特高压阀侧套管数字孪生系统集成设计方法

来源：中国电力

作者：何永胜 罗丹 鲁宗相

摘 要

设备级数字孪生模型投入现场实际使用时，常因电力设备的结构复杂、材料多样，以及数字孪生模型传输数据量大、显示要求高等特点，与场站级的数字孪生建模相比提出了更高的要求，其主要的功能需求如下。

1）对繁杂的传感器数据的统一的需求。为准确获取阀侧套管的运行状态建立数字孪生模型，电力设备的运行现场常常装设数量大、种类多、规格复杂的传感器以获取关键数据来构建其环境数据。此时，当存在多种物理量传集器的数据格式和传输接口不一致的情况，会极大地增加后续数据的处理量并影响传输速度。

2）对大容量数据传输稳定性的需求。构建准确的阀侧套管数字孪生模型时，由于阀侧套管存在多重复杂的运行工况，导致采集到的设备状态数据存在测量精度高、采集数量大、数据维度多的特点。基于阀侧套管数字孪生系统对计算数据完整性和实时性的需求，需要在保障大体量数据传输效率同时还要确保传输的准确性和稳定性。

3）对真实机理构建数字孪生模型的需求。相较于基于数据特征构建的数字孪生模型，基于真实机理构建的电力设备数字孪生系统更能够真实地反映其实际运行状态，为电力设备运行维护提供准确的状态信息。

4）对孪生模型深入细节展示的可视化需求。电力设备数字孪生建模是为了准确发现其当前已存在或可能存在问题的运行部位，因此对与可视化的细节展示提出了更高要求，需要能够深入细节部件的内部以显示丰富可视化细节。

针对数字孪生系统的功能和对应特点，本文设计了数字孪生系统结构框架，根据功能将其分为物理硬件层、孪生模型层和人机交互层，并根据功能设计了对应的数据接口模块、数据传输模块、物理场计算模块和可视化显示模块4个功能模块，如图1所示。

4个模块的功能具体分解如下。

1）数据接口模块。电力设备的测量现场通常包含温度传感器、电场传感器等多个不同类型的测量设备，在对这些设备使用不同的数据接口和通信协议将导致数据采集变得混乱和复杂。通过数据接口模块使用一致的标准、协议、格式或接口等技术对采集的数据进行处理和交换，最终输出相同格式的数据，可以有效提升数据采集和管理的效率，避免因为测量现场的数据接口不统一而导致数据传输时延，数据传输质量差等缺陷。

数据接口模块的功能如图2所示。通过数据接口模块对设备接入数据统一标准，将多类不同设备的传输路线通过接口模块统一转化为相同的接入数据，最终实现数据接口的统一输出。

数据接口统一旨在确保不同部分之间的数据交换更加顺畅，可以提高数据准确性、设备可维护性，有助于确保电力设备的安全性和可靠性，通过数据接口模块建立数据接口统一的规范后，其具备的互用性、一致性可以有效地提升传输效率，并有效保障平台的运行。

2）数据传输模块。电力设备的运行数据经传感器采集并传输给数字孪生模型以实现分析或模拟实际工作状态。为保证数字孪生系统的实时性和准确性，数据传输模块需要选择合适的网络传输协议保障数据传输时的稳定性和完整性。

数字孪生系统的数据传输主要是将传感器采集的数据传输至计算模块进行物理场计算，如图3所示。当发生数据传输异常后会导致多物理场计算结果偏离正常值，造成设备运行状态的误模拟。因此在制定数字孪生的数据传输模块时需要提供高精度的可信数据传输，从而支持电力设备状态的实时监测。

根据数字孪生系统对数据传输的要求，构建起对应的数据传输模块以保证数据的准确传输，需要具备以下特点。

传输效率：数字孪生模型的计算和显示通常需要进行大量的数据传输，其传输方案需要具备很高的数据传输效率以保证孪生模型的即时性。

稳定性：数字孪生模型要求实时展示电力设备的运行状态，因此需要保证其数据传输稳定性。

完整性：数据传输的完整性是保证孪生模型计算结果准确性和可视化准确性的关键因素，完整的数据传输可以避免数字孪生模型的不必要计算误差和显示偏差。

3）物理场计算模块。物理场计算模块是数字孪生系统的核心部分，主要是通过从数据采集模块经数据传输模块导入的数据，基于物理机理数学公式，构建并计算出数字孪生模型对应的结果，如图4所示。

本文所提出的阀侧套管数字孪生系统中，通过采用电热耦合非线性数学模型带入传统的全模型不等温度的方法，可以更准确地反映阀侧套管的实际运行状态。

4）可视化显示模块。传统的数字孪生系统主要使用的是外部匹配的方法，指将数字孪生计算的结果输出后导入可视化平台，显示模块从可视化平台上读取计算结果并重新进行匹配。该匹配模式是基于本地计算环境进行，涉及不同模块之间的通信和传输，因此会存在匹配复杂、响应较慢和实时性较差等问题。

相较于传统的数字孪生系统所采用的本地外部匹配，配置列表方法使用户更容易创建、配置和部署数字孪生模型，其区别如图5所示。

阀侧套管作为高价值电力设备，对其进行孪生建模及研究应用具有极大的经济价值，根据本文提出的电力设备数字孪生系统结构框架，本节设计了适配于阀侧套管等电力设备的数字孪生系统。该系统的4个模块分别通过IEC 61850协议统一各级监测数据格式构建了数据接口模块，基于消息队列遥测传输（message queuing telemetry transport，MQTT）协议构建了将各级数据统一传输至系统的数据传输模块，基于物理机理构建了物理场计算模块和基于底层图元划分构建了可视化显示模块。其技术框架如图6所示。本文以图7所示±800  kV换流变的阀侧套管为例开展数字孪生系统的研究与集成。

电力设备监测传感装置能够采集设备的电压、电流、负荷以及功耗等激励环境数据，还要布置温度传感器给出设备的环境温度、环境湿度等外部环境数据。由于不同的传感器制造厂家、电网监测装置源所使用的数据接口格式不同，这些数据在被监测传感装置获取后，以传感器内部定义的数据接口进行存储、传输。这使得当多项数据同时传输时，很难以相同的数据接口格式进行同步传输，影响了平台对数据接收的速度，进而不能满足数字孪生的实时性要求。

IEC 61850标准定义了一种用于电力系统中设备之间通信的框架和通信协议，其中包括了传感装置和智能电子设备（intelligent electronic device，IEDs）之间的数据传输。因此，本文基于IEC 61850标准构建了数据接口统一模块以接收传感装置数据信息，其流程如下。

1）通信协议配置。针对电力设备的传感装置和智能电子设备配置通信协议、通信接口、通讯装置等通信参数实现传感装置和IEDs的数据通信连接。对于阀侧套管数字孪生，接入孪生模型内部的数据可以通过IEDs从运行系统中直接获取激励环境数据；对于测量外部环境数据的温度传感器，通过单独设置与IEDs连接方式实现数据的获取。

2）数据模型适配。IEC 61850使用标准化的数据模型，包括对象、数据类别、数据属性等来描述电力系统中的设备和参数。因此，基于本文定义的数字孪生环境模型与IEC 61850协议的数据格式进行适配。

3）传感装置配置。对阀侧套管上的传感采集装置进行通信网络连接、采样速率设定以及逻辑节点、数据对象和数据属性等参数的分配，以确保传感装置生成的数据可以在通信网络中正确标识。

4）配置IEDs。对阀侧套管侧IEDs配置通信参数、数据模型等参数，实现与传感装置的数据通信、模型匹配等相关功能，确保IEDs可以正确地接收、解析和处理传感装置的数据。

5）数据采集和传输。配置完成后传感装置根据配置的采样率和触发条件生成数据，并通过IEC 61850通信协议传输到IEDs。IEDs会接收这些数据，并根据其配置的逻辑进行处理，包括数据质量检查、事件触发等。

对于阀侧套管的数字孪生系统而言，激励环境数据为电压、电流，外部环境数据为温度。其激励环境数据可通过电网系统监测得到，而外部环境数据需要通过温度传感器获取。由于前述的数据接口不统一造成传输影响，需要设置准化的数据通信协议对各监测、传感装置的数据进行接口统一，才能高效地发往系统接收端。

MQTT（message queuing telemetry transport，消息队列遥测传输）协议是在TCP/IP应用层上通过通信协议设计的消息传递技术，主要适合于通信延长较高、网络状况不够稳定、带宽资源不足、硬件资源有限等运行环境的嵌入式设备和移动终端。电力设备的数据传输对即时性的要求较高，且设备运行环境常存在传输带宽受限、网络通信不稳定的情况，基于MQTT协议开放、简单、易实现的良好传输优点可以有效解决众多问题，因此本文采用该协议进行数据传输。

MQTT消息传输模型如图8所示。

利用IoT-Gateway将Modbus RTU协议转换为MQTT协议，针对当前基本的传感器多采用Modbus RTU协议，为了将该类传感器采集的数据接入平台，使用IoT Gateway完成协议转换。IoT Gateway在系统工作过程中使用分配不同身份、定义不同主题的方式，代理服务器将智能网 关的传感器数据跨网段传输到应用层，同时也将指令下达到不同节点。IoT-Gateway的核心报文字段如表1所示。

表1  IoT-Gateway的核心报文字段

以温度数据为例，本文通过基于IoT-Gateway搭建的数字孪生系统对换流变阀侧套管温度的传感数据进行传输。

在读取了数据传输模块传来的数据后，需要进一步实现孪生模型在多物理场层面的计算求解。计算流程如图9所示。

物理场计算模块可以主要分为数据输入、命令处理和结果输出3个部分：首先，构建出物理场网格模型对应的几何模型，并将网格模型以“.stl”的格式进行存储，该储存文件中包含设备几何尺寸数据、设备几何连接数据等结构参数。随后将网格模型、材料物理参数、材料演变模型数据等上传至系统，并将数据传输模块中收集到的设备激励环境数据、外部环境数据等作为计算模型的边界条件和激励条件，输入到批处理命令模块。通过批处理命令调用物理场计算模块对设备物理场进行计算。

阀侧套管的几何参数如下：总长14 120 mm，管身外径810 mm；中心导体几何模型长度为14 120 mm，内径为59 mm，外径为98 mm；电容芯子极板模型的极板厚度为3 mm，铝箔厚度为1 mm；套管瓷套头盔半径643 mm，外壳长度8 820 mm，内径600 mm；顶部均压球外、内径分别为2 190 mm、1000 mm，底部均压球外径为623 mm，其顶部开口半径为168 mm。建立的阀侧套管总体几何模型如图10所示。

套管各部件材料设置如表2所示。通过输入模块获取阀侧套管的电压、电流激励设置物理场计算的边界条件。利用有限元分析，将油纸介电常数与温度的非线性代入损耗角正切中，针对阀侧套管电容芯子的介质损耗迭代方程，分别在未考虑油纸介电常数与温度的非线性时物理场计算介质损耗及套管整体温度场情况，再通过对油纸介电常数与温度的非线性在电场及温度场之间的迭代，计算介质损耗及总损耗。以损耗值为激励源对阀侧套管温度场进行计算，得到套管轴向整体的温度场分布，如图11所示。

表2  阀侧套管模型各部位材料参数

套管顶部头盔处，无电容芯子环绕该区域，温度轴向传递较大，中心导体与绝缘油直接换热且绝缘油整体温度接近一致，因此受绝缘油影响，温度稳定在45 ℃附近；绝缘伞裙区域温度轴向散热路径较大，其温度分布在30~35 ℃，径向传递不随径向距离等梯度升高；法兰处由于处于变压器升高座与空气交接处，温度梯度较大；绝缘油中的下瓷套部分温度场稳定，整体温度接近压器油温90 ℃。以上4个区域整体温度场分布由于处于套管表面，较多的文献与研究对其工况下的温度分布进行了测量，可得知与实际阀侧套管稳态工况下相符合。最后输出网格模型各节点对应的计算进度以及结果。

本文基于WebGL协议设计了数字孪生模型可视化方法，如下所示，其流程如图12所示。

1）数据导入/格式识别。基于物理机理构建的数字孪生模型通过本质机理计算反映孪生设备的状态变化，具体通过搭建有限元网格开展计算。

2）网格组合和解构拆解。对导入的孪生模型计算网格进行重新组合，将其重构成可视化显示最小网格单元，并进一步组合成更大颗粒度或更简化显示的可视化网格单位，不同颗粒度的可视化网格单元和单位，同时供后续可视化环节运算渲染使用。

3）图元装配。对可视化网格进行细节划分后，将孪生模型计算网格数据匹配至与其对应的可视化网格图元进行装配，实现渲染网格的图元赋值，为后续渲染做准备。

4）可视化渲染。匹配后对可视化网格进行渲染，并最终实现可视化的实现。

综合数字孪生系统的几何模型、环境模型、物理场模型及计算结果等诸多因素，以及数字孪生模型应用所需的状态显示诊断等实际功能需求，通过基于实际的换流变压器设计出数字孪生系统的人机交互界面，如图13所示。

对变压器孪生模型的关键部件阀侧套管进行进一步提取后，可以获取其对应的运行状态，如图14所示。根据观察阀侧套管各部件的物理值显示，可以看出，套管底部显示温度较高，是更容易发生故障的运行部位，因此需要对其进行更多地关注。数字孪生的多物理场显示结果可以显示出阀侧套管的实际运行状态，有助于及时发现阀侧套管的运行异常。

对阀侧套管进一步拆解后将其分解为法兰、套管、均压环等部件，对应的几何结构拆解显示结果如图15所示。根据分解结果可以看出，阀侧套管内部的电容芯子极板部位存在高温，相较其他部位更可能出现缺陷。因此，通过对阀侧套管内部进行分解显示，可以根据其结构内部的显示，诊断出内部可能存在的运行缺陷或者潜在的故障点，在运行时进一步关注隐患点，及时避免设备故障的发生。

在实际系统中根据设备的实际参数进一步设置越限报警功能，例如当套管内部高温点和整体温度越限后会在系统中发出报警信号，提醒套管故障的潜在可能，为系统的运维提供参考信息。

本文基于数字孪生系统的特点构建了阀侧套管数字孪生系统集成，通过实现数据接口模块、数据传输模块、物理场计算模块和可视化显示模块的对应功能，实现了数字孪生系统的主要框架。并以实物为例设计了对应模块的功能实现，展示了系统集成的实际功能和应用，验证了本文方法的有效性。

注：本文内容呈现略有调整，如需要请查看原文。