数字孪生在煤矿电网中的应用研究_赵建文.pdf
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1、数字孪生在煤矿电网中的应用研究赵建文,孟旭辉(西安科技大学电气与控制工程学院,陕西西安710054)摘要:立足于数字孪生的基本概念和内涵,分析了数字孪生技术在煤矿电网中的应用优势:以同步实体运行状态、数字化模拟运行2种手段来辅助煤矿电网的运行管理,具有数据驱动、实时更新、同步反馈的特点。提出了由煤矿电网物理实体层、煤矿电网数字孪生模型层、用户管理服务层、数据交流层组成的煤矿电网数字孪生体系基本架构,从物理实体、数字孪生模型 2 个方面探索了煤矿电网数字孪生体系运行模式。介绍了建立煤矿电网数字孪生体系的关键技术:煤矿电网数字孪生模型构建、智能数据采集、基于 5G 的智能通信、数字孪生智能数据库、
2、数字孪生设备智能管理平台。给出了数字孪生技术在煤矿电网中的具体应用场景,包括煤矿井下电气设备状态评估、煤矿电网故障定位和保护、煤矿电网智能监控、煤矿井下线路智能巡检。将数字孪生技术应用在煤矿电网中,对煤矿电网的状态和运行进行动态仿真建模,一方面可以满足当今规模庞大的煤矿电网相对地面电网更高的运行要求,保障煤矿生产安全性,另一方面可推进煤矿电网的智能化进程,实现数据资源高效合理利用。关键词:煤矿电网;数字孪生;数字孪生模型;物理实体;5G中图分类号:TD67文献标志码:AResearchontheapplicationofdigitaltwinincoalminepowergridZHAOJia
3、nwen,MENGXuhui(SchoolofElectricalandControlEngineering,XianUniversityofScienceandTechnology,Xian710054,China)Abstract:Basedonthebasicconceptsandconnotationsofdigitaltwin,thispaperanalyzestheapplicationadvantagesofdigitaltwintechnologyincoalminepowergrid.Theoperationmanagementofthecoalminepowergrid i
4、s assisted by two means of synchronous entity operation status and digital simulation operation.Thetechnology has the characteristics of data-driven,real-time update and synchronous feedback.The basicframeworkofthedigitaltwinsystemofthecoalminepowergridisproposed.Theframeworkiscomposedofphysicalenti
5、tylayer,digitaltwinmodellayer,userservicemanagementlayeranddataexchangelayer.Theoperationmodeofthedigitaltwinsystemofthecoalminepowergridisexploredfromtwoaspectsofthephysicalentityandthedigitaltwinmodel.Thispaperintroducesthekeytechnologiesforestablishingthedigitaltwinsystemofthecoalminepowergrid.Th
6、etechnologiesincludedigitaltwinmodelconstructionofcoalminepowergrid,intelligentdataacquisition,intelligentcommunicationbasedon5G,digitaltwinintelligentdatabase,anddigitaltwinequipmentintelligentmanagementplatform.Theapplicationscenariosofdigitaltwintechnologyinthecoalminepowergridareproposed.Thescen
7、ariosincludetheconditionevaluationofundergroundelectricalequipment,faultlocationandprotectionofthecoalminepowergrid,intelligentmonitoringofthecoalminepowergridandintelligentinspectionofundergroundlines.Thedigitaltwintechnologyisappliedtothecoalminepowergridtocarryoutdynamicsimulationmodelingonthesta
8、teandoperationofthecoalminepowergrid.Ontheonehand,thehigheroperationrequirementofthecurrentlarge-scalecoalminepowergridrelativetothe收稿日期:2022-04-08;修回日期:2023-02-10;责任编辑:盛男。基金项目:陕西省自然科学基础研究计划项目(2023-JC-YB-308);西安市科技计划项目(GXYD13.10)。作者简介:赵建文(1973),男,陕西西安人,教授,博士,研究方向为电力网安全运行与保护,E-mail:。通信作者:孟旭辉(1998),男,
9、安徽蚌埠人,硕士研究生,研究方向为配电网的继电保护,E-mail:。引用格式:赵建文,孟旭辉.数字孪生在煤矿电网中的应用研究J.工矿自动化,2023,49(2):38-46.ZHAO Jianwen,MENG Xuhui.Research on the application of digital twin in coal mine power gridJ.Journal of MineAutomation,2023,49(2):38-46.第49卷第2期工矿自动化Vol.49No.22023年2月JournalofMineAutomationFeb.2023文章编号:1671251X(202
10、3)02003809DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2022040019groundpowergridcanbemet.Thesafetyofcoalmineproductioncanbeguaranteed.Ontheotherhand,theintelligentprocessofthecoalminepowergridcanbepromoted.Theefficientandreasonableutilizationofdataresourcescanberealized.Key words:coalminepowergrid;digitaltwin;digi
11、taltwinmodel;physicalentity;5G 0引言由于煤矿井下环境潮湿、空间狭窄,同时存在瓦斯、煤尘爆炸等危险,煤矿电网智能化推进进程相比地面电网较慢。因此,需要借助全球数字化、信息化浪潮,大力推进煤矿电网的智能化进程。随着大数据时代的来临,在当今传感技术、软硬件技术水平大大提高,计算机运算性能提升的背景下,数字孪生技术得到了充分发展,并应用在诸多领域中。文献1系统性地探索了数字孪生技术在电力领域的应用,分析了数字孪生模型与传统仿真模型的区别,阐述了数字孪生模型在电力系统中应用的前景。文献2针对风电行星齿轮系统需要智能化无人管理的特点,提出了基于数字孪生的系统设计思路,在 S
12、olidWorks 中建立了与研究对象实物高度吻合的三维模型。文献3设计了基于数字孪生的泛在电力物联网模型架构,并对模型运行机制进行了研究,实现了泛在电力物联网系统的故障诊断、预测和健康管理。文献4将数字孪生技术引入电气制造领域,对某变电站在役220kV 气体绝缘金属封闭开关进行数字孪生建模,推进了设备运行维护和数字孪生技术的融合。文献5提出了煤矿数字孪生的设想,依据实际的煤矿井下综采系统设计了煤矿智能综采数字孪生系统,并且融合信息、工业和人工智能技术,建立了智慧矿山体系架构和智慧矿山平台,为数字孪生技术在煤矿领域的应用提供了思路和借鉴。数字孪生技术已成为制造业和工业研究的焦点,将数字孪生技术
13、引入煤矿电网,建立煤矿电网数字孪生体系,既可以推进煤矿智能化进程,建立智能+绿色一体化的健全系统,又对保证整个系统的安全稳定,实现数据资源的高效利用具有重要意义。本文基于数字孪生技术的概念和内涵,提出了煤矿电网数字孪生体系的架构,探索了煤矿电网数字孪生体系的运行模式,介绍了数字孪生技术在煤矿电网中应用所需的关键技术,并给出了具体的应用场景,旨在为数字孪生在煤矿电网中的应用提供思路。1数字孪生概述1.1数字孪生概念和内涵数字孪生是在信息世界中建立一个与物理世界中实物相对应的可视化模型的技术,并且该模型可通过传感器实时更新其物理状态的信息。本文从电力系统的角度出发,认为数字孪生的内涵是利用数据对物
14、理对象的状态和运行进行动态仿真建模的方法。构建完成的数字孪生模型可以与现实世界中的物理实物相对应,模拟真实物体在干扰和环境影响下的内部过程、技术特性和行为。将数字孪生技术应用在煤矿电网中,建立可以更加精准地对煤矿电网物理实体全生命周期的状态、过程及变化进行建模、仿真、分析和预测的数字孪生模型,实现对煤矿电网11的映射和复制。1.2数字孪生在煤矿电网应用的优势煤矿电网数字孪生模型以同步实体运行状态、数字化模拟运行2种手段来辅助煤矿电网的运行管理,区别于现行模型仿真,具有数据驱动、实时更新、同步反馈的特点。围绕数字孪生模型建立煤矿电网数字孪生体系,能最大程度发挥数据量多的优势,使得对实体煤矿电网的
15、运行模拟更加精确。此外,煤矿电网数字孪生体系可以融合工程领域的其他数字技术,例如建筑信息模型(BuildingInformationModeling,BIM)和实体场景云数据等,以其作为基础技术支撑的数字孪生在煤矿电网中具有很高的应用潜力6。2煤矿电网数字孪生体系2.1基本架构针对煤矿电网物理结构及物理实体特征等参数,建立煤矿电网的数字空间模型,进而实现煤矿电网实体空间和虚拟数字空间之间的实时交互映射和同步反馈,并通过测量数字孪生模型从物理实体采集的设备设计、运行等参数,进行数据预处理和数据标志等数据融合分析操作,使得用户通过人机接口远程或虚拟操作设备,实现煤矿电网智能化。煤矿电网数字孪生体系
16、由煤矿电网物理实体层、煤矿电网数字孪生模型层、用户管理服务层、数据交流层组成,如图 1 所示。1)煤矿电网物理实体层。煤矿电网物理实体是构建煤矿电网数字孪生体系的基础,其包括煤矿电网的所有要素,为煤矿电网数字孪生体系其余层级提供煤矿电网系统原始的数据资源。由于煤矿井下狭长空间和放射式结构等特点,数据传输难度相较2023年第2期赵建文等:数字孪生在煤矿电网中的应用研究39地 面 较 大,通 过 基 于 微 机 电 系 统(Micro-Electro-MechanicalSystem,MEMS)、LoRa7-8等技术的集成度高、抗干扰性强和功耗低的传感器和多主模式的数据采集形式建立针对煤矿电网的数
17、据采集技术。2)煤矿电网数字孪生模型层。煤矿电网物理实体中每一个元素都会经过映射来到虚拟端,并经过数据整合演算构建成为一个对应的数字孪生模型。煤矿电网数字孪生模型是煤矿电网数字孪生体系的核心,由 PSCAD/EMTDC 和 Matlab/Simulink 等高精度 电 路 仿 真 建 模 技 术 配 合 三 维 地 理 信 息 系 统(GeographyInformationSystem,GIS)、全景等可视化技术建立,并且由煤矿电网的数据驱动实现煤矿电网设备智能健康评估、线路智能巡检、故障智能诊断等功能。因此,需要集成机器学习、深度学习、神经网络和高维统计分析等智能算法。同时针对煤矿电网多段
18、电缆供电、低压大电流和较短的传输距离等特点,进行故障诊断和健康评估时需要综合考虑煤矿电网的多方面因素对技术进行改进,以建立煤矿电网数字孪生模型层。3)用户管理服务层。该层是煤矿电网数字孪生体系的“方向盘”,包括用户、人机接口、应用软件及孪生共智技术,其中孪生共智技术是涉及数字孪生模型等资源的接口、互操作、在线插拔和安全访问的技术。由于煤矿电网具有井下和井上及移动等多个不同等级的变电站,需要通过虚拟现实(VirtualReality,VR)、高级过程控制(AdvancedProcessControl,APC)、城市信息模型(CityInformationModel,CIM)等技术开发多个变电站一
19、体化控制的应用平台及其对应软件9-10,实现数字孪生模型的可视化智能监控,以及用户对数字孪生模型的远程模拟操作和智能监管调度功能。4)数据交流层。该层是煤矿电网数字孪生体系的“桥梁与纽带”,具有同步交互和闭环反馈的特点,负责对物理实体层、数字孪生模型层及用户管理服务层之间的数据流和信息流进行整合演算。将物理实体、数字孪生模型、用户三者连接成一个整体,形成物理空间和数字空间的闭环通路,并集成了数据和信息高效有序采集、传输和通信的技术,提供信息交换、数据保证、安全保障等支持。随着目前 5G、窄带物联网(NarrowBand-InternetofThings,NB-IoT)及 LTE-Cat1 等通
20、信技术的高速发展,煤矿电网的人机接口可以通过 5G 网关实现数据高效率、高稳定性传输11-12;之后通过 NB-IoT 或 LTE-Cat1 等通信技术,使物理实体和数字孪生模型达到实时交互、同步反馈及互操作的程度,实现二者之间的孪生共智。2.2运行模式针对煤矿井下场景构建的煤矿电网数字孪生体系,将数字煤矿电网与物理煤矿电网 2 个主体通过1:1建模、物联感知、信息物理系统(Cyber-PhysicalSystems,CPS)和泛在网络实现系统运维和用户操作的“由实入虚”;再通过多学科、多尺度的仿真过程、科学决策和智能控制“由虚入实”,在数字空间进行仿真与控制,在物理空间进行实践。煤矿电网数字
21、孪生模型与现实物理实体相辅相成,互相优化,实现煤矿电网电气设备健康管理、故障诊断和井下全域感知与巡检等各项业务数字化运营,形成煤矿电网智能化运行模式,如图 2 所示。全域数字化标志实时传输实体数据用户人机接口应用软件远程控制运行演算智能决策自主迭代物理实体通信5G技术数字孪生体孪生体模拟实体仿真功能模块实体数据运行预测与实体比对进行故障诊断模拟仿真智能馈电柜智能传感器加工储存更新拓展维护数据处理模块实现功能BIM三维 GISCPSCIM 孪生平台数据驱动层云计算大数据物联网智慧互联边缘计算数据处理智能算法图2煤矿电网数字孪生体系的运行模式Fig.2Operationmodeofdigitalt
22、winsystemofcoalminepowergrid2.2.1物理实体运行模式为实现煤矿电网数字孪生模型层与煤矿电网物理实体层的信息精准匹配、控制,以及煤矿电网数字煤矿电网物理实体层数据交流层用户云计算大数据物联网边缘计算神经网络技术机器学习技术高维统计分析煤矿电网数字孪生模型层闭环通路数据驱动实时互联用户管理服务层应用软件人机接口VR三维 GISAPC深度学习技术Massive MIMO5G区块链图1煤矿电网数字孪生体系基本架构Fig.1Basicarchitectureofdigitaltwinsystemofcoalminepowergrid40工矿自动化第49卷孪生体系服务的正常运
23、行,需要对物理实体全域的数据进行采集。在煤矿井下安装集成度高、抗干扰性强和功耗低的传感器,同时采用主从式数据采集模式,实现煤矿电网数字孪生体系的数据采集13-14。通过 5G技术的低时延、大带宽,区块链技术的去中心化和 MassiveMIMO技术具有更小体积的天线尺寸等适应煤矿井下特殊环境的技术,建立煤矿电网数字孪生智能数据库14-15,完成对数据的加工、储存、更新、拓展和维护,进而为煤矿电网数字孪生模型的智能控制和科学决策提供精准的数据。2.2.2数字孪生模型运行模式在数字空间,煤矿电网由数据资源管理系统、数字孪生模型和智能控制平台组成。数据资源管理系统通过建立数据采集和处理系统对物理实体数
24、字化标志的数据进行采集、统一管理和使用。通过加载数据资源管理系统中采集的物理实体数据,利用电网信息模型(GridInformationModel,GIM)等技术构建煤矿电网在虚拟数字领域对应的数字孪生模型,实现煤矿电网的虚实对应、实时映射、同步反馈。构建数字孪生模型后,需要建立智能控制平台来完成煤矿电网数字孪生模型的智能控制和科学决策。通过 BIM、三维 GIS、大数据、云计算、物联网等智能化技术,将煤矿电网各个设备经过融合演算,同步形成数字煤矿电网的智能控制平台16,实现煤矿电网从规划、建设到管理的全过程、全要素、全方位的数字化、在线化和智能化。3煤矿电网数字孪生体系关键技术3.1煤矿电网数
25、字孪生模型构建建立全息感知、多源融合、同步反馈和信息交互的煤矿电网数字孪生模型是构建煤矿电网数字孪生体系的核心。随着互联网、大数据技术的高速发展,现代煤矿电网可以采集到的数据量爆炸性增长,以往通过物理模型进行建模仿真的传统建模方法仅仅能够通过输入设置的参数来仿真验证煤矿电网的运行情况和电网信息等,无法与采集到的设备和线路的海量数据进行匹配。煤矿电网数字孪生模型构建技术采取双驱动模型融合的方式,即物理模型驱动和数据模型驱动建模相结合。通过煤矿电网物理实体的电网结构建立精确的数字孪生模型,实现与物理实体实时信息交互,通过数据平台反映煤矿电网的运行状态。为了满足煤矿电网数字孪生模型中信息交互的实时性
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