新型電力系統背景下數字孿生應用技術研究

國網河北省電力有限公司 田 廣 郭 捷

為達到雙碳目標，能源電力必須轉型，構建清潔化、電氣化、智能化、數字化的能源電力系統。根據能源局和中電聯的統計數據，2011～2019年我國新能源發電裝機從0.5億千瓦增長到4.4億千瓦，增長了約7倍。全國新能源裝機占比為20.6%，成為第二大電源。2000～2019年非化石能源占一次能源消費的比重從7.3%提高到15.3%，非化石能源發電量占比32.7%，能源院預測2050年我國非化石能源占一次能源消費的比重將達到57.3%。中電聯提供的數據顯示，從2000～2019年電能占終端能源消費的比重由16.7%提高到25.5%。能源院預計2025年左右電能終端消費量超過煤炭，成為終端消費主體能源；預計2035、2050年終端電氣化水平將分別達到40.6%、51.7%。

為深入貫徹習近平總書記關于碳達峰、碳中和的重要講話和指示精神，按照中央財經委員會第九次會議的工作部署，根據國家“十四五”規劃和2035年遠景目標綱要，很多能源電力企業都制定了自己的雙碳目標行動方案。國家電網公司提出構建以新能源為主體的新型電力系統，新型電力系統具有廣泛互聯、智能互動、靈活柔性、安全可控、開放共享五大特征。新型電力系統需要智能化的電網，需要加強電網的數字化轉型，提升能源互聯網發展水平，這就需要打造電網數字化平臺，打造數字孿生電網，加快推動電網向能源互聯網升級。

1 能源電力面臨能源革命和數字革命深度融合的新挑戰

能源智能化和數字化的轉型，以高度信息化、自動化、互動化為特征，推動大、云、物、移、智、鏈等信息新技術在能源系統和電力系統廣泛應用，從而使電力供應更加安全可靠、使能源消費更加優質環保、使用戶服務更加便捷友好。能源配置范圍更加廣，大規模遠距離輸送、分布式能源就地消納使能源供應更加多元，實現跨品種的能源體系之間的協同。數字化讓信息廣泛交互、充分共享，逐步構建涵蓋多種能源的互聯網絡。

實現碳達峰、碳中和目標，能源電力企業在能源清潔、低碳、智能和數字化轉型中發揮主力軍作用。以新能源為主體的新型電力系統，對電網的安全穩定運行、全力服務新能源發展和滿足電力負荷需求都帶來巨大考驗。滿足清潔能源消納需求，要求公司必須在技術創新、市場交易、運行管理、體制機制等方面實現全面突破。能源革命和數字革命的深度融合，為公司加快能源互聯網建設、構建以電為中心的智慧能源系統既帶來重大機遇又帶來新的挑戰。

2 數字孿生技術應用研究

能源電力面臨的新形勢、新挑戰和新機遇，需要進行能源轉型。能源轉型離不開數字化，而數字化的基礎就是數字孿生。

2.1 什么是數字孿生技術

第一次提出了數字孿生(Digital Twin)概念是在2002年，由密歇根大學教授邁克爾·格里夫斯提出的。他詮釋數字孿生是通過物理設備的數據，可以在虛擬空間（信息空間）構建一個可以表征該物理設備的虛擬實體和子系統，而且這種聯系不是單向、靜態的，而是在該設備的整個生命周期中都聯系在一起的。“數字孿生”的概念最早應用于美國航空航天飛行器的維護和保障，通過在數字空間建立飛行器真實的數據空間模型，而且通過傳感器與飛機真實狀態完全同步，這樣每當飛行結束后，就可以根據結構現有的情況和過往的載荷數據，及時進行分析和評估飛行器是否需要維護或維修，從而預判是否能夠承受下一次載荷。

2.2 數字孿生在能源電力系統的應用研究

近年來有關數字孿生的研究層出不窮，所涉及的領域也由剛開始的航天領域向航海、制造業、汽車等領域逐步擴展，同時各種研究也拓展和應用于能源系統。早在2000年，國內盧強院士便提出了數字電力系統的概念，其實質便是構建電力系統的數字孿生。他的團隊研究結果認為數字孿生可以在能源互聯網的規劃、設計、建設、運行維護和監控等方面發揮十分重要的作用。比如，數字孿生可以有效提高能源互聯網的監控水平，及時發現電力系統運行的異常環節，有利于實現基于能源互聯網狀態的精準運維和優化運行，這些也是構建新型電力系統的基礎。數字孿生技術貫穿了全生命周期中的不同階段，同PLM（Product Lifecycle Management）的理念不謀而合，其發展將PLM 的能力和理念由設計階段延申拓展到了全生命周期。

打造數字孿生電網就是將物理電網以數字化方式映射至虛擬空間，通過接受來自物理電網的狀態信息而同步演化，以實現對物理電網的全面精準檢測，并基于物理電網的狀態信息進行診斷、預測等一系列計算分析后，將分析結果反饋給物理電網，從而推動物理電網的優化調整。

2.3 數字孿生技術在電網側的應用研究

隨著碳達峰、碳中和、構建以新能源為主體的新型電力系統等目標的提出，電網將會接入大量隨機性、間歇性、波動性特征的分布式能源，以及儲能裝置、V2G（電動車和電網）等交互式能源設施，使其展示出結構更復雜、設備更繁多、技術更龐雜的特點。傳統的機理模型和優化控制方法已很難滿足電網規劃設計、施工協同、監測分析和運行優化的要求。

受能源領域改革和產業結構調整等政策方面的影響，電網迫切需要優化經營策略，實現企業的精益化管理。如對電網缺乏精準刻畫，無法準確掌握電網的狀態信息，導致電網的運維效率難以得到有效提升。另外對電網運營策略的優化調整，嚴重依賴于人工經驗，難以達到最佳效果。

數字孿生電網為解決上述問題提供了新的技術途徑，電網數字孿生系統可融合多源數據，形成多維一體的電網信息（GIM)模型和相關的數據資產，進一步加快操作人員對物理實體的認識，可讓之前許多因為物理條件的限制、不得不依賴于真實的物理實體而沒辦法完成的操作，比如模擬仿真規劃設計、虛擬裝配施工過程、實現智能運營、提供多維社會服務成為可能，從而可有效保證電網的全生命周期各階段經濟、優質、高效、安全。

數字孿生技術可監測實時狀態、診斷異常原因、預測發展趨勢、優化運營策略。典型應用場景“數字孿生變電站”就利用數字孿生技術其為變電站的安全風險管理提供了新思路。現行運維方式主要依靠安裝傳感器和人力巡檢，按照經驗對一些預置位進行檢測，檢測點在全站有效覆蓋區域占比不到1%，無法實現對全站所有位置進行監測并實現監測數據的時序跟蹤。很難給變電站的運行提供十分有效的安全保障。為加大變電站監測范圍，實現電網設備全生命周期數字化管理、降低運維成本，數字孿生變電站應運而生。

基于孿生環境可構建變電站的數字孿生仿真模擬站，根據需要靈活規劃巡檢業務，并利用數字孿生機器人模擬驗證完成虛擬巡檢，大大提高實施效率和后期可維護性。在數字孿生環境里，巡檢的目標設備具備唯一空間位置坐標，巡檢時數字孿生機器人可根據巡檢目標自動規劃路徑，自動設置巡檢傳感器參數，模擬執行整個巡檢過程。當變電站有特殊需求時就可自動生成針對性的特殊巡檢任務，并將任務實時加載到站端物理的巡檢機器人，這樣將極大程度上解決了臨時突發任務受人力、環境制約這一問題。

借助巡檢機器人可實現不停車快速巡檢，實現全站溫度檢測，為得到變電站全方位溫度信息，系統使用高精度的紅外設備采集二維的紅外圖像數據，并將其映射到三維的孿生系統里，從而獲得全站的紅外溫度分布圖，溫度信息存儲采用瓦片化存儲方式，當設備某部位的溫度信息超過正常的閾值區間時，系統會實時推送預警信息。同樣，系統可使用變電站其他傳感器獲取的多光譜影像信息映射到孿生系統中，從而獲得多維度、結構化的時序大數據。通過對大數據的分析可進行趨勢預測和主動預警并形成風控分析報告，為快速智能決策提供可靠的數據支撐。

基于數字孿生的電網智慧運維平臺具備靈活系統接口，可接入SCADA、PMS、OMS 等系統信息，并對接入數據進行清洗、融合，形成帶有業務信息的結構化時序數據，服務于電網相關部門。如為運行部門提供“一鍵順控”的現場狀態確認；為變電站基于與輔控、安防系統業務聯動的智能運維提供信息交互渠道；為省市公司應急指揮提供事故現場人機協作支持；為人資部門提供崗前培訓、事故演練等諸多業務的支撐融合。

數字孿生變電站充分挖掘現有系統數據，輔助運檢、調度策略的制定，實現運檢策略的優化，最終構建“原始數據-設備畫像-分析挖掘-策略制定-資源優化”的數據資產應用體系，完善生產指揮決策體系，推動設備狀態全景化，數據分析智能化、生產指揮集約化，運檢管理精益化全面實現。

3 未來展望

目前處在低碳發展的新時代、遇到產業升級的新機遇、同時也是技術創新發展新機遇。經濟社會發展全面綠色低碳轉型，需進行高比例新能源和高比例電力電子裝備接入電網的穩定運行控制、超遠距離-跨區域-大容量特高壓直流輸電、儲能技術等重點技術的技術創新實踐；進行數字孿生電網-人工智能等技術應用引領。實施創新驅動，打造數字孿生電網，增強構建新型電力系統、實現雙碳目標的科技支撐力和產業帶動力。

通過依托三維設計實現成果升級、激光點云、傾斜攝影等技術創新手段實現三維建模；在不調整之前系統架構的基礎上，根據需要加裝增強傳感器和采集終端，集成原數據，實現數字化交付成果與實際生產數據建立鏈接；利用全景化技術展現運行數據及狀態變化，增加沉浸感和互動性；進行推演仿真，實現設備狀態監測、風險評估、故障預警、故障診斷和輔助決策。數字孿生技術通過這4個步驟可優化設備檢修頻率、電力設施配置、聯絡開關投切、相間負荷調整等運營策略，進而為員工提供科學化的決策依據。

當前，數字孿生在電網領域的應用場景還是“碎片化”的單點示范工程為主，功能上以監測為主。隨著物聯網、大數據、人工智能、云計算等新型技術的飛速發展和深度融合，數字孿生電網的建設應用將取得突破，未來數字孿生電網將呈現出精細化管理、系統化應用、智能化決策、普遍化應用、開放化共享等五個趨勢。

精細化：隨著數字孿生電網的發展，未來電網內每一臺設備，甚至每一個部件都會有其對應的數字孿生并貫穿于全壽命周期，以滿足相關業務精細化管理的需求；系統化：未來數字孿生電網將打破原有的“碎片化”建設應用方式，會把所有設備級數字孿生、部件級數字孿生有機整合到一起，形成整個電網的數字孿生，為精確把握整個電網的實時狀態和發展趨勢提供支撐；智能化：隨著人工智能技術的發展，數字孿生電網的智能化水平將大幅度提升，不但準確預測電網的發展趨勢，還能自動做出合理的應對措施，為電網的穩定經濟運行提供決策依據。

普遍化：隨著物聯網、大數據、人工智能等技術的日漸成熟，構建數字孿生的成本將會顯著降低，數字孿生將會在電網領域得到普遍應用，并在電網的規劃、設計、建設、運維等環節發揮強有力的支撐作用。開放化：隨著數字孿生城市和數字孿生電網的建設與發展，兩者相互融合將成為必然趨勢，數字孿生電網會呈現出較強的開放性，其將于數字孿生交通、數字孿生建筑、數字孿生水務等交叉融合，共同為數字孿生智慧城市提供支撐。

結論：能源革命與數字革命的加速融合，使能源電力行業數字化轉型成為趨勢；展望未來數字技術必將深刻改變能源電力系統的功能形態和生產管理模式；能源電力企業的未來數字化轉型將持續加快推進技術創新，助力新型電力系統和能源互聯網建設，帶動產業鏈上下游，共同發展，服務碳達峰、碳中和目標實現。