基于空间结构关系的电力设备三维数字孪生模型管理体系设计

　　文/王刚 中国长江电力股份有限公司

　　摘要：本文介绍一种基于空间结构关系的电力设备三维数字孪生模型管理体系的设计，该管理体系为电力企业提供了全面性和整体性的管理方法。其核心在于对电力设备的空间结构及设备结构进行划分，包括空间、设备、子系统以及它们之间的布局和相互关系。这种划分有助于更好地管理三维数字孪生模型，为实体对象的定位、监测、运维仿真和预测分析等不同应用场景提供数据支持。此外，管理体系还包括定期的数据维护和更新，以确保模型与实体对象状态的一致性，提高实体对象管理的效率和可靠性。

　　关键词：空间结构；设备结构；三维数字孪生模型

　　引言

　　电力行业正处于数字化转型的前沿，电力企业需要更好地理解和管理其设备，以提高效率、降低运营风险，并确保设备的可靠性和安全性，而数字孪生技术为电力设备管理带来了前所未有的机遇[1]。本文介绍了一种基于空间结构关系的电力设备三维数字孪生模型管理体系的设计，该管理体系为电力企业提供了全面性和整体性的电力设备管理方法[2]。

　　1. 基于空间结构关系的电力设备三维数字孪生模型理论

　　1.1 电力设备三维数字孪生模型

　　电力设备三维数字孪生模型是一种高度精确的模型，旨在准确反映现实世界中的电力设备和系统的物理特性、操作行为和性能。这些数字孪生模型是实际电力设备的虚拟实体，在电力行业的不同领域广泛应用。电力设备的三维数字孪生模型在电力行业的数字化转型中发挥着重要作用，提供了更好的决策支持、更高的效率和更可靠的电力设备管理。这些模型将不断演进，以满足不断变化的电力行业需求。

　　1.2 基于电力设备的空间结构关系理论

　　空间结构关系是指在物理三维空间中不同元素之间的相对位置和连接方式。在电力设备管理中，空间结构关系包括建筑物、设备、子系统，以及它们之间的布局和相容关系。这些关系对于理解和管理电力设备、建筑物以及它们的运行至关重要。以下是基于电力设备的空间结构关系的一些主要概念。

　　（1）物理布局：物理三维空间中的建筑物、设备和其他元素的相对位置和布局，包括建筑物内部的布局以及建筑物之间的相对位置。

　　（2）连接关系：不同元素之间的连接方式，包括物理连接以及功能上的连接，如传感器与监控设备之间的数据连接。

　　（3）功能关系：不同元素之间的功能关系，如电力设备的元素与电力系统中的任务和功能之间的关系。

　　（4）占用范围：每个元素在三维空间中的位置和范围，包括建筑物的占用范围、设备的位置以及它们在空间中的相对大小。

　　（5）空间层次结构：在三维空间中元素之间的层次结构，即元素之间的从属关系和互相关系。

　　2. 电力设备的三维数字孪生模型管理体系设计

　　2.1 结构划分

　　2.1.1 三维空间划分

　　此过程旨在将电力设备的三维空间划分为多个离散的子空间，以便更好地理解和管理设备的布局和结构[3]。划分过程可表示为

　　其中，S代表电力设备的整个三维空间，是划分后的子空间，每个子空间都代表一个特定的区域或建筑物。

　　2.1.2 主要建筑物的功能、关联关系和占用范围定义

　　在每个子空间内，定义主要建筑物的功能、关联关系和占用范围，以确定它们在电力设备的三维数字孪生模型中的位置和作用。此过程可表示为：

　　（1）功能定义

　　其中，Fi代表第i个建筑物的功能集合，fij代表具体的功能描述。

　　（2）关联关系定义

　　其中，Ri代表第i个建筑物与其他建筑物的关联关系集合，rij描述与第i个建筑物相关的其他建筑物。

　　（3）占用范围定义

　　其中，Ai代表第i个建筑物的占用范围，aij描述建筑物在三维空间中的位置和范围。

　　2.1.3 结构化分解

　　通过将每个子空间内的主要建筑物的功能、关联关系和占用范围进行结构化分解，形成清晰的层级框架，以表示建筑物之间的关系和层次[4]。此过程可表示为

　　其中，Hi代表第i个空间结构或设备结构的层次结构，hij表示空间或设备。空间结构划分如图1所示。

　　为更加细致地表示每个建筑物内的设备层级结构，本文引入了设备结构（KKS）编写。设备结构（KKS）是一种用于唯一标识和分类水力电站设备的编码系统，通常由一系列字母和数字组成，反映了设备的层级关系和功能。本文以水轮发电机为研究对象，使用设备结构（KKS）编写。设备结构划分如图2所示。

　　2.2 数据管理

　　2.2.1 建立数据管理系统

　　为支持电力设备的三维数字孪生模型建设和管理，建立一个数据管理系统，用D表示，其中，D包含了多个数据表，每个表存储特定类型的信息[5]。可表示为

　　其中，Ti表示第i个数据表，每个表包含多个字段和记录。

　　2.2.2 存储电力设备的三维数字孪生模型

　　电力设备的三维数字孪生模型用M表示，存储在数据库中的一个特定表中，可表示为

　　表示M模型存储在数据表Ti中。

　　2.2.3 存储与空间结构相关的信息

　　与电力设备的空间结构相关的信息用变量S表示，同样存储在数据存储区中

　　表示S信息存储在数据表Ti中。

　　2.2.4 数据的准确性和完整性

　　为确保数据的准确性和完整性，数据验证过程必不可少。验证过程如下：

　　（1）对于模型M

　　（2）对于信息S

　　其中,V(M)表示模型M的验证结果，表示每个数据点的差值的绝对值，n表示数据点的总数，V(S)表示信息S的验证结果，表示每个数据点的差值的绝对值，n表示数据点的总数。

　　3. 电力设备三维数字孪生模型管理体系的应用场景和维护更新

　　3.1 应用场景

　　在电力设备的三维数字孪生模型管理体系设计中，不同的应用场景具有不同的数据特点和应用目标。以下是关于各个应用场景的详细描述。

　　3.1.1 设备定位应用场景

　　数据特点：主要涉及设备的位置和坐标数据。

　　应用目标：提高设备定位的准确性。

　　效益公式

　　其中，B1oc表示设备定位应用场景的效益，Bmon是设备的实际位置误差，a是一个正常数，用于调整效益的曲线。

　　3.1.2 监测应用场景

　　数据特点：包括传感器数据、测量数据等。

　　应用目标：提高监测数据的准确性和时效性。

　　效益公式

　　其中，Bmon表示监测应用场景的效益，Emon是监测数据的实际误差，t是时间间隔，β是一个正常数，用于调整效益的曲线。

　　3.1.3 运维仿真应用场景

　　数据特点：包括模型参数、运行数据等。

　　应用目标：提高仿真数据的逼真度和准确性。

　　效益公式

　　其中，Bsim表示运维仿真应用场景的效益，Esim是仿真数据的实际误差，γ是一个正常数，用于调整效益的曲线。

　　3.2 维护和更新

　　管理体系会定期进行模型的维护和更新，以反映实际设备的变化。定期审核和维护是确保三维数字孪生模型的准确性和可靠性的关键，保证了管理体系的持续有效性。

　　3.2.1 维护过程

　　Step1数据收集：在特定时间点t，收集新数据Dnew，其中，Dnew包括电力设备的位置、状态、参数等信息。设表示第i个数据点，数据收集可表示为

　　Step2数据验证：使用验证函数V对新数据进行验证

　　得到每个数据点的验证结果

　　验证函数V对采集的数据进行验证，返回一个二元值，其中1表示数据有效，0表示数据无效。

　　Step3数据筛选：根据验证结果，筛选出有效的数据点，构成有效数据集Dvalid。有效数据集中的数据点满足。数据筛选可表示为

　　Step4模型更新：如果有效数据点与现有模型M不一致，使用更新函数U来更新模型，得到更新后的模型Mupdated。模型更新可表示为：

　　维护过程通过数据的采集、验证、筛选和模型的更新，确保三维数字孪生模型的持续准确性和可靠性。

　　3.2.2 更新过程

　　Step1数据对齐：将经过筛选的数据Dvalid与当前模型M进行对齐，以确保数据与模型的坐标系和结构一致。数据对齐可表示为

　　其中，表示对齐后的数据点，A为对齐函数。

　　Step2数据融合：将对齐后的数据与模型进行融合，更新模型的状态、参数等信息。

　　数据融合可表示为

　　其中，Mmerged表示融合后的模型，F为融合函数。

　　Step3模型优化：对融合后的模型进行优化，以提高其准确性和性能。

　　模型优化可表示为

　　其中，Moptimized表示优化后的模型，O为优化函数。

　　Step4模型更新：更新优化后的模型。模型更新可表示为

　　更新过程通过数据的对齐、融合和优化，确保三维数字孪生模型与实际电力设备状态的一致性，从而提高电力设备管理的效率和可靠性，同时为实际设备的变化提供及时的反映。

　　结语

　　本文提出的基于空间结构关系的电力设备三维数字孪生模型管理体系设计为电力企业提供了全面性和整体性的管理框架，有助于提高电力设备管理的效率、可靠性和安全性。通过有效的应用场景和定期的数据维护与更新，这一管理体系将推动电力行业的数字化转型，满足未来的能源需求。

　　参考文献：

　　[1]陈远东,孟辉,张海龙,等.基于数字孪生的多能源送端系统能量耦合协同优化控制[J].可再生能源,2023,41(10):1376-1382.

　　[2]于淼,陈颖,丁康,等.基于CART决策树模型的北京市春季气传花粉浓度与植被空间结构关系研究[J].北京林业大学学报,2023,45(1):121-131.

　　[3]董岩,谭捍东,付兴.基于位移逆Krylov子空间的全波形航空瞬变电磁法三维数值模拟和响应特征[J].现代地质,2023,37(1):74-83.

　　[4]张然然,陈静安,杨彩如.结构化教学视域下数学师范生教学能力的培养[J].广东第二师范学院学报,2023,43(5):40-53.

　　[5]郭旺,杜江,雷婕.工程数据表的数据协同数字化资源建设方法研究[J].机电工程技术,2023,52(1):48-52.

　　作者简介：王刚，本科，工程师，研究方向：信息化。