电网数字孪生管理平台的设计及实现

张正文,彭 姣,孙树娟,李美茹,苑鲁峰

(1.国网河北省电力有限公司雄安新区供电公司,河北 雄安新区 071000;2.北京中电普华信息技术有限公司,北京 100107)

数字孪生是以数字化方式创建物理实体的虚拟模型[1],借助历史数据、实时数据以及算法模型等,模拟、验证、预测、控制物理实体全生命周期过程的技术手段[23]。

根据国家电网有限公司(简称“国网公司”)《数字化转型和数字电网建设行动方案(2020年版)》要求,国网公司将对传统物理电网进行数字化映射,构建全新的数字孪生电网形态[4]。然而,由于数字孪生应用于工业界实际时间不长,存在较多的技术分支与演进模式,在实际工业应用中,需要面对数字孪生种类繁多、标准多样、管理复杂等问题,在实际项目中如何进行管理和控制面临巨大的挑战。本文结合国网河北省电力有限公司雄安新区供电公司(简称“雄安供电公司”)数字孪生建设需要,提出一种数字孪生管理平台架构设计方案。

1 数字孪生管理平台的设计

雄安供电公司数字孪生管理平台主要实现对各专业部门构建的数字孪生体的统一管理,对规划、调度、营销、信通等业务部门的数字孪生,提供统一注册、版本管控、共享、共用等,通过统一管理平台,实现基础构件(类似于积木)性质数字孪生的共享共用,避免各专业重复建设,提升应用效率。数字孪生管理平台基于业务和管理需求,实现电网大规模多源孪生体的汇聚、存储、管理和共享等应用,构建电网数字孪生综合管理体系,实现电网孪生体的统一管理和跨部门资源调用,解决多部门分散建设与片面管理问题。

1.1 数字孪生类型

数字孪生是指与物理实体或过程相对的数字化模型的实例,其不仅仅是物理世界的镜像,也要反映物理世界的实时信息,更要反过来实时驱动物理世界,而且进化为物理世界的先知、先觉甚至超体。雄安供电公司各专业建设的孪生体模型成果主要分为两大类,一是依照统一标准体系建设的孪生体模型,如雄安规范的XDB模型、国网规范的GI M模型等,这类模型从本质上已经具备了数字孪生的基本要素;另一类是三维行业中常见的多种三维模型格式,如倾斜摄影模型(OSGB)、3DMAX模型(.MAX)、基于Web GL的GLTF、BI M主流的revit、bently、catia模型以及其他通用三维模型格式OBJ、FBX、3DS等。在雄安供电公司数字孪生管理平台中,需要对以上众多模型进行统一管理,其中核心的数字孪生模型就是雄安规范的XDB模型以及国网规范的GI M模型。

雄安规范的XDB模型是指雄安新区规划建设BI M管理平台数字化交付数据标准,是雄安新区为建设数字城市而制定的数字化标准。雄安新区XDB按专业划分,每个专业对应一个XDB,包含系统信息表、项目信息表、几何信息表、专业信息表、数据关系表等。XDB的基本单位是元素,元素描述了数据集中一条模型数据所包括的内容,如一个门构件为一个元素,一个墙构件为一个元素。元素主要包括了基本属性数据、专业属性数据、扩展属性数据、显示几何等。元素之间的相互关联关系用模型关联关系来描述,如楼层与构件的关联关系、组与构件的关联关系等。雄安新区XDB体系结构示意,见图1,其从大向小,逐步细化,建立不可划分的细节XDB基本组件。

图1 雄安新区XDB体系结构

国网规范的GI M模型是指国网公司为了实现智能电网建立的电网信息模型,具体包括输变电工程三维设计模型交互规范、软件基本功能规范、建模规范等内容。国网GI M模型包括变电站、换流站、架空输电线路等单元。各个电气单元拆分为多个基本几何体,通过层级划分的方式进行建模,其模型结构与XDB类似。以变电站为例,其建模使用了常规几何体和专用几何体,并由一组控制参数进行描述。常规几何体是最基本的几何图形单元,而专用几何体则是变电站设备、材料中的常用部件,包括套管、绝缘子串、安装板、端子板等。在建模的过程中,基本图元先组合为各种部件,然后由各个部件组合为设备。

1.2 总体架构

雄安数字孪生管理平台总体架构主要分为数据汇集、数据层建设及应用服务建设等三部分[5],见图2。

图2 数字孪生管理平台总体架构

1.2.1 数据汇集

数据汇集对应数据源和数据输入层两部分,主要用于多源异构孪生体的汇集。雄安供电公司数字孪生管理平台横向关联电网各专业、纵向贯通电网全业务,实现各部门、各专业分散建设的数字孪生汇集[6]。这些孪生体来源分散、结构多样、体量巨大。汇集的主要任务是对模型、属性、关联关系等3个数字孪生的核心要素进行整合。

模型整合。对于雄安规范的XDB模型、国网规范的GI M模型等,由于该类模型已经具备了数字孪生的基本要素,整合时可延用该模型结构,并将这2种模型作为管理平台标准格式。其他三维行业模型格式,如OSGB、3DMAX模型、基于Web-GL的GLTF、revit、bently、catia模型以及其他通用三维模型格式OBJ、FBX、3DS等,这些格式为适应孪生体统一纳管的需求,进行归一化处理,具备标准化条件的转化为XDB或GI M模型,不具备标准化条件的转化为通用三维格式OBJ。

属性与关联关系整合。电网各专业孪生体的业务数据、感知监测数据等属性均来源于数据中台,为避免数据重复存储,统一对接数据中台的属性数据。关联关系由实物ID进行绑定,整合时应要求并检查模型是否具备且符合电网统一实物ID编码规则。

1.2.2 数据层建设

数据层建设部分主要对应数据层和组件层两部分,用于实现数字孪生管理平台的核心数据管理。数字孪生管理平台通过数据汇集搭建孪生体模型数据库,实现多维度、跨专业、格式归一化的孪生体数据集中存储与管理,通过模型唯一识别码实体ID关联数据中台的各类业务和感知数据及映射关系,服务于后期孪生体的复用[7]。同时,模型数据库的搭建延用数据中台的建设技术框架,为后期数据中心整合和扩展提供技术准备。

1.2.3 应用服务

应用服务主要对应应用层部分,用于实现数字孪生管理平台的各项具体应用。雄安供电公司数字孪生管理平台应用服务能力从目录体系统一、可视化展示、空间坐标配准、属性编辑、场景组合、数据检索等基本的管理组件作为支撑,搭建平台的基本应用功能,实现孪生体上传入库、在库管理和出库共享分发等环节功能。

1.3 技术架构

雄安数字孪生管理平台的技术架构,主要分为部署环境、数据层技术、支撑层技术和服务层微服务架构等4个主要技术环节,以此支撑多样的孪生体应用[8],见图3。

图3 数字孪生管理平台技术架构

部署环境主要延用国网公司现有的虚拟机、容器架构、专用网络和负载均衡设备进行部署安装,实现在国网公司体系下兼容与适配。

数据层,为了后期数字孪生数据中心统一归入国网公司数据中台的需求,保持与国网公司现有技术框架一致的技术方案。在数据接入方面采用ETL数据中间件的方式完成数据的集成过程,采用关系型数据库、NoSql数据库、对象存储服务和分布式文件存储系统等方式进行数据的混合存储。数据分析与计算方面,为满足孪生体海量空间与非空间数据计算的性能需求,采用分布式计算架构进行设计。

支撑层,用于对平台应用与数据操作进行技术支撑。数据转换工具为定制开发的用于多源数据归一化的工具软件,完成多类三维数据的归一化处理[9]。而三维转换插件则是更专业的针对BI M、OSGB等特殊三维格式的轻量化、结构化转换插件,可将BIM轻量化为通用三维格式,将OSGB结构化为OBJ格式,从而适配更多的三维平台。

服务层,采用微服务架构进行实现,兼顾扩展性、容错性、技术选型灵活性、开发运维效率等因素。微服务架构是将原本单一进程拆分为多个进程服务,且相互之间存在调用关系,又能独立部署运行的松耦合架构,便于服务的稳定、扩展和维护,可以更好的支撑数字孪生多种多样的应用需求。

2 数字孪生管理平台的关键技术

2.1 阶段式数字孪生生成技术

雄安供电公司数字孪生管理平台建立数字孪生的过程分为建模与仿真两个阶段。在建模阶段以雄安XDB和国网GI M为基本标准模型,将待建立数字孪生的物理实体拆解成各种基础组件,逐层分级的组合成XDB模型和GI M模型,从而实现将物理实体虚拟映射为三维数字模型,且相应模型真实地在虚拟空间再现物理实体的外观、几何、运动结构、几何关联等属性,并结合实体对象的空间运动规律而建立。仿真阶段则是基于构建好的三维数字模型,结合结构、热学、电磁、流体等物理规律和机理,计算、分析和预测物理实体的未来状态,从而建立数字孪生体内部和孪生体之间的关联关系。最终的数字孪生体由1个或多个单元级数字孪生体按层次和关联关系逐级复合而成,从而实现数字孪生体的生成。

2.2 复合式数字孪生信息模型库

雄安供电公司数字孪生管理平台内部包含众多孪生模型,除了具有极强业务背景的XDB模型和GI M模型以外,还包括OSGB、3DMAX、GLTF、revit、bently、catia、OBJ、FBX、3DS等 模型。因此,如何兼容众多模型格式就是数字孪生管理平台的核心功能[10]。在结构设计上,数字孪生管理平台指定了3种基础模型,分别是XDB、GI M和OBJ。对于其他格式的三维模型,首先通过格式导出工具标准化为XDB或者GI M模型,如果不具备标准化条件的转化为通用三维格式OBJ。在具体实现过程中,采用关系型数据库,用于存储各类模型的基础数据、专业数据、显示图形数据以及组件的编码信息。同时支持存储各领域的数据字典,用于解析专业数据含义。

2.3 高性能协同计算能力

高性能协同计算是数字孪生信息分析的效率保障。在数字孪生模式下,物理实体实现高度数字化,同时产生海量数据资源,高性能的协同计算提供算力支撑,主要包括强大的数据处理中心和边缘计算中心,为数字孪生的高效运行提供运行决策。为了提高高性能的协同计算能力,数字孪生管理平台使用了基于Spar k的分布式计算引擎,能够实现多节点分布式的高性能并行计算。同时部署了人工智能算法库,通过智能匹配最佳算法,可在无需数据专家的人工参与下,自动执行数据准备、分析、融合对孪生数据进行深度知识挖掘,从而生成各类型服务。

3 数字孪生管理平台实现及成效

雄安供电公司数字孪生管理平台采用前后端分离的架构,前端和后端分别独立实现,后端采用微服务架构,以RESTful API的形式,对外提供数据服务和各类抽象的、基础的业务逻辑,前端以浏览器和大屏为载体,承载各功能模块的业务功能。其中,后端架构自下而上由数据服务、微服务和API Gateway构成,数据服务层封装了底层数据库数据存取的业务逻辑,微服务层构建了实现本系统的各类基础业务逻辑,API Gateway层结合上层的业务需求,对数据和基础业务逻辑进行封装和整合,以RESTful API的形式提供支撑前端应用的最终服务。前端部分的Web系统由ASP.net、HTML、CSS和JavaScript生态下的各类技术实现。

目前数字孪生管理平台实现了3大类6小类共29种XDB模型,3大类17小类共34种GI M模型,共建立各种三维数字孪生体1 921个,基本实现了雄安供电公司数字孪生基础模型体系。依托现有模型,建立了可视化安全监控场景。建立变电站1∶1的三维数字地图,融合视频监控系统、门禁系统等园区监测信息,巡检人员佩戴定位系统,可实时远程展示变电站信息和巡检人员在虚拟地图中的位置信息,当发生危险报警或异常情况时,及时提醒危险区域人员。

4 结束语

数字孪生管理平台作为雄安供电公司数字化主动电网数字孪生建设的重要组成部分,已经初步实现了数字孪生的生成和管理能力,能够为数字化主动电网数字孪生建设提供基础支撑。未来数字孪生管理平台还需要在数字孪生生成以及应用场景建设进一步强化,以增强雄安供电公司数字化能力。数字孪生作为新兴学科,正表现出巨大的实用价值和经济效益。