电力计量自动化生产系统数字孪生体系构建与应用

电力计量自动化生产系统数字孪生体系构建与应用

孙业栋

国网河北省电力有限公司营销服务中心   河北石家庄  050000

摘要：随着能源互联网不断发展，以客户为中心的新型营销服务体系的构建，对以“到检配”为核心的电力计量生产管理的创新发展提出了更高的要求。为此，本文提出充分运用数字孪生先进技术，着力推动电力计量专业数字化、网络化、智能化发展，加快推进信息技术与计量生产管理的深度融合，助力电网企业高质量发展。

关键词：营销服务；电力计量；数字孪生

Construction and Application of Digital Twin System of Power Metering Automation Production System

Sun Yedong

（State Grid Hebei Electric Power Company Marketing Service Center, Hebei Shijiazhuang 050000)

Abstract: With the continuous development of the energy Internet and the construction of a new Customer-centered Marketing Service System, higher requirements have been put forward for the innovative development of power metering production management with inspection and distribution as the core.To this end, this paper proposes to make full use of digital twin advanced technology, focus on promoting the development of digital flowers, networking and intelligent flowers for power metering, accelerate the deep integration of information technology and metrology production management, and help the high-quality development of power grid enterprises.

Key words: marketing services;electricity measurement;digital twin

引言

数字孪生可以真实地反映物理世界，电力计量生产过程数字孪生可以使生产过程透明化，从而利用计量孪生数据优化生产。为此，在数字孪生的理论背景下，建立电力计量生产过程数字孪生体系，实现电力计量生产过程关键要素的数字孪生建模，并基于数字孪生的统一架构，在物理实体中获取生产运行数据，结合虚拟现实及数字孪生技术，统筹管理计量生产调度业务供需关系，运用优化算法，调优生产要素供给，优化生产过程。

1系统架构

电力计量生产是一个多技术的复杂组织体，基于数字孪生五维结构，计量生产过程数字孪生体系主要包含三层：

（1）物理实体层:物理实体层是四线一库的主体，主要包括机器人、专机加工、检测设备、堆垛机、传送带、立体仓库、表计等实体，以及能够进行数据采集与通讯的工控机、可编程逻辑控制器、传感器、射频识别等，物理部件有机结合，实现了对表计的出入库、装配、仓储和检定等生产活动。

（2）孪生模型层:孪生模型层是数字孪生技术的核心。孪生模型由孪生数据和数字模型构成，其中数字模型是计量生产对象实体的映射，是计量生产实体几何等物理特征的真实写照，孪生数据由物理实体层产生，将孪生数据与数字模型有机结合形成孪生模型。孪生模型是对生产现场的数字化重建，旨在虚拟的数字空间内映射实体空间的生产活动，包括实体形状、位置、动作以及其相互关系。孪生模型层主要实现计量线库生产活动在数字空间内的虚拟再现、分析、优化以及决策等功能。

3）功能层:功能层面向用户，通过孪生模型在数字空间内进行生产实时映射，实现多角度的三维实时监控，同时利用虚实交互过程中的大量孪生数据实现生产过程优化决策。

计量数字孪生体系整合全域感知、历史积累、运行监测等多元异构数据，集成多学科、多尺度的检定过程、集成设备管理、生产计划调度、节拍验证预测等应用，通过线库推演态决策优化与未来态线库规划共同构建与四线一库物理实体同生共存、虚实交融的推演系统，真实映射计量业务运行全过程，强化到检配生产任务调度协同能力，通过数字孪生改善生产运营，实现全价值链的闭环反馈和持续改进，进一步提升计量生产效率和设备利用率。其业务架构如下所示：

图1
系统业务架构

2.系统功能架构

通过梳理计量检定不同层面的业务流程与具体资源交互需求，形成计量生产过程数字孪生体系业务架构，系统核心业务功能主要包含生产调度辅助决策与线库动态规划。其中生产调度辅助决策包含生产计划分析（生产计划分析、立库分析、检定分析、配送分析、综合评估分析、计划预测等）、生产作业调度优化（生产计划评估、业务多态推演、生产计划风险评估、立库智能调度及策略维护等）、智能立库孪生管理（仓储规划、仓储盘点、出入库存储策略、仓储周转率评估等）等内容；线库规划功能包括线库编辑器设计、线库模型管理、线库设计、线库编辑、线库拼接、单线库推演、线库联合推演、生产节拍验证（单条产线、多条产线）、线库合理性评估等。

图2 系统功能架构

（1）平台面向管理层：以服务经营决策人员为导向，依托各计量立库数字孪生及推演系统框架，对计量立库及线体状态全面实时掌控，通过生产计划推演系统综合评估、智能立库区域业务总览、立库动态规划与节拍验证等场景，深化立库业务全寿命周期数字化管理，指导立库规划与决策，推进立库业务管理挖潜增效，进一步提升立库专业运营质效。

（2）面向技术分析人员：以服务专业技术人员为导向，依托各立库计划数据汇集及数据推演，实现业务多维信息融合共享、立库仓储的智能规划、立库计划智能调度、生产节拍综合验证评估等技术指导，进一步提升专业技术支撑能力和管理水平。

（3）面向专业管理人员：以服务业务管理人员为导向，依托数据汇集融合及计量数字孪生建设统一框架，实现计量业务全景信息掌握、立库流量预警、推演作业全过程管控（含作业推演风险预警等策略）、计划执行会商多方协同等场景，进一步提升计量业务智能管控能力、业务精益化管理能力和应急处置能力。

（4）面向计划执行人员：以服务一线计划执行人员为导向，依托先进生产策略调度模型与计划推演统一框架，对设备技术参数、仓储信息和业务数据等信息进行分析和处理，通过生产计划协同推演、出入调度策略优化、节拍验证、异常分析等场景，实现              以生产计划执行与决策为中心的全景数据可视化呈现、计划执行智能化推演与推演异常主动预警。

3.数字孪生在堆垛机最优路径规划中的应用实例

数字孪生在计量生产自动化系统的典型应用指对需要通过自动化仓储系统进行出入库作业的任务进行分析，设计算法模型，评估当前策略效率，寻找最优路径，计算合适的传输路线和端口，设置任务执行的优先级别，智能优化存储策略，对任务进行加塞、排序、暂停等调度操作；并对发生异常的任务进行干预，避免堵塞。其中最重要的是仓储系统堆垛机的路径优化问题。

堆垛机的路径规划核心是需要计算堆垛机在货架上找出最佳位置进行存或取的操作。在算法设计上主要把握两点：对每个堆垛机的行走路径划分区域工作范围，避免出现堆垛机“堵车的情况”；在一个周期内的入库和出库资产在堆垛机的区域工作范围内要找出最佳的两两配对的匹配，尽可能用最小的代价使堆垛机“不跑空车”。因此，堆垛机的路径规划就是一个局部寻优的过程，这是一个邻域搜索问题。本文选用禁忌搜索算法（TS）进行寻优，禁忌搜索算法思想为：

从一个初始当前解x1开始，禁忌表为；得到当前解xi候选集Di，并进行排序：

生成新的当前解xi+1和更新最优当前解x*的过程为：

a） 若，则置xi+1=，x*= 。

b） 若{yi1, yi2 ,…, yip}，则置xi+1=。其中为当前解xi的禁忌表。

c） 计算，返回步骤3的b。

更新禁忌表：

4结束语

基于强大的数字孪生理论基础构建的海量电力计量生产数据通过结构化与半结构化存储, 为大数据OLAP分析打下了坚实基础。电力计量自动化系统数字孪生平台根据深度的行业研究搭载的各类机理模型可以支持海量生产数据与设备运行数据的多维度分析, 通过回归分析、数据曲线拟合等方式，为电力计量生产系统的计划管理、物料消耗、设备维修等方面进行预判与决策提供，助力电网企业提质增效。

参考文献：

[1] 孙业栋，左琳璐，周忠良，等．电能计量设备立体库房仓储管理系统的设计与应用[J]．河北电力技术，2017,36(1):12-15．