文｜王其文 汤吟露 冯小强
碳达峰、碳中和的国家战略目标把新型电力系统的发展推向了新高度，新型电力系统是实现双碳目标的主要组成部分。“以新能源为主体的新型电力系统”的安全稳定运行严重依赖二次系统；
同时随着电网规模的扩大和智能化程度的提高，二次设备的类型和数量也在成倍增加，但是运维人员数量几乎零增长；
因此对二次运维的质量和效率提出了更高的要求。以静态图形为主的二次系统回路设计和以人工为主的分散运维模式难以进一步提升运维质量与运维效率，迫切需要通过数字孪生技术推进二次运维模式优化，加强电网及二次作业风险管控。
本文主要从数字孪生角度，应用数字建模技术提出全新的二次回路设计思路，解决变电站现场施工、运维过程中遇到的问题。
电气二次竣工图纸是变电站投产前重要的移交资料，为了便于查阅和共享，设计图纸多以电子格式进行存档，图纸格式繁多且难以满足电网工程设计成果统一存储与管理的需要；
电气二次竣工图纸中只有屏柜相关的端子排图、部分设备间的原理图以及电缆清册等，缺少屏柜内的二次设备的板卡信息描述；
DWG格式图纸受绘图软件制约，无法进行扩展定制功能需求，同时也缺乏屏柜、设备以及相应附件的模型信息，通用性受到了一定的限制。在后续运维过程中，二次检修人员至变电站现场往往需要携带大量图纸，并进行人工查找，影响了现场检修运维效率，延长了现场设备停电时间。
在变电站建设阶段，图纸是现场调试及施工的重要依据。实际施工过程中，施工单位针对设计图纸问题的反馈极其有限，导致设计单位最终移交的竣工图纸与现场实际二次回路接线极易存在不符的情况，给变电站的运维管理带来风险。除此以外，针对竣工图纸的修改没有历史变更记录，不利于对问题原因进行复盘，同样的问题需要多次试错后才能形成组织记忆，为检修班组的日常管理工作带来了新的难题。
针对以上问题，本文提出了“基于数字孪生技术的变电站二次回路设计数字化研究”方案。通过对二次屏柜内元器件、二次设备以及二次回路进行数字化建模，结合各二次屏柜间的电缆连接表，形成全站的二次回路数字化文件，并进行可视化展示。基于这个方案，变电站运维检修人员可通过全站二次回路连接可视化展示减少现场手动查阅图纸的工作量，助力变电站现场消缺和故障分析，从而进一步保障电网的稳定运行。
二次回路数字化设计的关键在于对现有电气二次设计对象进行数字化建模。目前电气二次设计对象包含二次屏柜（继电保护屏柜 、开关柜、汇控柜、端子箱等）及屏柜间电缆连接关系，其中二次屏柜内包含相关的二次设备（继电保护装置）、端子排、空气开关、转换开关等设备。二次设计图纸作为二次设备及其连接关系建模的基础，当设计图纸中的二次设备端口信息、物料所属分类、物理连接关系能够以通用的文件格式导出时，通过建模软件加载该文件便可将这些信息全部继承，实现二次回路数字化设计。由于二次设备种类繁多，不同厂家供货的屏柜及配套设备也不尽相同。在变电站设计过程中进行屏柜及屏柜内部设备建模、物料回路建模时应统一设计。
如图1所示，基于XML格式，采用SDL语言，对二次设备板卡、端口等物理能力进行建模形成二次设备设计模型（IDD）；
对二次屏柜内的设备配置、接线原理以及二次设备板卡、端口等物理能力进行建模形成屏柜设计模型（CDD）；
对各二次屏柜的CDD文件进行整合，并导入屏柜间的电缆连接数字化文件形成描述变电站二次回路物理配置、连接拓扑关系的设计模型文件（SDD）。
图1 基于XML格式的二次回路数字化设计
（一）二次设备设计建模
二次设备主要由一个或多个不同功能的板卡构成，每块板卡也包含一个或多个功能端口。因此二次设备设计模型文件（IDD）包含板卡元素（Board）、板卡端口元素（Port），以及端口属性元素（PAI）。这样具有板卡及端口属性定义的二次设备便可以与屏柜进行关联，再赋以设备名称、设备标识、设备型号、设备制造商后便可变电站内二次设备进行唯一性对应，具体如图2所示。不同厂家的二次设备均可按照此方式形成包含装置属性的IDD模型文件。
图2 IDD模型结构图
（二） 二次屏柜设计建模
相较于二次设备建模，二次屏柜的建模工作要复杂得多，因为屏柜内包含了多种不同类型的元器件物料、二次设备以及物理连接关系。元器件物料包含：端子排、空气开关、转换开关、压板、复归按钮、打印机、继电器、防雷器等。其中二次设备IDD模型文件如已完成可直接调用，无须重复建模。
在进行元器件建模前，需要对各元器件物料进行功能定义分类。分类的意义在于不同功能的元器件包含的属性不一致，如采用统一的属性定义，无法全面描述出单个物理实物的功能信息，与数字孪生的保真性相违背。
以端子排建模为例，依据二次回路功能分类，端子排可分为：直流（DC）、开入（KI）、开出（KO）、电压（AV）、电流（AC）等属性，端子排有了属性分类后，可分别对每个端子进行端口定义，如图3所示。其余元器件建模类似，不再赘述。作为二次设备与元器件的物理传输媒介，物理连接关系建模需要体现线缆类型、起始点设备类型及端口、功能描述。有了具体属性的二次设备、元器件物料以及物理连接关系便可描述出一个屏柜的完整信息，形成屏柜CDD模型文件。有了屏柜模型并辅以全站电缆连接表，描述全站的二次回路物理配置、连接拓扑关系的SDD模型文件也就随之生成。
图3 端子排建模示例
（三）二次回路设计可视化
利用SDD文件，屏柜内二次设备与元器件间的物理连接，以及屏柜与屏柜间的二次电缆物理连接均可与实际二次回路形成映射关系。通过对单一二次设备或者屏柜间二次电缆编号查询，利用SDD文件内设备间逻辑关联关系，可实现与之相匹配的二次全回路可视化展示，如图4所示。
图4 二次回路设计可视化
二次回路可视化展示了变电站内各小室的屏柜间端子排电缆接线、屏柜内部二次设备与各元器件接线原理，并按照“正向”信息流展示跨设备间连接信息，直观展示出二次电缆编号。除此以外，也将屏柜内二次设备的板卡、端口接线呈现了出来，最终展示出的效果与大众认知习惯相吻合。
至于光纤回路可视化展示，也是基于SDD文件中各设备端口间的光缆连接关系，同时还可以查看端口的收发定义以及光缆连接功能。
基于数字化设计成果移交文件SDD，通过二次回路数字化设计移交管控平台，进行工程化的全生命周期管控。管控平台具备对SDD文件签入签出、模型校验、在线可视化等功能。
数字化平台不仅保障了二次回路信息及相关资料的全生命周期管控，而且实现了操作记录、工作记录可追溯，减少了相关的重复工作，提升了变电站运维人员的工作效率。
通过数字孪生技术对变电站二次回路全域信息建模，将逻辑形式存在的物理连接进行可视化展示，可解决变电站运维过程中对纸质蓝图和厂家白图的依赖，减少了手动查图的时间，提升了运维效率。此外，数字化设计成果移交文件整合了全站二次设备及物理连接的功能分类、端口属性、端子定义等多元化数据，建立了二次系统模型与物理实体间的逻辑对应关系，统一了二次回路设计资料存档格式，为数字电网建设赋能。
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