一种电力设施数字孪生运行监测系统的制作方法

1.本发明涉及一种电力设施运行监测系统，尤其是涉及一种电力设施数字孪生运行监测系统。


背景技术：

2.数字孪生(digital twin)技术指的是一种对物理实体、过程和系统进行数字化建模、领域建模形成数字模型，并使两者形成双向联动的技术。数字模型通过多重手段获取并分析物理模型的实时信息，能够呈现物理模型中的多种要素及整个生命周期中的实时动态运行情况，从而实现系统运行监测、过程和系统优化、事件预测及模拟仿真等功能。
3.目前电力设施采用数据采集和监控系统来实现电力设施运行监测管理，常见的包括qms系统、智能监管系统等，但存在以下三方面缺陷：(1)信息可视化方面。传统运行监测系统中，不同设施、不同地点的信息和状态通常使用纯二维拓扑图进行信息展示，难以与场景的实际物理特征相对应。因此在这种系统中，数据呈现和故障反馈都不够直观，难以直观反映出基础设施或设备的实际运行状态。
4.(2)信息共享化方面。传统运行监测系统中，不同领域、不同来源的信息皆为异构形式，如传感器数据、视频监控影像数据、设备运行状态等，通常是分别显示和存储，信息之间缺乏与实际模型的紧密联系，这样的信息管理模式会对维护工作造成诸多不便。
5.(3)数据分析方面。对于大多数基础设施和设备，运行监测数据的积累具有很大价值。而在传统的运行监测系统中，由于对信息的整合程度不够，数据间的内在联系难以被深入挖掘，从而降低了运维效率。


技术实现要素：

6.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种电力设施数字孪生运行监测系统。
7.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种电力设施数字孪生运行监测系统，包括既有数据采集和监控系统，电力设施运行监测系统还包括：传感器采集网络：包括多个传感器组，所述的传感器组设置在电力设施中待监测的电力设施中的设备或线路上；网络摄像头监控单元：包括分布在变电站室内、室外、输电线路沿线上的多个网络摄像头；数据总线：用于数据汇集、分析、存储和指令数据下发，所述的数据总线分别连接既有数据采集和监控系统、传感器采集网络以及网络摄像头监控单元；数字孪生体：对电网设施范围内的各基础设施、设备、线路等业务对象以对象建模和领域建模方式映射构建形成，所述的数字孪生体包含数据结构、元数据以及功能元素或关键变量等元素，纳入业务对象的cad模型、功能模型、有限元仿真模型等，通过连接所述的
数据总线匹配接入实时数据、历史数据和计算结果，从而具备对业务对象的静态信息、实时状态、分组分类、历史状态、表现描述、未来演变、附属资料、操作互动等方面的完整描述，实现与业务对象实体一一对应。同样通过连接所述的数据总线下发指令数据，实现与业务对象实体的双向联动。
8.数字孪生可视化子系统：构建与电力设施的实际物理特征具有一致性的二维或三维数字模型组，该模型组与数字孪生体进行数据交换并展示电力设施实际运行状态。
9.传感器采集网络中的传感器组均配置有线和无线通信模块，进而形成传感器网络，传感器网络的汇聚节点通过有线及无线网络通信连接至所述的数据总线。
10.所述的传感器组表示多种传感器的不同组合，如温度传感器、湿度传感器、烟雾传感器、特殊气体传感器、水位传感器等之间两种或多种的组合。
11.所述的数据总线和既有数据采集和监控子系统之间设有：数据适配器：对既有数据采集和监控子系统的二进制数据流进行获取、在线解析并转换匹配得到解析适配数据，对解析适配数据进行过滤筛选出系统需要的数据并发送至所述的数据总线；数据分析器：按需从所述的数据总线抽取数据进行分析，使用包括常规算法计算、大数据计算、机器学习计算、有限元仿真计算等内置计算单元或外接计算服务，得出计算结果并重新发送到所述的数据总线，所述的数据总线负责存取及供所述的数字孪生体调用。
12.所述的既有数据采集和监控子系统、传感器采集网络以及网络摄像头监控单元通过多种传输协议与所述的数据总线进行通讯连接。
13.所述的数字孪生体与数据总线连接，所述的数字孪生体调用数据总线的数据或下发指令。
14.所述的数字孪生可视化子系统包括：可视化模型构建展示模块：该模块构建与电力设施的实际物理特征具有一致性的二维或三维数字模型并展示出来，受所述的数字孪生体驱动，所述的可视化模型构建展示模块展示出电力设施中各基础设施和设备的分布，同时既有数据采集和监控子系统、传感器采集网络和网络摄像头监控单元采集的数据均在二维或三维数字模型中具体设施的对应位置处进行实时更新显示；数据查看与交互模块：该模块提供用户在各种交互设备和模式下实时地查看和操作实际电力设施。各种交互设备和模式包括但不限于大屏、pc、vr、ar、移动端设备等。同时也供用户调取特定位置的监控数据进行查看，所述的监控数据包括既有数据采集和监控子系统传输的监控数据、传感器采集网络采集的传感数据以及网络摄像头监控单元采集的影像数据。
15.发明优势(1)本发明对既有数据采集和监控子系统进行业务数据深度和广度扩展，将数字孪生技术应用至其中，对既有数据的获取和整合，并根据具体需求增加新的信息来源(包括传感器采集网络和网络摄像头监控单元采集或监控的数据) ，构建数字孪生体，并将数据与直观的二维或三维模型相结合呈现，能够更加高效地反映电力设施的实际状况，也能够提高信息共享和数据分析的效率。
16.(2)本发明传感器采集网络利用485、modbus、rfid、zigbee、wifi、lora、蓝牙、4g多
种有线和无线通讯方式形成传感器网络，能够针对不同地形、场景中的信号特点选择不同网络通信方式，最大程度集成各种技术在功耗、传输速率、带宽、计算能力和存储空间等资源优势，满足多种技术指标和拓展性的要求；(3)本发明通过数据适配器和数据分析器实现数据总线和既有数据采集和监控子系统的可靠对接，在不改变原有子系统数据结构的同时，保证了整体系统的稳定可靠性；(4)本发明通过对电网设施范围内的各基础设施、设备、线路等业务对象以对象建模和领域建模方式映射构建形成数字孪生体，包含数据结构、元数据以及功能元素或关键变量等，通过接入数据，最终具备对业务对象的静态信息、实时状态、分组分类、历史状态、表现描述、未来演变、附属资料、操作互动等方面的完整描述。上述数字孪生体是对数字孪生定义及系统建设规范的标准实现：(5)本发明建立的数字孪生可视化子系统具有广泛的兼容性和适配性，支持在包括但不限于大屏、pc、vr、ar的各类交互终端设备输出和互动。
附图说明
17.图1为本发明电力设施数字孪生运行监测系统的结构框图。
18.图中，（1）为既有数据采集和监控子系统，（2）为传感器采集网络，（3）为网络摄像头监控单元，（4）为数据总线，（5）为数字孪生体，（6）为数字孪生可视化子系统。
具体实施方式
19.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
20.如图1所示，一种电力设施数字孪生运行监测系统，包括既有数据采集和监控子系统（1），电力设施运行监测系统还包括传感器采集网络（2）、网络摄像头监控单元（3）、数据总线（4）、数字孪生体（5）和数字孪生可视化子系统（6）。
21.传感器采集网络（2）：包括多个传感器组，传感器组设置在电力设施中待监测的电力设施中的设备或线路上；传感器采集网络（2）中的传感器组配置有线和无线通信模块，进而形成传感器网络，传感器网络的汇聚节点通过多种网络通信连接至数据总线（4）。传感器组包含多种传感器的不同组合，如温度传感器、湿度传感器、烟雾传感器、特殊气体传感器、水位传感器等之间两种或多种的组合。采用485、modbus、rfid、zigbee、wifi、lora、蓝牙、4g等多种有线和无线通讯方式形成传感器网络，能够针对不同地形、场景中的信号特点选择不同网络通信方式，最大程度集成各种技术在功耗、传输速率、带宽、计算能力和存储空间等资源优势，满足多种技术指标和拓展性的要求。传感器采集网络（2）采集到的信息对既有数据采集和监控子系统（1）的检测数据进行补充，保证采集到的数据能够及时汇聚至数字孪生体（5）。
22.网络摄像头监控单元（3）：包括分布在变电站室内、室外、输电线路沿线上的多个网络摄像头，网络摄像头监控单元（3）具有视频输出质量高、距离远、视频数据安全性高、系统前端交互性好等优点，在许多领域已有相对成熟的应用。通过对摄像头视频信号的实时处理可实现移动侦测、入侵探测、烟雾监测、火焰监测、物体追踪等高级应用。摄像头采集视频数据的识别结果将在数字孪生可视化子系统内动态呈现，比如：实际电力设施中有一个风机，那么数字模型中对应位置也有一个风机，实际的风机在转动，数字模型中对应的风机
也在转动。
23.数据总线（4）：用于数据汇集、分析和存储，数据总线（4）分别连接既有数据采集和监控子系统（1）、传感器采集网络（2）以及网络摄像头监控单元（3）。
24.数字孪生体（5）：对电网设施范围内的各基础设施、设备、线路等业务对象以对象建模和领域建模方式映射构建形成，数字孪生体（5）包含数据结构、元数据以及功能元素或关键变量等元素、业务对象的cad模型、功能模型、有限元仿真模型等，通过连接数据总线（4）匹配接入实时数据、历史数据和计算结果，从而具备对业务对象的静态信息、实时状态、分组分类、历史状态、表现描述、未来演变、附属资料、操作互动等方面的完整描述，实现与业务对象实体一一对应。同样通过连接数据总线（4）发出下发指令数据，实现与业务对象实体的双向联动。
25.数字孪生可视化子系统（6）：构建与电力设施的实际物理特征的一致性的二维或三维数字模型组，该模型组与数据总线（4）进行数据交换并展示电力设施实际运行状态。具体地，数字孪生可视化子系统（6）包括：可视化模型构建展示模块：该模块构建与电力设施的实际物理特征具有一致性的二维或三维数字模型并展示出来，可视化模型构建展示模块包括电力设施中各基础设施和设备的分布，同时既有数据采集和监控子系统（1）、传感器采集网络（2）和网络摄像头监控单元（3）采集的数据均在二维或三维数字模型中具体设施的对应位置处进行实时更新显示；数据查看与交互模块：该模块提供用户在各种交互设备和模式下实时地查看和操作实际电力设施。各种交互设备和模式包括但不限于大屏、pc、vr、ar、移动端设备等。同时也供用户调取特定位置的监控数据进行查看，所述的监控数据包括既有数据采集和监控子系统传输的监控数据、传感器采集网络采集的传感数据以及网络摄像头监控单元采集的视频监控数据。具体地，上述提及的二维或三维数字模型既与电力设施中设施对应，又与具体行为的对应，比如：实际电力设施中有一个风机，那么数字模型中对应位置也有一个风机，实际的风机在转动，数字模型中对应的风机也在转动(数字孪生状态联动) 。另外二维或三维数字模型要能反应实际模型的实际运行状态，包括传感器和摄像头实时的数据和来自数据采集和监控子系统的实时数据，这些数据会在模型的特定位置以数值方式显示，也会以动态模型的方式呈现。
26.数据总线（4）和既有数据采集和监控子系统（1）之间设有：数据适配器：对既有数据采集和监控子系统（1）的二进制数据流进行获取、在线解析并转换匹配得到解析适配数据，对解析适配数据进行过滤筛选出系统需要的数据并发送至所述的数据总线（4）。
27.数据过滤器：数据分析器：按需从所述的数据总线（4）抽取数据进行分析，使用包括常规算法计算、大数据计算、机器学习计算、有限元仿真计算等内置计算单元或外接计算服务，得出计算结果并重新发送到所述的数据总线（4），所述的数据总线（4）负责存取及供所述的数字孪生体（5）调用。
28.既有数据采集和监控子系统（1）、传感器采集网络（2）以及网络摄像头监控单元（3）均通过多种传输协议与数据总线（4）进行通讯连接，数据总线（4）也通过多种传输协议与数字孪生体（5）通过连接。
29.传感器采集网络（2）、网络摄像头监控单元（3）、既有数据采集和监控子系统（1）、数据总线（4）间存在大量的信息交互，这些数据将通过合适的通讯协议，以数据总线（4）为
中心进行交互。来自传感器采集网络（2）、网络摄像头监控单元（3）、既有数据采集和监控子系统（1）等的数据实时汇聚至数据总线（4），经过数据总线（4）的处理后存储在数据库中。数字孪生体（5）引导数字孪生可视化子系统（6）动态地显示电力设施实际运行状态，用户查看特定位置的数据时只需在数字孪生可视化子系统（6）的对应位置点选设备、设备、线路等三维模型，数字孪生可视化子系统（6）再向数字孪生体（5）请求相应的数据并予以呈现。用户在数字孪生可视化子系统（6）中发起的操作互动也将通过数字孪生体（5）转化为指令数据，连接数据总线（4）向下发送给传感器采集网络（2）、网络摄像头监控单元（3）、既有数据采集和监控子系统（1）的信息捕获模块等，以实现不同的功能。数据的交互过程采用通用的通讯协议，未来可能的系统拓展也只需遵循相应的通讯协议进行接入。所有的数据传输过程均进行加密处理，以提高系统安全性。