基于数字孪生技术的电厂安全生产远程监测系统设计

黄越 韩嵩峰

（1.沈阳理工大学自动化与电气工程学院 辽宁省沈阳市 110000）

（2.中国科学院沈阳计算技术研究所 辽宁省沈阳市 110000）

1 引言

近年来，随着云计算、大数据、物联网、移动互联网、人工智能、区块链、三维可视化等新一代技术的广泛普及和深度应用，有力推动了各个行业数字化、信息化的发展。发电企业作为典型的技术密集型行业，一方面要落实节能、降耗、减排政策要求，另一方面，发电企业也有集约化、高效管理的自身要求。

电厂自动化系统通常包括数据采集与监视控制系统（SCADA）、继电保护及故障信息管理子站、电能计量系统、远动系统、电厂管理信息系统、厂级监控信息系统，这些应用系统的运行情况直接关系电厂的电力生产效率和安全，直接体现发电厂数字化、自动化、信息化建设的水平。

电厂自动化系统是电厂生产、监控、管理的“大脑”，在电网规模快速增长，电网信息化、智能化水平不断提高的背景下，自动化系统的基础支撑作用日益突显，它的运行状况直接影响电厂生产安全，如何保障自动化系统的安全、稳定、高效运行，成为运行管理人员需要面对的重要挑战。从实际工作出发，通过对发电厂自动化日常管理工作的经验分析，总结出当前主要的管理“痛点”，包括：

（1）自动化包含的多套系统，大多独立建设和管理，“信息孤岛”现象突出，缺乏“一站式”管理手段。

（2）当前的监视手段单一，缺少自动化系统运行状态“全景”监视画面，对IT 设备、应用系统、网络状态、动力环境、关键指标等核心对象缺乏有效的集中监视手段。

（3）故障定位大多依靠运维人员经验，缺少精确定位支撑，缺乏故障影响关联范围分析工具，影响自动化系统运行管理的工作效率。

（4）当前运行监视主要以现场为主，监测内容比较分散，缺少有效的远程监测手段。

针对当前管理“痛点”，现提出一种基于数字孪生技术的自动化远程监测系统建设方案，目标通过统一的平台，实现电厂各类监测点的泛在物联，实现监测数据的全面感知、智能处理和全景应用，为运行管理人员提供全景化、可视化的一站式监测界面，有效解决传统监测工作中核心内容分散、多屏幕查询导致的低效问题，辅助维护人员提高工作效率，提高自动化管理的集约化、精益化水平，有效降低管理成本，保障发电厂的生产安全[1]。

2 数字孪生技术概述及适用性

2.1 数字孪生技术概述[2-5]

数字孪生技术的出现，为现实物理世界与数字世界搭建桥梁，它充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体对象的全生命周期过程。数字孪生的内涵就是构建实体对象的数字孪生体，其最终表现形式是对物理实体的完整、精确的数字化描述，可用来对物理实体进行模拟、监控、诊断、预测及控制。

2.2 数字孪生的价值

数字孪生通过设计工具、仿真工具、物联网等手段，将物理设备的各种属性映射到虚拟空间中，形成一个可拆卸、可复制、可修改、可删除的数字图像，提高了操作者对物理实体的理解。数字孪生是个普遍适应的理论技术体系，可以在众多领域应用，目前在产品设计、产品制造、医学分析、工程建设等领域都有应用。

（1）工业制造：数字孪生起源于工业制造领域。数字孪生可以虚拟构建产品数字化模型，利用3D 仿真技术，对其进行仿真测试和验证；模拟设备的运转及参数调整；数字孪生可以提升工业制造效率、降低成本。在传统的工业设计、制造和服务领域，经验往往是一种模糊而难以把握的形式，难以作为准确判断的依据。数字孪生的一个重要进展是它可以将以前无法保存的专家经验数字化，并提供保存、复制、修改和传输的能力。

（2）智慧城市：数字孪生和5G、智慧城市也有密切关系。5G 开启“万物互联”时代，集成三维地理信息及三维空间统计，借助人工智能算法，将更多的数据将被采集并集中在一起。如今的城市布满了各种各样的传感器、摄像头。这些数据，可以帮助构建更强大的数字孪生体——数字孪生城市。

（3）基建工程：对工程的数字化建模，然后在虚拟的数字空间对工程进行仿真和模拟，评估工程是否可以满足投入使用后的需求。在维护阶段监测可能出现的事故隐患。

（4）军事领域：用于现代战争军事训练场的建设，将现实和虚拟空间装备、环境有机结合，运用大数据技术、VR/AR 技术、三维建模技术等，构建动态虚拟战场环境，为部队训练提供环境支撑，实现战场态势感知与筹划能力。

2.3 数字孪生技术在本项目中的适用性

在本项目中，应用数字孪生技术及思维，构建发电厂自动化系统核心监测对象的数字孪生体，其中包括机房、设备等实际IT 设施，也包括系统、业务数据指标等虚拟对象，建设集自动化机房、动环、设备、应用系统、网络、数据指标于一体的数字化“孪生”系统，全方位支撑自动化业务管理。

应用数字孪生技术，实现3D 物理场景、业务数据模型的一体化建设，这并非普通意义上的模型仿真，而是融合了资源数据、监测数据等多种业务数据的多维度可视化应用。数字孪生系统作为基础支撑平台，提供了资源精准定位、运行状态仿真、全路径线路演示、业务数据多维展示、告警定位、影响范围分析、虚拟巡检等多种应用服务，尤其利用数字孪生3D模型与实际运行状态、监测数据的绑定、协同感知、自动诊断，为管理人员提供厂站级的全景可视化监测视图，大幅度提高管理效率。

3 系统设计及实施方案

3.1 系统业务架构

系统业务架构如图1 所示。

图1：系统业务架构图

3.1.1 系统监测范围系统监测业务范围可分为两大部分：

（1）电厂内的IT 设备，包括服务器、交换机、路由器、防火墙、存储设备、工作站等，另外还包括电力行业设备，如安防设备、正反向隔离设备；机房配套的动力环境设备，如配电设备、空调、温度、湿度、视频等。

（2）电厂应用系统，包括电厂端SCADA、厂级监控系统、继电保护系统、电量采集等系统。

上述设备及系统是发电厂的生产、控制、通信、监测、网络安全的大脑和中枢，它们的运行情况直接影响到电厂生产及安全，因此，这些设备及系统一直是发电厂信息化、数字化建设的核心内容。

3.1.2 系统业务范围

本系统的建设目标就是要建立统一的监测平台，实现电厂内的IT 设备、应用系统、动力环境等各类设施的全景监视、分析及业务管理。

业务核心是建立电厂自动化领域业务模型，范围包括电厂资源模型、监视模型、物理模型、业务关系等模型，这些模型是电厂数据及业务的数字化抽象，有效打通各部门、各系统、各业务间的壁垒。

在自动化领域模型基础上，进一步实现各类监测信息的集成与融合，并进一步为不同的业务场景提供多维度支撑，如全系统监测、设备监测、网络监测、应用系统监测、动环监测等。

3.1.3 基于数字孪生技术的应用

系统人机界面大量采用数字孪生、可视化技术，实现厂区、机房、机柜、设备、应用系统等实际物体或抽象对象的3D 建模，同时结合业务数据、监测数据，实现各类业务的展示与交互，如全景监测、故障影响分析、虚拟巡检、业务关系可视化演示等。

3.2 系统逻辑架构

整个系统逻辑上分为四个层次，分别为接入层、平台层、业务层、应用层，系统逻辑架构如图2 所示。

图2：系统逻辑架构

各层次功能描述如下：

3.2.1 接入层接入层负责监测对象运行状态、监测数据的感知、采集、集成与传输，即实现自动化系统动力环境、IT 设备、网络、业务应用、业务协同、指标数据等监测对象的识别、数据集成、运行状态采集，实现业务监测点“全景感知”。

接入层主要包括监测数据采集引擎、业务数据集成引擎、数据跨安全分区传输引擎几个子系统，都具备多中心分布式部署能力，具备良好的业务扩展能力。

业务数据集成引擎是接入层的核心应用，它通过读取接口配置信息，实现与不同数据集成接口的通信，实现业务数据集成的功能。

数据跨安全分区传输引擎是为了适应电力行业“二次安防”要求，依据电力正、反向隔离装置相关规约，开发的数据传输工具。

3.2.2 平台层

平台层为系统提供各类基础服务类、基础工具类、核心模型定义及处理工具，如数字孪生服务、全业务集成模型、ETL 工具、数据总线服务、消息总线服务、接口服务、计算策略、JSON 服务、规则引擎等，这些工具类奠定了系统技术基础，为其它层次的业务功能提供底层支撑。

3.2.3 业务层

业务层以“数据模型平台化，业务功能组件化”为架构目标，实现状态监测、资源分配、安全控制、业务协同、数据融合等业务的高效处理。

业务层为不同的业务应用场景提供组件化的解决方案，包括业务数据计算、业务流程处理、人机交互方式、展示数据的定义和封装等。本层功能包括数字孪生物理模型管理、数字孪生业务模型管理、全景监测业务处理、档案模型处理、资源模型处理、网络应用处理、故障范围分析、报表计算分析、个人工作台等功能，为应用层业务提供支撑。

3.2.4 应用层

本系统应用层综合应用数字孪生、可视化等多种技术，展示手段多样、交互方式丰富，应用层集成了多种可视化展示工具，如3D 业务场景、图表、图形、动画等，可根据业务层提供的数据展示定义数据呈现不同的展示效果。

核心应用包括运行状态全景监视、告警影响范围分析、全系统虚拟巡检、一体化资源展示、智能网络应用等。

3.3 实施步骤

3.3.1 电厂自动化领域业务模型电厂自动化业务涉及多个部门、多套应用系统以及众多相关设备，不同岗位的人员存在技术差异，观察业务的视角存在差异，很难从全厂高度来定义和描述整体业务数据及流程，因此，为了统一业务认识，首先要梳理自动化相关业务，划清业务范围、统一数据定义、优化业务流程，建立全厂自动化领域业务模型。

3.3.2 监测信息全景融合

依托于底层电厂自动化领域业务模型，建立相应的监测模型，实现自动化系统资源数据跨区集成。

监测数据源覆盖机房动力环境、服务器等IT 设备、网络设备、应用系统，通过数据采集、集成、清洗、转换等多种手段，实现各类监测数据汇总。

根据具体的业务场景定义业务模型，梳理业务数据的含义和统计口径，保证多来源数据的逻辑统一、干净透明，实现监测信息与业务模型的无缝融合，实现各类业务场景的监测信息全覆盖。

3.3.3 打造基于数字孪生技术的应用平台

应用数字孪生技术及思维，构建自动化系统场景、设备等3D 物理场景，另外根据业务关联关系构建自动化整体可视化业务图谱，建设全景化应用平台，全方位支撑自动化远程监测等业务。

实施过程如下：

（1）根据业务场景塑造孪生系统外形。利用3D 建模等可视化技术，实现自动化系统环境、设备、网络、应用、业务场景等各组成部分数字空间建模，在3D 虚拟空间打造数字自动化系统。

（2）融合业务数据，为孪生系统构造“血肉”。在3D模型基础上，融合电厂自动化领域业务数据，成为一个有机整体，实现现实业务到数字化的全面映射，实现业务对象、业务关系的全景展示。

（3）融合监测数据，为孪生系统注入“生命”。融合各类运行数据、监测数据、告警信息，实现自动化系统运行情况的数字化模拟，信息实时同步、忠实映射，为各类业务应用提供平台支撑。

3.4 系统部署

系统完全按国家、公司的相关规范进行部署，保证系统运行安全、网络安全、数据安全。按照电监会5 号令要求，电网企业的I、II 区（生产控制区）和III 区（管理信息区）必须设置专用的单向安全隔离装置（即正向隔离、反向隔离），为了实现跨越隔离装置的集中管理，将系统采集、集成的各类业务数据统一存放于III 区数据库，I、II 区的数据集成由I、II 区数据采集中心访问相应的数据采集接口完成，再通过正向隔离装置，以符合“二次安防”要求的技术方案传输到III 区，所有业务分析、展示等应用统一在III 区处理。

鉴于被监测设备、应用的类型复杂性和数据多样性，平台具备可分布式部署的数据采集子系统，各子系统可基于相应的配置独立运行，实现各类监测数据的采集或集成，使系统具有良好的业务扩展能力和广泛的适应性。

3.5 应用效果

数字孪生技术的应用，使自动化机房、动环、设备、应用系统、网络、业务数据完全融合为一体，实现现实世界物理对象、业务抽象对象以及关联关系的一体化数字建模，为各类业务提供了统一的展示、监控平台。

（1）全系统健康监视。提供自动化系统“全景”监视画面，实现故障侦测、告警、定位及影响分析，弥补运维人员个体技术差异短板，降低管理工作强度，实现自动化系统、动环、设备、系统、网络以及重要指标数据的健康监视，为值班员提供全景化的监视手段。

（2）可视化告警监视。实现告警数据与实际物理对象的绑定，实现告警可视化定位及关联分析，提高故障解决效率。

（3）可视化业务展示。数字孪生系统支撑全路径网线巡视、全路径电源配线巡视、应用系统部署范围等业务的可视化展示，以数字手段增强业务数据的“穿透”能力，实现物理模型、业务关联关系、业务数据的全融合，并可根据业务需要分层、分块显示，将抽象、复杂的业务以可视化方式直观而清晰呈现。

本系统有效提高电厂自动化运行管理效率，有效降低运维成本，保证自动化机房、设备、系统的高效稳定运行。

4 结论与展望

本文研究了数字孪生技术在发电厂自动化安全生产远程监测方面的应用，以电厂自动化生产可靠、可控、集成、智能为目标，以自动化实际工作中的管理“痛点”为突破口，在传统监测系统设计方法基础上，综合研究并应用物联网、数字孪生等先进技术和设计思想，实现自动化专业相关业务的对象识别、数据集成、状态感知，实现自动化系统“全景”运行状态监测和展示。

该系统可有效提高电厂自动化系统远程监测能力，提高电厂管理效率和运行质量，为发电厂的安全、稳定、高效运行提供有力的支撑手段，具有优良的推广价值和发展潜力。