基于數字孿生的電網數字化轉型研究

詹譚博馳

(南方電網數字電網研究院有限公司，廣東 廣州 510663)

電力行業革新是當前經濟形勢、技術水平提升的重要成果，從最初的配電廠與配電網分離發展到現在的智能電網，數字化在電網發展中發揮了中流砥柱的作用[1-2]，從電力形成、輸送到用戶使用的每個環節，數字化技術都發揮著不小的作用。由于電網建立時間較長，在其結構調整和運作維護方面存在較大難度，充分掌握電網各項數據是電網升級的基礎，配電網數字化轉型勢在必行。目前在國際上并未給數字化電網的正式定義[3]，但在歐美許多國家現已開始研究電網數字化轉型，相繼給出了電網數字化定義，并制定了符合電網數字化的設備標準。在我國研究電網數字轉型方法也很多，其中蔡佳銘等[4]研究的配電網規劃的數字化技術和建模方法，該方法依據電網當前數據建立電力負荷模型，利用分析方法展開分析完成電網數字化轉型，由于電網數據形式為分布式，且在電網運行過程中具備不確定性和波動性，因此其電網數字化轉型效果不佳。數字孿生技術是通過構建物理模型、依據歷史數據形成多個域寬、多個物理量，通過空間映射，反映電網的整個運行周期內的各個狀態。電力行業屬于技術密集型產業，將數字化與信息化相結合，可簡化并提升電網管理難度與水平[5]。本文結合數字孿生技術，研究基于數字孿生的電網數字化轉型方法，為推動我國電力行業發展奠定夯實的基礎。

1 基于數字孿生的電網數字化轉型研究

1.1 電網概況

以某省級電網作為研究對象，該電網多直流饋入受端具有較大復雜性，且其最高負荷為120 GW，用戶消耗電量達到670 TWh左右，輸入電容可達40 GW，其供電量占全民供電量的35%。該電網電源裝機容量為134 GW左右，擁有50多個輸電能力達到500 kV的變電站，構成了可內外雙向傳輸的環路電網，該電網概況如圖1所示。雖然目前電力技術水平不斷提升，但大型電網的電流控制仍然存在短路、混電等情況[6]，因此電網安全面臨嚴重威脅。

圖1 電網概況示意

1.2 基于數字孿生的電網數字化轉型框架

依據電網實際數據，充分結合電網設備數字孿生體與電網運行數據孿生體，建立基于數字孿生的電網數字化轉型框架，該框架結構如圖2所示。

圖2 基于數字孿生的電網數字化轉型框架示意

上述框架由過程優化、數字孿生體、實時數據采集庫和電網實體層組成，其中過程優化層負責輸電質量控制調度優化等；數字孿生體依據電網數據建立電網設備數字孿生體和運行數據孿生體，依據變化的電網數據迭代更新后，使數字孿生體與實際電網數據形成連接，利用電網數據庫進行數據交互；實時數據采集庫負責采集電網實體層內所包含系統的數據，實現信息傳遞[7-8]。

1.2.1 數字孿生體與運維實體映射

電網數字化轉型通過數字孿生體和運維實體映射方式實現，數字孿生體模型與實體映射關系如圖3所示。

圖3 數字孿生體模型與實體映射關系示意

數字孿生體模型與實體映射步驟如下：

Step1：建立數字孿生模型。依據電網實際情況建立其仿真分析模型，按照電網設備功能定義數字化模型，以數字化線程的方式展示電網遠程運維的控制流程，結合電網設備管理系統、數字化電網運行系統、數字化檢測系統構成全環節模型[9]。

Step2：利用數字線程組件運維周期模型，且該模型與電網實際監測系統相匹配，利用CPS技術實現系統之間的同步功能，相關工作人員通過遠程方式觀測到電網設備運行情況。

Step3：利用數字線程組件運維周期模型內電網運行周期線程，將電能從形成—輸送—使用的過程形成數字孿生影像，從而產生電網運維到電網運行的回饋[10]。根據電網設備結構組成，建立控制服務器與仿真服務器，將仿真服務器的輸出作為控制指標，使用物聯網傳輸遠程運維采集到的電網數據。根據電網實際情況設置其服務器組，利用該服務器組內的控制服務器獲取映射庫內映射數據，使用其驅動模塊依據控制信號生成控制指令，實現電網設備控制[11-12]，而數據映射設備由硬件存儲和軟件數據庫等組成，可保障電網數據與遠程運維系統保持統一性。

2.2.2 電網數據整合與分析

數據整合是實現電網數字化轉型的基礎，首先通過中間件技術統一訪問和調用電網相關數據，其次將價值較大數據整合后保存至數據庫內，完成電網數據整合[13]。

電網運行數據主要存儲于電網的生產管理系統、自動化計量系統等，主要存儲設備臺賬信息、電能計量以及電網歷史運行信息等。為簡化電網數據整合過程，以字段的形式表示電網相關數據[14-15]，本文所研究的電網數據字段表達如下。

線路ID：VARCHAR2(32)；電壓等級：VARCHAR2(32)；饋線類型：VARCHAR2(32)；供電區分類：CHAR(1)；配變名稱：VARCHAR2(200)；額定容量：NUMBER(10，3)；生命周期：VARCHAR2(20)；供電半徑：NUMBER(10，3)；絕緣類型：VARCHAR2(32)；導線長度：NUMBER(10，3)；是否為主干：CHAR(1)。

這里VARCHAR2(n)表示字符串最長為n的字符串，NUMBER(10，3)表示該數值最大位數為10，小數點后精確至第3位。

3 實驗分析

以章節1電網為實驗對象，通過建立該電網數據采集與實時監控系統，構建電網數字孿生體模型，并對該電網展開數字化轉型研究。

電網業務數據呈現是數字化轉型的直接表現形式之一，從電網集配狀態監控、輸電量規劃與完成占比3個方面測試本文方法數據呈現效果，結果如圖4所示。

圖4 電網數據呈現效果

分析圖4(a)可知，使用本文方法所呈現的該電網各個直流的集配比清晰明了，從圖4(b)可看出該電網輸電量完成比例、進行中輸電比例等，由此可知，利用本文方法呈現的數字化電網數據顯著性較強，可為未來電網規劃提供簡潔、準確的數據基礎。

統計該電網2015年1—8月的電網設備故障情況，并與本文方法的數字化轉型呈現結果進行對比，結果如圖5所示。分析圖5可知，該電網在2015年1—8月共發生29次故障，使用本文數字化轉型方法所統計的故障結果和電網實際故障結果完全相同。由此可見，本文方法可有效體現電網當前狀態數據，應用價值較高。

圖5 電網故障情況對比結果

以電網故障數量、設備損耗、電量消耗作為檢驗本文方法實際使用效應指標，統計使用本文方法對該電網進行數字化轉型12個月后的電網情況，驗證本文方法實際使用效應，結果見表1。

表1 數字化轉型后電網情況

分析表1可知，使用本文方法對該電網進行數字化轉型后的第1—5月，該電網的故障數量由6次下降至1次，故障次數降低明顯，隨著月份的增加，該電網故障次數始終為0；而在設備損耗方面，從1—8月，設備損耗金額降低幅度較大，隨后9—12月該電網設備損耗金額始終在0.46萬～0.55萬元浮動，在電量損耗方面與設備損耗趨勢相同。由此可見，使用本文方法數字化轉型后，可依據數字化轉型呈現的清晰、直觀數據展開相應應急措施，及時避免故障發生，降低電網及相關設備損耗，有效提升電網整體質量，其實際使用效應較高。

使用本文方法展示該電網各個直流線路的級塊負荷情況，結果見表2；并依據該電網直流線路的級塊負荷數據分析其容載比并對該電網進行分區優化，結果見表3。

表2 電網直流線路級塊負荷情況

分析表2與表3可知，該電網各個直流線路的容載比均超過2%，且平均容載比為2.43%，依據國家電網硬性規定，電網容載比不低于2%，可知該電網的高壓電源容量符合用電需求。其中，洛溪渡直流、興安直流和糯扎渡直流的容載比稍低，表明三者的局部容量偏小。為此，可利用數字化預測并結合人工介入的方式對電網實施整頓，使電網運行流程及分布更具合理性。由此可見，本文方法可提升電力行業信息交互水平，為電力行業提供更直觀、準確的數據展示。

4 結論

本文結合數字孿生技術及理論知識，研究基于數字孿生的電網數字化轉型方法，以某省級電網為研究對象，從多個方面展開實驗研究。結果表明：該法可清晰明了地展示電網直流集配情況，呈現的電網數據具有較強的顯著性；獲取電網故障結果和電網實際故障結果一致，應用價值較高；使用該法后，電網故障次數降低明顯，隨著使用時間的增加，電網故障次數為0；可直觀展示電網容載比情況，結合人工介入方式，使電網整體合理性得以提升。