电网数字孪生管理平台的设计与实现

耿贞伟  ,周琦

摘要：数字孪生的实质是将现实客观存在的物理实体，通过技术手段在虚拟世界中以数字模型的方式呈现出来，为物理实体的管理与控制提供支撑。南方电网公司为了加快企业数字化转型的速度，提出了物理电网数字化映射的要求，使电网数字孪生管理平台建设成为电网公司数字电网建设的重点内容。在云南电网运营监控管理中，利用先进数字技术实现多源配网数据集成、处理、存储、管理及配网运行工况实时还原，实现配网运行状态“鲜活”展示，辅助现场人员开展抢修、巡检作业，辅助分析决策。本文基于电网管理及业务的需要，进行电网数字孪生管理平台的设计，首先确立了平台设计的目标，然后就数字孪生体模型的选用、平台架构设计、技术路线设计等进行了分析，并给出了设计的核心要点及设计实现的对策。

关键词：数字孪生模型；数字孪生管理平台；孪生数据

数字孪生概念出现的时间较短，在电力领域应用的技术成熟度不够，尤其是电网本身体量大、专业多、结构复杂、管理分散，增加了日常管理的难度。采用数字孪生技术搭建电网管理平台，构建各专业的数字孪生体模型，由管理平台进行集约化、统一化、实时化管理，推动提升电网管理的数字化与自动化水平。因此从电网业务及管理的实际出发，探寻电网数字孪生管理平台设计与实现的方案，以为电网数字化管理的实现提供思路与经验借鉴。

1.电网数字孪生管理平台设计

1.1平台设计目标

电网数字孪生管理平台设计需从电网公司日常管理、运营监控实际需要出发，对电网公司管理业务进行数字孪生，创建业务物理实体的虚拟模型，对物理实体业务进行全生命周期的集约化、统一化、可视化管理，为电网公司规划、调度、营销等提供数字孪生解决方案。通过电网数字孪生管理平台的搭建，汇聚电网管理与业务信息化资源，集中存储电网公司管理与业务数据信息，内部共建、共享、共用多源孪生体，简化电网公司管理与业务流程，规避专业重复建设问题，减少电网公司数字化建设成本支出。电网数字孪生管理平台的设计与实现，构建电网公司综合管理体系，各部门业务数字化统一建设、统一管理，资源共享，全面提高电网公司管理的数字化、自动化、信息化水平，实现电网大规模多源孪生体的汇聚、管理与共享。

1.2数字孪生体模型的选用

1.2.1数字孪生体模型类型

数字孪生是将物理实体虚拟化为数字模型，但不仅仅是在网络虚拟环境中映射物理实体，而是映射物理实体全生命周期过程，数字模型与物理实体动态变化过程同步，并且可通过对虚拟世界数字模型的操作，实现对现实世界物理实体的驱动，超前预测物理实体未来的发展与走向，以为现实世界决策提供精准可靠的数据信息。因此，电网数字孪生管理平台的设计，建立电网公司各专业的孪生体模型，对于电网公司的日常管理与业务开展有着重要的推动作用。在电网数字孪生管理平台设计中，各专业数字孪生体模型建设主要有以下两种类型，一种类型是XDB（XML Data Base）模型与GIM（Grid Information Model）模型，两种模型采用统一的标准体系进行搭建，具备在电网数字孪生管理平台应用的可行性。另一种是三维模型格式，主要应用于三维建模领域，比较常见的有3DMAX、GLTF、revit等模型。在电网数字孪生管理平台中需要统一管理以上多种类型的数字孪生体模型，管理的基础标准是XDB与GIM模型。

1.2.2 XDB模型

在数字化城市建设中，使用XDB模型打造一整套数据标准体系，将城市构成要素进行数字孪生，完成整个城市物理实体的数字模型搭建。以雄安新区规划建设的 BIM 管理平台为例，XDB的基本构成单位为元素，按照专业进行XDB的划分，一个专业对应着一个XDB，每个XML数据库中包含了各类信息表与数据关系表，而一条模型数据中包含了众多的XDB元素，元素代表着现实世界中的物理实体，如一个墙构件、一个窗户构件，元素之间相互关联形成一个完整的数字孪生体模型，并采用模型的关联关系进行描述。数字孪生体模型是从大向小进行关联关系的描述，从模型的整体至组件到构件进行细分描述，从而构建一个结构严密的XDB模型，且基本组件不可进行再次的划分。

1.2.3 GIM模型

GIM模型是指电网信息模型，为电网公司制定的技术标准，统一了数据架构、编码体系、交互方式、设计深度和成果形式等，设计了基本图元和专用几何体，将变电站、架空输电线路等视为电气单元，合理拆分为一定数量的基本几何体，利用参数化建模方式可以快速完成电网各专业数字模型的搭建。GIM模型搭建原理与XDB模型较为类似，均是对模型构成要素进行细致的拆分，然后进行基本单元的组合构建整个数字模型。以变电站GIM模型搭建为例，选择使用专用几何体（套管、绝缘子串等）与常规几何体（基本图元）进行搭建，使用基本图元构建部件，使用部件及专用几何体组合成一个整体，并在这一过程中运用控制参数进行描述。

1.3管理平台架构设计

1.3.1平台架构

电网数字孪生管理平台的总体架构为五层，①应用层，主要包括的模块有孪生体上传、目录管理、在线浏览、对象检索、孪生体导出。②组件层，为孪生管理平台的组件层，统一目录体系、可视化展示、空间坐标配准、属性编辑、应用开发、场景组合、模型导出、工作流引擎、信息中间件、数据检索、事件驱动、权限管理。③数据层，为模型的数据管理层，主要有规划数据、物联网数据、基建数据、运维数据与财务数据，数据的属性为实体ID关联、业务数据绑定、感知数据关联、时序信息、历史数据、空间信息等。④数据接入层，格式归一化，XDB、GIM与OBJ。校验，模型归属类别、唯一性、完整性、元数据与模型预览。⑤数据源，现有平台与新建模型。采用的异构三维模型主要有XDB、GIM、EIM、RVT、OBJ、MAX、3DS等。平台构建遵循的标准规范体系主要包括基本架构、建模选型、工具与平台、城市集成、安全防护、指标测评、共享与接口等。

1.3.2数据汇集层设计

电网数字孪生管理平台的数据汇集主要面向的是XDB、GIM、EIM、RVT等异构三维模型，管理平台纵横向全面覆盖电网公司分散在不同地点的电网业务，汇集电网公司内部及其下属分支机构建设的数字孪生体。电网公司本身的规模较大、专业多，数字孪生体分散，且数字孪生体模型类型多，数据汇集的难度较大。需要在数据汇集设计中针对以下要素进行整合，首先是模型整合，XDB模型与GIM模型目前建设较为完善，技术成熟度良好，可以作为管理平台的标准格式，采用此两种模型整合其他的异构三维模型，可以进行XDB模型与GIM模型标准化转换的异构三维模型，直接进行转换，无转换条件的异构三维模型，可转换为OBJ模型，以此完成分散在各处数字孪生体的归一化处理，实现管理平台对数字孪生体的统一纳管；其次是属性整合，管理平台架构中的数据层，是各类属性数据的来源，为了确保数据采集的唯一性，统一对接属性数据；最后关联关系整合，基于物理实体的ID 编码，进行模型关联关系的整合，建立数字孪生体模型ID与物理实体ID之间的关联关系。

1.3.3数据层设计

数据层为核心数据管理层，包括了数据层与组件层。数据接入层从数据源获取电网各专业数字孪生体的数据后，进行格式归一化处理及模型校验，将数据传递给数据层，完成大规模的数据汇集，构建数字孪生管理平台的数字孪生模型数据库，集中存储与管理电网各专业的孪生体数据，利用实物的唯一ID建立实物与其数字孪生模型的映射关系，实现业务数据的绑定与感知数据的关联，使管理平台的数字孪生模型实时同步可视化呈现实物的动态，为孪生体模型的应用打好基础。此外，管理平台整个数据层建设采用统一的技术标准规范体系，为数字孪生模型数据库后续的扩展应用创造良好的基础条件。

1.3.4应用层设计

应用层直接面向使用者提供服务，为电网数字孪生管理平台功能实现层，以各种管理组件为应用支撑，实现孪生体数字模型的上传与导出，即入库和出库，使用者可在线浏览各专业数字孪生模型的动态，检索自身所需的信息，实现孪生体数据的共享与分发。

1.4技术路线设计

1.4.1管理平台技术架构

电网数字孪生管理平台的技术架构如图1所示，部署环境为平台信息化基础设施建设；数据层主要包括了孪生技术接入、存储、分析与计算；支撑层采用数据转换组建、GIS平台、三维转换插件及可视化平台，实现数字孪生体模型数据的统一转换；服务层提供数字孪生应用服务；数字孪生共享服务网关用于应用服务过程的输出与控制；应用层则是多样的孪生体具体应用层面。

图1 电网数字孪生管理平台技术架构

1.4.2环境部署

在电网公司原有的信息化基础设施的基础上，结合平台兼容与适配的需要，以南网云为资源池进行管理平台虚拟器、容器、专用网络及负载均衡等的优化调整，为管理平台的运行提供良好的信息化基础支撑。

1.4.3数据层

使用电网公司原有的技术标准规范体系，为各专业孪生数据统一纳入管理平台做好铺垫。孪生数据接入，采用ETL作为数据中间件，实现数据的复制、集成与治理功能。孪生数据存储联合运用多种类型数据库，满足不同专业不同类型孪生数据存储的需要，实现孪生数据的混合存储。孪生数据分析，选择使用的是Spark计算引擎，用来处理结构化数据，Hive为数据仓库工具，用于数据的提取、转化与加载。孪生数据计算使用批量计算、流式计算、内存计算等，满足大体量孪生数据计算的需要。

1.4.4支撑层

数据转换工具用于多种类型不同孪生数据的转换处理，根据电网孪生数据转换的需要专门进行研发。三维转换插件，用于将数字孪生体模型转换为通用三维模型，如将BIM、OSGB等格式的模型，转换为OBJ格式，提升数字孪生体模型的通用性。

1.4.5服务层

服务层运用微服务架构，设计遵循的是经济性、兼容性、扩展性及灵活性原则，确保服务层的实用性，为后续的服务拓展、日常运维提供便利。服务层将单一进程进行合理的拆分，构建灰度配置、服务路由、服务发现、调动配置、服务监控等多个进程服务，且各个服务进程之间存在着关联关系，既可以相互调用，又可独立运行与部署，增强服务层运行的可靠性，确保电网数字孪生管理平台完全满足电网各专业的使用需求。

2.电网数字孪生管理平台设计核心要点

2.1采用孪生生成技术

    电网数字孪生管理平台在建立数字孪生体模型时分为以下两个阶段，第一个阶段是建模，建立电网各专业的数字孪生体模型，同时运用了XDB与GIM模型。首先进行物理实体的划分，拆分成多个组件，组件再拆分成基本构件，通过基本构件的组合搭建成一个完整的数字孪生体模型，完成物理实体至数字孪生体模型的映射，进而将物理实体搬至虚拟空间，在虚拟空间实时动态展示现实世界物理实体的动态。第二个阶段是仿真，数字孪生体模型在虚拟空间，仿真模拟物理实体的运动状态，并预测其未来发展趋势。同时结合结构、热学、电磁、流体等物理规律和机理，运用计算机与数学算法等，建立数字孪生构件与整个孪生体之间的关联关系，完成物理实体数字孪生体的构建。

    2.2兼容众多模型格式

电网数字孪生管理平台整合电网公司的众多专业，专业的不同建设出不同的数字孪生模型，所以管理平台需同时兼容多样的数字孪生模型格式，如XDB、GIM 3DMAX、OBJ、GLTF等，对不同格式的数字孪生模型进行归一化处理，以提升数字孪生模型与管理平台各应用之间的适配性。本次设计中电网数字孪生管理平台采用XDB、GIM、OBJ为基础模型，其他异构三维模型使用专门的数据转换工具进行转换，实现复合式信息模型库的构建。

2.3多节点分布式并行计算

管理平台数字孪生信息分析的核心是孪生数据计算的设计，关系到孪生数据信息分析的效率及分析可视化呈现的效果。在物理实体数字孪生后，会产生海量的数据信息，需要平台高性能协同计算的有力辅助，构建强大的数据处理中心，保障管理平台的可靠运行。为了实现管理平台高性能的协同计算，选择使用Spark计算引擎，并设置人工智能算法库，负责筛选最佳算法，构建电网数字孪生管理平台多节点分布式并行计算能力，为数字孪生各类应用服务提供支撑，实现管理平台数据准备、数据分析、数据价值挖掘的自动化与智能化运行，无需人工及专家系统的介入。

3.电网数字孪生管理平台设计的实现

基于电网数字孪生管理平台的以上设计，针对管理平台的前端与后端，采用分离架构分别予以独立实现。其中前端为面向用户端，WEB系统搭建使用了ASP.net、HTML、JavaScript、CSS等技术，承载各个功能模块，可视化主要依靠大屏，将平台的业务功能呈现给用户并为用户提供相应的业务服务。后端主要提供数据服务与各种业务逻辑，选择使用restful api接口样式，由三个层次构建了微服务架构，首先是数据服务层，存储业务逻辑，实现数据库数据的存取功能；其次微服务层，实现本系统的基础业务逻辑；最后是API Gateway层，主要的功能是封装整合平台的数据与业务逻辑，为平台的前端应用提供支撑。电网数字孪生管理平台设计实现了电网可视化的安全监控场景，构建了变电站的三维数字地图，以及巡检人员佩戴的定位系统等，全面覆盖电网各专业的数字孪生模型体系。

结语：电网数字孪生管理平台的设计与实现，将电网物理实体进行数字孪生模型的映射，实现电网运行的数字化管理，设计和开发配网智能感知监控平台的示范应用，对研究成果进行验证，实现配网运行状态“鲜活”展示，提升配网智能感知能力和智能决策水平，助力电网公司数字化转型。管理平台具有数字孪生体模型的生成与管理功能，根据电网的实际业务，自动生成物理实体的数字孪生模型，实时呈现物理实体状态，预测其发展走向，为电网管理及业务活动提供准确的依据。通过电网数字孪生平台的建设，进一步的增强电网管理数字化能力，使电网公司获取更好的数字化管理效益。

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