數字孿生技術在數字電網中的應用研究

張振麗

（蘭州博文科技學院 電信工程學院，甘肅 蘭州 730101）

黨和國家高度重視數字化轉型，在國家戰略的指引和新興技術的帶動下，勢必加速推進傳統能源、制造產業向著信息化、數字化和智能化方向轉型升級。隨著領先企業商業模式向能源領域滲透，用戶需求日趨多元化、關鍵技術日益成熟、信息傳播形成的破窗效應，要求電網企業必須與時俱進，充分利用數字化技術，探索新的商業模式，提升客戶體驗，增加企業核心競爭力。近年來，數字孿生技術的發展和應用越來越廣泛，其受關注程度上升到國家高度。

1 數字電網

數字電網主要是以云計算、大數據、物聯網、移動端互聯網、人工智能和區塊鏈等各種新一代數字化技術作為發展的驅動力，以移動互聯網和大數據作為關鍵制造要素，以現代電力網絡和能源網絡與新時代的信息網絡相結合為基礎，通過先進的數字技術和能源公司在業務、管理上進行了深度的融合，不斷提高數字化、網絡化、智能化的水平。它將物理電網的人、事、物在數字世界進行重構，實現能源流、價值流、信息流的高度融合。

數字電網是對事物的全周期進行數字化處理，基于實體化電網的物理世界上同構虛擬化電網的數字世界，并且在數字世界中采集其數字信息，最終構建新的運行模式，優化了物理世界的運行模式與管理手段。物理世界與數字世界兩大平行系統虛實交互，數字世界驅動了物理世界高度智能化，物理世界可以依托于數字世界而衍生出可逆性的再生價值。數字化電網給我們帶來了更多新的技術特點和新的應用場景，它們對我國經濟發展的推動作用遠遠超出了技術的范疇，更加強調“數”。數字電網結構如圖1所示。

圖1 數字電網結構圖

2 數字電網特征

數字電網具有本體安全、綠色消納、平臺賦能、數據驅動、開放共享和價值創造6大主要特征。

（1）本體安全：采用新型的數字化技術，構建了覆蓋整個電網全生命周期的數字孿生式電網，并有效賦予電網智能化及穩定地運行；建立了分級防護，逐級驗收認證的網絡可信度高的安全防護體系，為用戶提供了統一、可靠的網絡安全保障。

（2）綠色消納：利用新型的數字化技術，能夠實現對能源的效力及電力系統供電負荷的精確預判，實現對分布式能源就地平衡的供應，提高數字電網對能源的消納能力。

（3）平臺賦能：基于平臺化、中臺化理念打造一體化的、覆蓋內部生產經營管理的數字業務平臺，實現業務數字化，全面支撐不斷豐富的業務創新和場景化新需求。

（4）數據驅動：以企業全環節及能源產業鏈上下游的數據為生產要素，通過數字化技術，運用到企業生產經營過程中，不斷做出正向的反饋，促進業務優化及流程再造。

（5）開放共享：以縱向連接電力產業鏈，橫向集結能源生態鏈為基礎通過數字化技術推動能源生態系統利益相關的開放共享，驅動能源行業全要素、全產業鏈、全價值鏈協同優化，深度互聯，實現設施共享、數據共享、成果共享。

（6）價值創造：以電網設備重資產為生產要素，通過傳輸能量流實現對社會經濟高質量的支撐；以電力數據輕資產為生產要素。

數據在虛擬終端上真實地映射了物理對象狀態、位置等信息，從而實現了產品數字化，通過挖掘數據價值實現用戶差異化服務、支撐政府決策，指數級地放大數據價值，繁榮數字經濟和數字生態。

3 數字孿生技術

數字孿生是指由具有多種功能的物理終端產生的數字化“孿生雙胞胎”，它使用了智能傳感器、大數據分析、實時通信、人工智能等互聯網技術，在虛擬終端搭建了一個與物理終端實時映射的“孿生”個體。

通過數字孿生，可以實現：（1）全面監控系統的關鍵參數，分析系統在非常規條件下的各種性能，如惡劣工作環境、存在加工誤差、沖擊載荷工況等；（2）利用數字孿生體模型進行虛擬化測試，縮短了測試和分析的時間，降低了測試與分析的成本，并可以根據虛擬化測試結果優化試驗參數；（3）實現關鍵部件的可預測性維護和維修等。數字孿生結構如圖2所示。

圖2 數字孿生結構圖

數字孿生并不局限于單純的數值仿真或者機器學習技術。相對于傳統的數值仿真方法，數字孿生系統與真實設備同步運行，所有數據都采自于真實設備，能夠實時反映真實設備的動態變化；當真實設備發生變化時，數字孿生系統也有同步的表征，并向真實設備下達運維檢修策略，提供智慧決策支撐；當數字孿生系統發現問題時，真實設備也可能存在異常，實現提前預警。

數字孿生技術的使用便捷和方便創新、更全面的智能故障診斷分析和預測能力、提高效率和生產力、全景可視化等優勢，將有力推進數字化轉型。

數字孿生技術體系涵蓋感知控制、數據集成、模型構建、模型互操作、業務集成和人機交互6大核心技術。

數字孿生技術的應用領域包括電力領域、航空航天、汽車制造、船舶航運、城市管理、智慧農業、建筑建設、安全急救、健康醫療及環境保護等。

4 數字電網平臺架構圖

基于數字孿生的數字電網架構從下到上由物理電網、感知層、傳輸層、數據層、平臺層和應用層組成，如圖3所示。物理電網主要是指由清潔發電、智能變電、輸電、配電及多樣用電所組成的電力系統；感知層和傳輸層兩者構建共同完成數字孿生的交互通信通道；數據層主要包括數據處理、數據融合、數據管理等，可完成物理電網的數字化建模仿真和數據處理；平臺層主要包括數字建模、協同計算、精準控制等，可完成建模仿真及故障的精準預測；應用層主要包括企業運營、客戶服務、電網運營、數字金融和數字生態等。每層之間相互配合，支撐數字電網中各項業務、服務和應用的順利開展。

圖3 數字電網架構圖

基于數字孿生的智能電網技術要點主要包括業務數字運營、電力智慧大腦、電網數字建模、數據中心技術、異構通信技術和智能傳感技術。業務數字運營即實現電網資源配置自動優化和自動導航，實現數字化運營管理；電力智慧大腦是完成智能決斷、自我優化、虛實迭代的控制中心；電網數字建模反映了物理電網的系統構成、運行狀況，是虛擬數字電網與實體數字電網之間轉換的基石；數據中心技術是數據的處理、融合、管理、服務中心，實現數據的安全存儲和管理、分析、讀取，為平臺的優化決策提供精確的數據；異構通信技術指在通信系統架構下，支持虛擬數字電網與實體數字電網映射、兩者交互、共同優化，可實現物理電網的全周期數字化和全過程實時化；實時的智能傳感技術對虛擬電網與物理電網的全息復制和動態調整至關重要。根據數字電網架構搭建的數字電網平臺架構如圖4所示。

圖4 數字電網平臺架構圖

5 數字電網的影響

數字電網的發展將帶來以下影響：（1）給傳統電力系統的理論技術體系與研究方法帶來基礎性變革；（2）給傳統電網技術架構與技術模式帶來顛覆性變化；（3）將全面構筑基于先進信息化與數字化技術的關鍵技術體系；（4）在能源生產環節，將顯著提升新能源發電的可觀、可控能力和消納利用水平；（5）在能源供給環節，泛布全網的傳感終端將顯著提升電網透明化水平，全域覆蓋的信息通信網絡將支撐海量物聯終端形成廣泛連接，支撐實現系統層面電網狀態、設備狀態、管理狀態的全景透明；（6）在能源消費環節，數字電網將構建起更加靈活和柔性的用戶能源配給平臺。

6 結束語

數字電網將充分利用小微傳感器、邊緣計算、電力物聯網和大數據挖掘等技術手段，構建具備云-邊協同、海量數據處理、數據驅動分析及高度智能化決策等能力的電網平臺。數字孿生的關鍵技術涉及數值建模與仿真、機器學習以及將信息連接起來的物聯網、云平臺等領域。今后，數字孿生技術將與人工智能、云計算、5G等新一代技術結合在一起，采用“云-網-端”的結構來推動數字孿生系統升級，使數字孿生系統應用在個人電腦、移動設備、可穿戴設備等多種前端設備中，實現現實世界與數字世界之間的“動態鏈接”和“雙向傳輸”。數字孿生技術的應用領域與范疇還在不斷發展，電力領域數字孿生的探索已經開始。最終將在電力系統各個環節實現廣泛的應用，實現電網的數字化轉型。