果出現(xiàn)在了屏幕上，而變電數(shù)字孿生平臺僅用時1.8秒便給出了溫度場計算結(jié)果。
變壓器溫度場仿真時間從2小時減少到1～2秒，實現(xiàn)了秒級的多物理場仿真計算。結(jié)合巡檢數(shù)據(jù)和紅外可見光識別結(jié)果，這可以讓現(xiàn)場運維人員實時分析和判斷設(shè)備狀態(tài)趨勢，及時消除缺陷。
目前，基于該團(tuán)隊的技術(shù)成果，中國電科院形成一系列變電數(shù)字孿生應(yīng)用和關(guān)鍵裝置，研發(fā)的變電數(shù)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(yīng)用，輔助運維人員感知設(shè)備狀態(tài)，推動電力設(shè)備智能化管理。后續(xù)，團(tuán)隊加快推進(jìn)變電設(shè)備數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)制定，構(gòu)建變電設(shè)備三維數(shù)字模型服務(wù)庫，構(gòu)建相關(guān)數(shù)理模型和機理模型庫體系，持續(xù)推動電力設(shè)備管理智能化。
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