隨著堅強智能電網建設全面推進，電網建設規模逐年增加，項目投資隨之增大，工程建造及管理工作日趨復雜，而輸變電工程作為堅強智能電網的核心，實現電網大建設背景下輸變電工程精準化、精細化、信息化和智能化的設計、施工及運維管控，對于促進堅強智能電網建設持續健康發展有著極其重要的作用。同時，隨著電力市場三維設計及交付標準的出臺以及泛在電力物聯網等概念的提出，變化的外部需求必將要求建立一個全新的輸變電工程設計、施工和運行等各階段使用的信息模型，將各階段的數據資料收集整合且包含在信息模型中，讓工程全壽命周期中各階段的工作人員在使用該模型時都能獲得精確完整的數據。隨著數字化和三維技術在中國電力勘測設計行業深化應用，電網信息模型(GIM)逐漸成為新一代的輸變電工程數據模型，該模型是一種以數據庫為基礎，研究通用的模型接口技術和統一的編碼技術，可集成輸變電工程全壽命周期數據的信息模型。

　　數字化設計技術是一種全新的設計手段，是以現有設計技術為基礎，應用數字化技術、三維技術等對現有設計方式進行升級。而數字孿生技術是數字化設計、建造和運維技術的集成應用技術，是BIM技術在輸變電工程領域的深化應用，也是三維建模、數字化協同設計、4D建造模擬技術、數字化成果移交技術與實景建模技術的集成應用，還是以電網信息模型作為信息載體，以基于輸變電工程全壽命周期的數據信息為信息查詢、應用及展示的基礎，進而實現工程的三維虛擬展示和信息一體化應用。

　　1 數字孿生技術簡介

　　數字孿生技術就是通過物理資產的數字孿生模型助力企業作出更明智的決策，從而提升數據的應用水平。具體到電力行業，是通過創建互聯數字孿生模型的電力生態系統，增加創造更大價值的機會，可充分利用電力數據造福公眾，這也是電力泛在物聯網的核心理念。數字孿生技術包括三大要素，即數字表達、持續更新和分析洞察。數字表達指的是對真實資產、流程及系統的數字表達，只有數字表達的資產才是有價值的;持續更新的含義是基于多數據源的實時同步;而分析洞察的含義是可預估性及性能優化。

　　輸變電工程的數字孿生技術應用方向也是圍繞著三大要素來展開的，數字表達重點關注在數字化設計(三維設計);持續更新重點關注在基建和運維階段對設計模型的數據補充和持續更新;分析洞察是基于變電站的數字孿生模型，基于上層的應用工具對模型進行分析，輸出常用的分析報表，輔助業主進行分析和決策。

　　2 數字孿生技術在堅強智能電網的應用方向探討

　　輸變電工程數據作為堅強智能電網的重要數據，具有其獨特的特點。輸電工程數字化的重點是地形數據的獲取;變電工程數字化的重點是三維模型和數據的創建方法及數據共享方式。針對于輸變電工程的數字化應用，國家電網公司出臺了一系列的設計標準，包括《輸變電工程三維設計模型交互規范》《輸變電工程三維設計建模規范第1部分：變電站(換流站)》《輸變電工程三維設計技術導則第1部分：變電站(換流站)》《輸變電工程三維設計軟件基本功能規范》《輸變電工程三維設計成果移交技術導則第1部分：變電站(換流站)》。這些標準的出臺，為輸變電工程數據的創建方法及數據交互提供了依據。而數字孿生技術和軟件工具的發展和提升，也為輸變電工程應用數字孿生技術奠定了堅實的基礎。數字孿生技術應用以數據為核心，輸變電工程數據是以設計為龍頭產生并在施工和運維階段不斷補充和更新。所以說精準的數據是數字孿生技術在輸變電項目中應用的核心和基礎。下文中重點對輸變電工程數據的產生和持續更新進行詳細闡述。

　　2.1 數字孿生技術在設計階段的應用

　　2.1.1 實景建模

　　基于傾斜攝影技術，通過無人機拍攝照片，在實景建模軟件中基于照片快速生成輸變電工程的三維模型。這種方式無須昂貴或專業化的設備，通過對現場照片的自動處理，使用實景建模軟件即可幫助用戶快速創建高準確度的三維工程實景模型，并使用這些模型在項目的整個生命周期內為設計、施工和運營決策提供精確真實的項目現場數據。實景建模技術還可與點云數據結合，以實現更高準確度的輸變電工程設備/設施模型。實景建模技術可應用于已投運變電站及新建變電站項目，具有成本低、效率高的特點，變電站實景模型如圖1所示。

　　2.1.2 參數化設備建模

　　在輸變電工程數字化設計過程中，三維技術以其直觀、簡便和數據豐富的特點得到了廣泛的應用，三維設計是一種設計手段，它使用的目的是為了幫我們更多、更好及更高效地完成設計;是一種強大的設計方式和表達手段。在真實的三維空間中去表達設計，去推敲設計，去交流設計，以三維(二維)的方式去交付設計成果。三維設計的核心就是設備/設施模型，而參數化設備/設施建模技術也是輸變電工程數字化表達的一種通用、簡捷的方法。參數化建模技術就是通過關鍵參數的調整而快速地得到所需的三維信息模型，是目前普遍采用的高效的建模方式。變電設備三維信息模型如圖2所示。

　　2.1.3 設計校驗與數據分析

　　有了輸變電三維信息模型，也就是在計算機上有了一整套具有邏輯關聯關系的數據模型，這個數據模型就是輸變電工程設計階段的數字孿生模型。基于該模型就可以實現自動化校驗應用，包括安全距離校驗、防雷保護范圍校驗和多專業協同設計沖突檢測等，通過先進的校驗手段，可大幅度地提高設計水平，優化設計。

　　2.2 數字孿生技術在施工階段的應用

　　數字孿生技術使設計成果的充分利用變為可能，因為設計成果是完全使用數字來表達的，而且是可以進行解析的。輸變電工程的設計成果是三維設計模型，三維設計模型中包含邏輯關聯、可視化的設計數據，基于該數據可以建立輸變電工程的數字孿生模型，基于該模型提前對施工可能遇到的問題進行預演，提前發現并解決問題，優化施工工序和進度安排，使輸變電工程得以按進度保質保量的完成，主要的價值點如下。

　　2.2.1 現場的高效率

　　數字孿生模型能夠更加清晰、直觀和準確地表現工程建成過程中及建成后的狀態。能幫助工程技術人員和管理人員更快地了解工程細節，而不必花很多時間去讀懂二維圖，數字孿生打破了傳統模式下的瓶頸，簡化了施工方人員對于設計意圖的理解和掌握的過程。

　　2.2.2 減少返工

　　數字孿生模型更明確地表明了各個專業之間的交接面和數據關系，因而大量減少了因專業配合不當而引起的碰撞和錯位問題帶來的返工。國外統計資料表明，不采用三維數字化設計的工程，返工率可占工程總人工時的12%，而采用三維數字化設計模式，返工工時可減少到2%。

　　2.2.3 提高配合效率

　　基于數字孿生模型，4D施工管理軟件可為參與工程建設的多個單位(業主、監理、設計院、設備制造商和分包商)提供一個多方高效率合作的協作平臺。基于該平臺，各參與方可以高效、及時地獲得項目施工的實時數據，進而對施工管理計劃作出最合適的調整。

　　2.3 數字孿生技術在運維階段的應用

　　運檢部門接收了輸變電工程項目的同時，也同步接收了輸變電工程數字孿生模型，因為數字孿生模型是使用數字表達的，并且在設計和施工階段不斷進行更新和維護數據模型，所以運檢部門可以直接使用數字孿生模型來完成運維工作的安排，即可大幅度提升運檢效率，又可節省大量重復性工作。

　　2.3.1 智能巡檢

　　現階段電網運檢人員每天都面對著大量煩瑣的工作，在進行巡視的同時還要進行資料對比、故障處理和現場勘察等工作，面對著大量要巡檢的線路和變電站設備，很難按照導則的要求進行細致的巡檢，從而導致隱患缺陷無法及時發現，造成更大的損失。

　　而基于數字孿生技術實現的智能巡檢，正是為了解決這一問題而興起的先進技術，基于輸變電工程數字孿生模型，借助智能終端及現場勘察設備，快速獲取現場的數據/照片/視頻，經過軟件處理構建現場的實景模型，與輸變電數字孿生模型對比分析，可快速及時地發現安全隱患，從而有效地提升巡檢工作的質量和效率。

　　(1)設備/設施故障隱患的提前發現及故障范圍確定

　　輸變電數字孿生模型中由靜態的設計/施工數據和動態的現場實時運行數據組成，包括設計參數、廠商數據、施工數據、實驗數據、現場運行數據及所有的相關圖樣。依據輸變電工程的運維特點，可以基于數字孿生模型設定智能監控策略，重點監控易發生故障的設備/設施，當設備/設施的監控參數發生異常或接近報警閾值時，系統就會報警并自動定位到故障區域，運維人員可以依據提示快速地到指定區域進行驗證，以及時地發現故障并及時排除，進而將損失降到最低。

　　(2)項目現場的智能巡檢

　　傳統的巡檢方式主要依靠人力來完成，不僅費時費力，而且效率低下，很難及時發現問題。隨著實景建模技術(數字孿生體系的一種快速建模技術)的普及，低成本、高準確度的現場模型獲取變成可能，通過無人機快速獲取現場的照片，將這些照片導入運維管理平臺，就可以快速地生成現場的實景模型。通過現場實景模型與數字孿生模型進行對比，就可以快速發現問題和故障，這種方式可大幅度地提升巡檢效率和質量，例如可通過模型對比發現變電站設備外部斷裂、輸電線路上有樹木影響電氣安全等問題。而近年來人工智能與實景建模技術相結合，更為運維故障的智能判定提供了新的方向。

　　運維平臺同樣支持專業的輕量化技術，進而推進移動終端的普及應用。巡檢人員攜帶智能終端進行巡檢，故障驗證及排除時可從移動終端中快速地檢索需要的數據及故障處理方案，進而提升故障處理能力，降低損失，避免因處置不當帶來更大損失的弊端。

　　實景建模技術、人工智能技術及移動終端技術的結合，將會給智能巡檢提供全新的應用模式。

　　2.3.2 可視化運維

　　近年來，在輸變電工程數字孿生模型的基礎上，通過對三維模型監測數據展示系統的研究，探索如何在運維階段利用輸變電工程數字孿生模型的方法。可視化運維是集成輸變電工程三維設計模型和現場運行數據，展示并監控關鍵設備的運行狀態、運行數據及數據發展趨勢，在虛擬現實的環境中，集中展示變電站的空間位置信息、設備主要設計參數(靜態功能位置信息)、相關設計資料、巡視維修記錄、設備運行狀態信息、關鍵設備動態運行數據及現場視頻監視畫面。這種方式可以提高變電站運行維護的管理水平和效率，更好地預防事故發生，制訂優化的設備檢修計劃及事故應急預案。

　　(1)現場運行數據的接入

　　通過運維平臺與監控系統、現場視頻監控系統的數據接口可將現場設備的實時運行參數接入到運維平臺中，并可依據設備編碼自動與設備模型進行集成。通過數據對接，可以構建運維階段的數字孿生模型。

　　(2)可視化瀏覽及數據查詢

　　以數字孿生模型為基礎，在三維可視化的環境中實現動態監測設備運行狀態，查看各類運行參數，同時還可集成現場的攝像頭對項目現場的工作狀態進行實時監測，做到變電站遠程實景監控。

　　(3)提升運維能力

　　數字孿生模型提供了三維模擬功能，運維人員可以在數字孿生模型中進行送停電、倒閘等操作聯系，通過這種虛擬環境下的多次練習，使運維人員熟悉日常運維工作的操作順序，較大幅度地提升運維人員能力。而基于現場設備的實時運行數據及運維規則，可以輔助運維人員對各種緊急情況進行判定，并可結合預設的應急預案，在最短時間內對事故和故障作出正確的處理，以減少災害和損失。

　　2.3.3 數字資產管理

　　隨著社會的發展和從業人員的流動，對于重資產的企業來說，怎么樣對自己的資產知根知底尤其重要;而對于一線管理人員來說，如何實現“精準派單”則更為實用。降低理解門檻、提升管理效率是資產管理的兩個核心要求。在數字化的基礎上，通過可視化手段進行資產管理，能夠較好地解決上述兩個問題，為資產管理提質增效。

　　基于數字孿生模型，可以快速構建數字資產管理系統，可從圖形角度查看和使用帶空間定位的資產及相關信息。可以通過查看不同類型的線性資產和信息，提高決策能力。可以根據空間坐標、沿線性網絡的位置或與其他資產的接近程度來定位資產。通過這種基于網絡的方法，可以在整個網絡中執行復雜的線性分析。

　　數字資產管理系統可通過互聯數據環境訪問資產的所有數字信息，以直觀的三維沉浸式方式安全地訪問項目和資產數字化組件信息，獲得資產的情境關聯信息。沉浸式數字化運營支持用戶在情境中以數字方式準確地查看資產，從而改進決策并最大限度地提高資產性能。

　　3 結束語

　　數字孿生技術是一種先進的技術體系，是三維BIM技術、實景建模技術、三維激光建模技術、三維仿真和4D施工管理技術等的綜合應用，在輸變電工程建設過程中全面推進數字孿生技術應用，可有效提高輸變電工程設計、建造和運維的質量和效率。基于數字孿生模型，可逐步推廣到基建及技改項目定量評估、選址選線、資源復用和設計方案合理性評估等業務范圍，可輸出全項目的數據分析報表，大幅提升電網規劃的質量和準確性，高效、精確地指導項目規劃與投資控制;可深化參數化三維建模、碰撞檢測、設備選型和工程量自動統計等方面應用，實現基于電網資源大數據的電網工程智能化、精細化三維評審;可建立與電網全業務數據中心接口，實現全數據、高準確度的數字化移交等。

　　《數字孿生技術在堅強智能電網中的應用探討》來源：《電氣應用》，作者：王志鵬;蘭峰;趙勇;邱軒宇;趙志鵬