元宇宙在電力系統中的應用

周博文，奚超，李廣地，楊波

（1. 東北大學信息科學與工程學院, 遼寧省 沈陽市 110819；2. 遼寧省綜合能源優化與安全運行重點實驗室(東北大學), 遼寧省 沈陽市 110819）

0 引言

現階段，互聯網技術面臨的主要問題是平臺形態趨于內卷化，在載體內容、交互傳播、參與互動等方面長期停滯不前，導致“沒有發展的增長”[1]。在新冠疫情隔離政策下，全世界上網時間大量增加，“宅經濟”迅速發展，大多數人將線下生活狀態轉變為線上生活狀態，將虛擬世界演變成了現實世界的平行世界，線上與線下打通，人們逐漸開始從現實世界向虛擬世界遷移。當前技術渴望生產出高質量的產品，資本家探索新貿易模式，用戶期待全新的體驗。元宇宙就好比是現實世界與虛擬世界虛實相融的互聯網，在元宇宙中，人們不再去對相關內容進行瀏覽，自身本就處在各種內容之中[2]。從互聯網進化到移動互聯網，元宇宙將會在移動互聯網后迎來一個全新的時代[3]。

近年來，各大互聯網公司圍繞互聯網虛擬世界開展了大量研究。2021 年7 月27 日，臉書(Facebook)公司成立了元宇宙團隊，并且將公司的名字改為“元(Meta)”。Epic公司開發的《堡壘之夜》虛擬世界游戲是目前較為公認的元宇宙雛形產品。百度依托眾多先進的人工智能技術，借助虛擬現實交互平臺，降低了元宇宙世界的成本[4]。元宇宙的本質是將現實世界進行數字化、虛擬化，元宇宙將成為虛擬世界與現實世界共存的第二空間[5]。元宇宙的發展是循序漸進的，在相應的設施和技術條件下，由眾多行業、平臺不斷融合、進化而最終成形[6]。在元宇宙不斷發展的過程中，也將遇到很多新問題，需要進一步進行完善。在虛擬空間與現實空間融生之后，還要關注技術發展所帶來的社會變革，保障各種行業健康有序發展[7]。

元宇宙中的電力系統是建設數字化、信息化、智能化新型電力系統的有效驗證手段，新型電力系統需要大量的數字化仿真建模分析，將在元宇宙中呈現現實設備與數字化設備的高度融合。元宇宙電力系統能夠為新型電力系統建模、穩定分析、運行控制提供技術支撐，因此元宇宙提供了沉浸式仿真的有效工具，對實現雙碳目標具有重要的意義[8]。

本文介紹了元宇宙的誕生、定義、發展過程、發展趨勢，元宇宙電力系統的實體反饋、優化調度、運行控制、故障診斷、動態仿真，以及人與元宇宙電力系統的動態交互，并結合當前的發展方向與研究熱點，提出了元宇宙中電力系統的短期應用與長期應用。

1 元宇宙的概述

1992 年，Neal Stephenson 在科幻小說《Snow Crash》中第一次提到了“Metaverse(元宇宙)”這個概念[9]，元宇宙是一種很大程度上會實現的未來。

元宇宙是一種將虛擬與現實相結合的新型互聯網應用和社會形態，它基于擴展現實技術提供沉浸式體驗，基于數字孿生技術生成現實世界的鏡像，基于區塊鏈技術構建經濟體系，將虛擬世界與現實世界全方位、多角度整合，并允許每個用戶對其進行創造與編輯[10]。元宇宙技術的基本概念如圖1所示。

圖1 元宇宙技術Fig.1 Metaverse technology

元宇宙這一概念在不斷發展、進化，每個用戶都在參與過程中不斷豐富并完善其含義[11-12]。2021年是元宇宙元年，互聯網迭代升級的大幕就此拉開[13]。在元宇宙時代，“萬物互聯”將逐步走向“萬物互信”，再到“萬物交易”和“萬物協作”[14-15]。集中的互聯網機構盜用、濫用數據的模式將結束，并被一種充分實現數據權益保護的新經濟體制所取代。元宇宙時代也將是數字文化大變革、大發展、大主流的時代。元宇宙的四大趨勢如圖2所示。

圖2 元宇宙四大趨勢Fig.2 Four major trends of metaverse

2 元宇宙電力系統

2.1 元宇宙電力系統架構

元宇宙自誕生以來就與電力系統領域緊密耦合。現階段，電力系統正處于轉型升級的開始階段，電網運行信息、電力企業運營信息都在從實體到數字化升級，電力系統的物理載體和運營主體都在發生著數字化的變革，為融入元宇宙奠定了基礎。開創電力系統與元宇宙相關新概念、新技術、新應用融合發展，是電力系統轉型的重要步驟[16-17]。圖3為元宇宙電力系統的基本架構。

圖3 元宇宙電力系統架構圖Fig.3 Framework of power systems in metaverse

目前，元宇宙電力系統的發展還面臨著兩大難題：一是目前的網絡支撐技術、雙向傳輸速度均不能滿足龐大電力系統數據的實時傳輸需求；二是智能終端及電力設備結構復雜，相關技術有待提升[18]。在元宇宙時代來臨之際，電力系統可提前在虛擬端打下堅實的基礎，在很大程度上使電力系統更加安全穩定地運行，促進元宇宙中電力系統的發展。

2.2 元宇宙電力系統數據中心

綜合全面地分析元宇宙電力系統是電網安全穩定運行的基礎，對元宇宙中電力系統優化、穩定運行、實體反饋、故障診斷等方面具有重要的意義。

元宇宙電力系統同步規劃電力系統物理實體與元宇宙虛擬空間，從數據構建出發，生成動態綜合數據中心[19]；同時，在實體運行時不斷向元宇宙空間導入規劃、優化、仿真、故障診斷等相關模型與運行數據，以及人在元宇宙中不同視角下的操作記錄、培訓記錄、錄像回放等數據，從而不斷完善數據中心；在穩定運行階段，依托智能分析管理平臺，實現對元宇宙中電力系統的決策支撐和優化管理[20]。

通過數字化建模和建設虛擬設施，將電力信息納入到元宇宙電力系統體系中，通過智能感知和數據采集補充完善數據中心。元宇宙中電力系統數據中心與現實中電力系統數據中心存在很大差異，數據形態、異構類型、關聯關系都將更加復雜。同時，元宇宙中各類角色、形象(avatar)的參與將大大增加數據的可變性與交互性，用戶角色的實時互動所引起的個性化、定制化數據增量對元宇宙數據中心提出更高要求。數據庫利用中心化存儲可以使存儲數據穩定可靠[21]，利用區塊鏈技術對數據庫進行監督，增加了可信性[22]，工人了解電力系統運行態勢的手段越來越多樣化，獲取信息的方式越來越簡單，獲得的信息越來越豐富，人機交互的界面也越來越友好[23]，為系統未來態勢預測、歷史數據查詢、數據可信性等領域研究提供數據支撐。

2.3 元宇宙電力系統實體反饋

元宇宙虛擬空間與實體電力系統通過高效連接和實時傳輸實現虛實融生。通過智能感知技術和數據中心信息采集技術實現“由實入虛”；電力系統物理實體和元宇宙虛擬空間通過實體反饋實現虛實融生，并通過實時優化運行控制實現“由虛饋實”[24]。

電力設備實體和元宇宙空間雙向映射、動態交互、實時連接，元宇宙中電力系統計算實時數據更新模型，再將數據模型中校正計算后的電力參數回傳給實體控制設備，從而實現對實體設備的精確控制。

通過虛擬空間將運行狀態傳遞給實體電力系統，一方面可以作為穩定運行數據存儲在數據中心進行分析優化；另一方面可以對電網可能遇到的問題進行預演，將元宇宙電力系統中存在的相關技術、運行問題反饋到實體電力系統，并制定相應對策[25]。

2.4 元宇宙電力系統優化調度

在優化運行方面，對于電網的核心數據，在元宇宙電力系統中基于預先實例化的數據預處理、多類數據聚集的優化計算、動態數據在線聚集合并等技術，實現快速解析數據中心[26]。

通過建立元宇宙中各電力設備的調度策略和信息處理策略，實現元宇宙中虛擬電力系統靈活優化調度，從而實現現實中電力系統更高效、更智能、更安全運行[27]。將電力系統設備參與元宇宙系統的運行調度與現實系統運行調度進行對比，并考慮在虛擬電力系統中加入實時的需求響應，可實現虛實融生下電力系統經濟性、環境性、安全性3 個方面不同程度的優化[28]。在完全虛擬的場景中，可以同時得到多種調度策略的可視化與可互動結果，對調度運行人員實現優化調度將具有更生動的直觀體驗。

2.5 元宇宙電力系統運行控制

元宇宙電力系統是多源數據整合、多種技術集成和分層控制的，面向元宇宙智能電網的復雜技術和應用體系，通過元宇宙電力系統和現實電力系統的結合，有效支撐電網虛實融生化。

元宇宙電力系統的結構由控制層、區域電網層、設備層、應用層組成。其中：控制層根據電力系統管理平臺，負責審核電力系統的運行方案、響應信息等；區域電網層中各區域電力系統之間通過集中式控制方式控制運行，使設備可通過其他因素優化調度電能；設備層包含各種電力設備、虛擬電力設備；應用層包含多個虛擬和實體工廠、居民區、能源站、數據中心等[29-30]。元宇宙電力系統運行如圖4所示。

圖4 元宇宙電力系統運行圖Fig.4 Power system operation in metaverse

電力交易平臺根據優化結果進行交易，將控制結果發送到控制層進行分析，控制系統下發控制需求至電力系統管理平臺，電力系統管理平臺將控制指令進一步分解到用戶層和應用層，實現閉環控制[31-33]。

2.6 元宇宙電力系統智能巡檢與故障診斷

元宇宙電力系統需要對其數據信息、運行狀態等進行實時監測。通過有線設備和無線設備的結合，可以實現在各種場景下電力設備狀態數據的采集與檢測[34-36]；通過智能巡檢平臺實現監測全自動、智能化巡檢，結合電力系統優化模塊，逐步實現典型故障、顯著隱患的智能識別，通過數據采集、積累和人工智能學習訓練，逐步實現故障分析等功能，提高對數據的分析處理能力，實現巡檢智能化。

在元宇宙電力系統中，通過智能采集設備，利用感知控制技術獲得電力系統的實時信息，利用光纖通信技術和無線傳感技術，實時掌握電力系統和各種電氣設備的運行信息，確保電力系統實體的全部數據能安全準確地傳輸到元宇宙電力系統，從而減少外部因素對電網的影響[37-38]。

2.7 電力系統動態仿真

當前電力系統過渡到新型電力系統的進程中，仿真技術發揮著關鍵作用。由于電力系統的發電、輸電、配電、變電、用電具有連續性和多樣性，需要采用數字仿真軟件來對其動態特性進行仿真。現階段仿真的側重點是電力系統級的仿真，而隨著電力電子技術的發展，從電力器件級到電力設備裝置級再到電力系統級的仿真是未來發展的趨勢，并且電網嚴重故障仿真等仿真需求無法通過實體電力系統設備來實現[39]，而在元宇宙電力系統中可以很好地解決這一問題。

新型電力系統中包含大量電力電子器件，電力電子系統中功率開關等相關器件的響應時間低于微秒級，電路拓撲的響應時間一般為毫秒級[40-41]，系統動態仿真是毫秒級電磁暫態過程與秒級機電暫態過程的耦合。現在的電力系統仿真很難滿足如此高維度變量大規模仿真的需要，而在元宇宙中通過數字化仿真，可以有效并快速分析診斷此類問題。因此，通過元宇宙電力系統對其進行虛擬快速動態仿真，得到相應的仿真結果并反饋到實體電力系統，可以使電力系統面對相應情況時進行及時應對。

2.8 人與元宇宙電力系統交互

人與電力系統交互的紐帶是信息，電力系統雖然可以從各種物理環境中獲取并存儲信息，但無法對信息進行主觀評價[42]。但人可以在更高層次感知信息，并提取有價值信息，從而在人與電力系統交互過程中利用主觀信息對設備進行控制，使設備在安全穩定運行時體現人的真實意圖和智能屬性。元宇宙能夠很好地模擬人在實際電力系統運行中的操作和行為，可以分析“人在回路”的電力系統運行控制，發現人的某些特定行為對系統安全性、穩定性、可靠性等的影響，從而實現人與電力系統的沉浸式交互。

目前，電力系統頻率調節不穩定問題越來越突出[43]，傳統的人工參與電力系統巡檢過程基本上取決于人的主動性，這種巡檢方式存在工作人員記錄方式、維護管理以及工作量等問題，并且不當操作可能對工作人員和電力系統造成巨大的破壞[44]。因此，要對工人進行沉浸式培訓。在新物聯網技術高速發展的背景下，虛擬電力系統所提出的虛實融生、沉浸式體驗的特點有助于科研人員對電力系統進行重新認識，從而更好地實現電力系統運行與控制；并且可以使工人通過虛擬環境操作，間接完成現實中對實體設備的危險操作，既減輕了干擾，又增加了工作效率，同時保障了工人的安全[45-49]。

在元宇宙電力系統中，隨著虛擬電力系統智能性的提高，人與電力系統關系則會演變為共生關系，人與元宇宙電力系統虛實交融，形成以人為中心的智能化電力系統形態，在穩定運行、智能優化、故障診斷等方面提供更精準的智慧化建設[50]。通過人與電力系統的全面融生，推動了其他行業體系的構建。

3 元宇宙中電力系統的潛在應用與前景

電力系統與元宇宙中各個領域有著緊密的聯系，在元宇宙系統中發揮著重要的作用，并且在其他領域有很多潛在應用。

3.1 元宇宙中電力系統的短期應用

元宇宙電力系統建設目的在于進一步促進電力系統的高效運行，使電力供應更科學、更有效、更穩定，促進電力系統的健康穩定發展，降低電力系統運行維護成本，為社會各領域的健康發展提供基本保障。

在短期內基于物聯網技術，實現海量數據的深度挖掘與同步分析，使數據全面接入，實現跨專業數據互通，打破專業數據壁壘，最終將電力數據在各行各業應用，形成各種行業廣泛參與的運營模式[51]。在電力系統規劃、電網運行管理、智能巡檢與故障診斷、電力交易等各業務環節實現一體化發展，并對長短期規劃進行預測分析，實現虛擬電力系統狀態自我感知、電力設備協調運行、客戶服務全新體驗的全價值鏈協同模式，保證虛擬電力系統整體的優化配置[52-54]。

3.2 元宇宙中電力系統的中長期應用

在建設元宇宙電力系統的過程中，堅持其共享特性，注重將其與互聯網經濟連接，有效指導數字化轉型，對其進行綜合建設，形成更佳的電力發展效果，并促進各行各業經濟的協調發展。在中長期，虛擬電力系統指導新型電力系統數字化升級、智能化應用，促進源網互動，構建開放式的電力市場，加快低碳發展，實現“碳達峰、碳中和”目標。按照國家政策，采取合乎市場規律的商業模式，鼓勵用戶在智能交易平臺進行交易互動操作，為其提供更優質服務以拓寬各行業渠道[55]。元宇宙電力系統以業務需求為導向進行建模，同時還根據業務流程在電力系統基礎上構建其他相關應用以形成虛擬化的業務鏈，并從企業運行和管理等多個角度提供指導，最終實現電網全價值鏈協同[56]。

4 結論

元宇宙的概念在信息化、數字化浪潮的推動下飛速傳播，為電力系統提供了潛在的價值。聚焦元宇宙電力系統，介紹了元宇宙的概念和發展趨勢，并提出了元宇宙在電力系統的應用前景。未來，元宇宙電力系統將有效提升電力系統的發電、輸電、配電、變電、用電能力，提高電網信息采集、感知、處理、應用各環節的虛實交融化、智能化能力，為推動電網向能源互聯網過渡、助力構建元宇宙電力系統、推動實現雙碳目標提供關鍵技術支撐。