作品内容简介

我们近期创新设计了一个专为校园电力管理而打造的校园电力可视化平台，该平台充分利用了数字孪生的高互动性和Unity建模的可视化特性，推动校园电力管理的简洁精准化，极大缓解校园电力管理的人力和设备压力，识别、预防和解决电网损耗及相关的运维问题。

在实际操作中，该平台将实时数据与物理世界的校园电网即时同步，确保了数据的实时性和准确性。通过这种同步，管理人员可以在可视化界面上直观地观察到电网的每一个环节运行状态。实现从大规模的配电系统到校园内部的每个用电点的状态可视化。

在此基础上，针对系统的可扩展性和安全性，我们团队也做了相关考量。随着校园规模的扩大或电力需求的变化，这个平台可以无缝添加新的监测点和分析模块，及时更新数据模型，以适应动态变化的校园电网。在安全方面，平台采用最新的数据加密与访问控制技术，确保了所有电力数据的安全与隐私。

值得关注的是，该平台不仅能为校园电网的日常运维提供支持，同时也不失为一种节能降耗的有效工具。通过数据分析揭示的电力使用模式，管理员可采取针对性措施优化电网配置，减少无谓能耗，从而达到降低电费支出，促进校园环保的双重效果。

此外，平台可以通过模拟和预演各种情景，助力管理团队应急预案的制定，提高校园对于意外停电等突发事件的响应能力。学生和教职工也可以通过平台学习和了解校园能源利用情况，增强能源节约意识。







1. 创作简介

1.1 选题背景

当前，作为国民经济发展的基础，电力系统对国民经济的建设具有十分重要的意义，配电网的有效建设与运行对企业生产和人民生活具有十分重要的作用。电力系统配电自动化是电力系统的重要分支之一，对电力系统的电力输送与电力的分配具有基础性的作用，配电网的自动化发展已经成为电力系统发展的重要趋势，是降低电力分配成本，提高电力稳定性的重要保障。在众多建设电力系统中，校园电力系统庞大且复杂[1]。传统的电力管理方式可能难以有效监控和管理整个校园的电力状况。

现如今随着能源成本的上升和环保意识的增强，在“双碳目标”与后疫情背景下,我国建筑行业积极推进绿色低碳发展,中国高校校园由于其规模大、人员密集的特殊性,成为建筑设计及相关从业者探索后疫情时代公共建筑绿色低碳改造的重要研究方向之一。同时，信息技术的快速进步使得数字化和可视化管理成为可能，数字孪生技术为电力系统的可视化和智能化提供了新的技术支持，合理优化校园电力系统成为有效节能减排的一大可实现选择[2]。

因此，本文基于数字孪生技术，提出了校园电力可视化平台的研发，平台的设计初衷在于提升校园电力系统的管理效率和运行安全。通过构建电力系统的数字孪生模型，平台能够实时反映电力系统的运行状态和各项参数，为管理者提供直观、全面的数据支持。

同时，平台还具备强大的数据分析能力，能够通过对电力数据的深入挖掘和预测分析，发现潜在问题和优化空间，为决策提供有力依据。

在功能方面，平台提供了实时监测、数据分析等多个模块。实时监测模块通过数字孪生模型展示电力系统的实时运行状态；数据分析模块则利用大数据处理技术对电力数据进行深度分析，提取有价值的信息。

总的来说，基于数字孪生技术的校园电力可视化平台是一个集实时监测、数据分析于一体的综合性平台。它的实施将极大提升校园电力系统的管理水平和运行效率。

1.2  相关技术介绍

1.2.1  数字孪生

数字孪生是一种基于数字技术的仿真技术，它可以将现实世界中的物体、 场景等数字化，以实现高精度的仿真和预测分析。数字孪生技术的核心是将现实 世界中的物体、场景等数字化，并建立相应的数学模型，在我们所设计的校园电力可视化电力系统中，相较于传统电力管理系统需要依赖实时检测数据，数字孪生技术可以通过建模和仿真，构建电力系统的虚拟模型，对整个电力系统实现数字化复制，实时反映电力系统的运行状态和参数，为电力系统的监测、分析和管理提供有力支持。这意味着我们可以在虚拟环境中对电力系统更加全面，深入地分析和优化，从而提高系统科学性与预测精度。

1.2.2  可视化技术

可视化技术指通过图形、动画等方式，将复杂的电力数据和信息直观地展示给用户。在本平台中，可视化技术被用于构建直观、易用的用户界面，其能够帮助用户快速了解电力系统的运行状态和各项指标，在可视化界面上我们将处理后的数据以直观的数字，图表等形式展示出来，信息可视化展示到大屏上。使校园管理人员可以清晰了解电力系统运行情况，及时进行决策调整，提高管理效率和决策科学性。

1.2.3  Unity 引擎

Unity引擎广泛应用于游戏开发、虚拟现实、增强现实等领域。Unity具有良好的跨平台性、易用性和强大的功能，可以实现3D/2D建模、物理仿真、数据可视化等功能。在数字孪生可视化平台的研发中，Unity提供强大的支持和丰富的资源库，实现数字孪生的建模、物理仿真和数据可视化等功能。使用Unity软件我们构筑出具有实时性透明性特色的校园化可视平台。

1.2.4   接口互联

结合现代硬件设施，我们运用智能化接口将各系统与统一的管理平台连接，从而实现对电力设备的远程监控和精确调控。这种先进的接口整合方式极大地简化了复杂电力装置的管理难题，提升了运维效率。

1.2.5   其他技术

除此以外，我们还用到机器学习技术，该技术是指利用算法和统计学方法，让计算机从数据中自动学习和提高性能的技术。在本文中，机器学习技术可以用于对校园电力系统的运营数据进行分析和预测，从而预测系统的故障和瓶颈。利用数据分析和机器学习算法，它还能提前做好电力调度和资源配置，分析校园各区域和建筑用电情况，了解不同区域用电特点，推动校园电力管理的智能高效化，为学校提供更好的能源管理和决策支持。

该项目综合运用了数字孪生技术、可视化技术、Unity 引擎等多种技术，推动实现校园电力系统的运行状态和各项参数可视化，优化电力调度和资源配置，为校园电力系统的运营和维护提供了有效的技术支持。





2.  校园电力可视化平台的设计

2.1 数字孪生的建模

我们通过新兴的数字孪生技术，使用unity软件构筑出了校园电力可视化平台，利用数字孪生技术的高互动性，我们将场景一比一还原。利用数字孪生技术，根据校园电力系统的实际结构和运行特点，构建电力系统的虚拟模型。该模型应能够准确反映电力系统的各项参数和运行状态，包括供电箱故障率，当月用电总量，高峰用电总数等。相比于传统电力管理系统主要依赖实时监测数据，而数字孪技术则可通过建模和仿真，实现对整个电力系统的数字化复制。这使得我们在虚拟环境中可以对电力系统进行更加全面的分析与优化，从而提高系统运行的科学性与预测精度。

教学楼的建模本平台的重点，教学楼的建模需要考虑布局，结构。为了实现高精度的仿真和预测分析，本文采用了三维建模软件对教学楼进行数字化建模，并结合实际调研所获得的数据，建立了较高精度的数据模型。

下面是校园实景图的示例：



图2. 教学楼场景建模

2.2 信息传递

数据采集与运输：连接校园电力装置接口：与IOT智能化接口相连，并依托数字孪生系统实现远程监控校园内各用电设施的电压，电流，温度等参数，并结合数据反馈分析使用情况，预测电力消耗趋势并提供管理建议。

数据处理与分析：通过对大数据的分析和机器学习算法的运用，根据历史数据和实时情况，智能调整电力系统运行参数，在数据中心对采集到的数据进行清洗、整合和分析。利用大数据处理技术和机器学习算法，对数据进行深度挖掘和预测分析，提取有价值的信息。

2.3 可视化

该平台设计了直观、易用的可视化界面，通过图表，动画等形式展示电力系统的各项数据包括实时数据，历史趋势，对比分析等，使校园管理人员可以清晰了解电力系统运行情况，及时进行决策调整，提高管理效率和决策科学性。在校园电力可视化平台的研究中，数字孪生的可视化包括教学楼的可视化，用电情况的可视化。

教学楼的可视化的展示需要考虑教学楼的布局，结构等方面，为了实现高质量可视化展示，本平台采用了数字孪生技术将场景一比一还原，使用者可通过平台全方位观察教学楼的场景。

用电情况的可视化包括用电总量，用电排名等方面，为了实现高质量的展示，本平台采用了图表的形式，数据结果清晰详细。





3.  校园电力可视化平台的实现

3.1 校园电力相关数据的可视化实现

   电力相关数据的可视化实现如下图,共分为三部分:用电分析可视化实现，用电排名可视化实现，用电强度的可视化实现：



图3. 可视化界面总体展示



1.用电分析可视化实现：通过获取供电箱在线数，备用供电箱在线数，当日用电总量，当日地用电户数，当前未用电户数信息，将这些数据转化为数字模型，并进行可视化呈现。校园管理人员可通过这些信息，对教学楼用电情况有更深地了解，从而做好更全面的决策与规划。

2.用电排名可视化实现：通过搜集每座教学大楼的用电数据，我们能详细了解各个建筑的电力消耗量和供电状况。随后，将这些数据融入数学模型中，便可以更直观地监控和分析其用电趋势的动态变化。

3.用电强度可视化的实现：通过分析当前的用电强度数据，用户不仅能够掌握用电的平均水平和实时状态，还能够基于这些信息判断当前用电状况是正常还是异常。这样的洞察力使用户能够做出更加明智的决策。

下图便是正常与警报两种情况下可视化界面的显现:





图4. 供电监测展示





图5.电源使用监测展示

综上所述，校园电力相关数据的可视化实现是校园电力可视化平台中的一个重要模块，通过将地各种数据转化为数字模型，并进行可视化呈现，可以帮 助校园管理人员更好地了解电力系统的运行情况，从而更好地调配校园电力资源，提高地铁系统的服务质量和安全性。