數字孿生技術在智能電網中的應用

（國網四川省電力公司互聯網部，四川成都市，610000）鄒仕富

在電網不斷發展的過程中，靈活化、特高壓和新能源為重點，從而改變傳統骨干電網結構。之后，實現基于新能源的新型電力系統創建，提高了電網運行規則復雜度、不確定性，以此創建快速精準響應、多維立體模型的電網安全監測系統。使用數字孿生技術能夠推演物理系統、監測評價、控制響應等信息，根據映射實現動態鏡像數字模型的創建，應用到電網復合建模中。以此，本文就分析基于數字孿生技術的智能電網設計。

1 智能電網數字孿生的技術架構

電網公司通過創建電臺GIS平臺、用電信息采集系統和數據中臺等平臺，能夠進一步提高電網的數字化水平，為電網數字孿生建設打下基礎。智能電網數字孿生技術架構詳見圖1，智能配電網臺區的變壓器、配電線路等設備實現數字孿生架構物理層的創建；利用數據中臺、采集裝置、傳輸網絡的數據集成層實現配電網的數據傳輸、收集和存儲，創建數據層；在數據中臺分析服務層封裝計算分析模型，構成數字孿生架構模型層；利用臺區拓撲圖、信息系統用戶界面創建展示層；針對不同功能微應用群創建功能層。

圖1 智能電網數字孿生技術的架構

1.1 物理電網

物理電網使用分布式電源和集中電源結合實現功能，基于差異性負荷需求與多市場主題博弈創建復雜結構、多設備的高維信息物理系統，具備隨機不確定性、部分客觀策行、時變非線性，通過標準控制接口與數字化標識實現虛實互動入口的創建。電網中的所有物理元素數字標識是唯一的，使多屬性感知信息收集、數據集成和決策指令執行相互融合。利用所有要素實現標準化控制信息接口的創建，并且接收虛擬電網反饋控制指令，對資源要素進行配置。

1.2 感知層

針對應用場景與感知需求的不同，實現數字電網創建感知體系，利用廣發部署邊緣計算機能力、精準感知能力的傳感器、儀表、采集器等感知設備收集各種數據，創建大規模、協同化、大范圍的感知系統。根據定向點招、局域組網、動態廣播通過感知設備對信息進行收集，利用統一收集整合電網動態數據，創建感知布局。利用感知層實現分析、處理等能力，并且實現自我管理，通過優化結果、自我組織等進行上傳交互。

1.3 傳輸層

傳輸層指的是電網雙向安全可靠傳輸的通道，物理不同世界的虛實協同運行模式，實現可靠、終端接入的物理通信網絡創建，從而提供廣覆蓋、大連接的數據傳輸。結合WLAN、光纖和蜂窩無線的通信結構，根據高速電力泛在通信網實現多維信息的獲取、協同、傳輸和匯聚。傳輸層處理信息，進一步提高網絡資源的調配能力，從而實現根據實際需求設置，部署安全網絡、設備，有效滿足不同級別的業務安全需求。

1.4 數據層

通過數據中臺根據數據層實現電網全要素、流程與業務數字化載體的創建，數據層能夠實現規劃、營銷、調度等業務，實現波形庫、影像庫、文本庫等資源的創建，創建不同終端、系統的監測數據、工單數據和業務流程的壁壘。挖掘融合數據、集成數據，觀察電網不同業務決策、反饋、執行的觀察，將電力系統的特征進行提取。

1.5 平臺層

基于集成數據、信息特征、知識圖譜，要創建物理電網、運行行為和設備終端的模型，創建精準映射虛擬電網優化決策平臺。通過平臺層創建推理、學習、記憶、挖掘的電力大腦，構成具備知識計算、概念識別、運行執行的支撐電力，將數據分析和知識引導結合，實現虛擬電網、物理電網的協同優化。通過虛擬電網創建物理電網的模型，從而實現辯證解析、挖掘分析和模擬推演。物理電網能夠執行運行指令，根據感知層反饋響應結果，虛擬電網根據相應的結果對決策機制、模型參數與映射關系的調整有所影響。

2 數字孿生在智能電網中的使用

數字孿生技術應用到智能變電站中指的是站控層網絡中以站內電力設備的種類創建虛擬系統，并且和真實電力設備利用映射相互關聯。虛擬系統的運行情況和真實設備是一樣的，操作人員利用虛擬平臺能夠得到現場設備的運行情況。利用數字孿生技術創建虛擬世界與現實世界一樣的智能變電站。

2.1 創建孿生模型

孿生技術應用到智能電網中的重點就是創建孿生模型，孿生模型具有現實中電力設備的特點。模型設計主要包括物理模型、工程模型、幾何模型、組合模型和邏輯模型，此模型利用輕量化設計，具備三維模型效果，方便電力設備的全方位展示。幾何模型指的是電力設備幾何機構模型的創建，圖2為孿生模型。

圖2 孿生模型

2.2 日方式潮流切片安全校核

調度方式、運行業務和計劃為日方式靜態潮流的安全校核業務，會改變運行方式，只能夠對典型、極大或者極小的進行校核，利用指導的方式實時調度，在電網運行安全調整狹窄，輔助服務、現貨交易、新能源波動等隨機因素使以上矛盾加劇。根據安穩規定電子化平臺作為尺子，能夠安全校核電網潮流批量執行切片，對越限原因、時點進行精準分析。對于未來的日常方式，能夠逐點、逐日推演日前的發電計劃是否合理，對日前計劃精準調整，實現電網建設、規劃和運維。針對未來日內方式，和分布符合超短期預測、日內計劃、現貨出清等結合，實現實時電網風險進行推演，對降風險措施輔助分析。

2.3 斷面控制限額匹配

在大電網運行過程中會出現斷面潮流聯動控制，或者某個通道潮流按送、受端等因素分檔控制的問題，從而使同個斷面存在多套聯動安慰限額。針對某潮流方式，對電子化平臺實現聯動斷面限額的安全保證。以此，嵌入式目標指向尋優算法，優化配電網安全邊界，對跨大區域電網安全區域進行自動決策。

2.4 調度操作安全校核

電網調度實現計劃性、機動性的業務，重點為操作的安全性。要求調度員實現先算后停，利用預演操作票對安全風險進行校核。在多操作票執行過程中，涉及了多方式的限額變更、方式改變等，在進行過渡時具備安全越限無法被發現，安全校核的壓力比較大。

在安全規定電子化平臺中設置檢修方式的控制限額，執行操作模擬之后存在判斷越限的問題，構成安全調度操作方案。對于安全校核的機制，實現以越線風險為基礎的調度操作計劃設置，實現未來智能調度平臺的設計。

2.5 故障預案自動編排

調度應急管理的重點為編排故障，具有較大的任務量，使用周期短、應用率低。針對預想故障靜態潮流仿真，能夠以策略優化實現傳統故障預案進行編寫，無法對適應性、準確性和可行性進行保證。針對在線平臺預案校核技術，利用潮流靈敏度的關系編寫精準預案。但是因為潮流安全限額匹配和越限判斷等問題，放緩了用化進程。

安穩規定電子化平臺能夠有效解決上述問題，使任意故障將安全穩定電子化平臺作為安全校核工具，對斷面、設備越限提供緊急控制。安全規定電子化平臺充分展現安控系統、區外關聯一次設備故障，動態匹配安全限額實現輔助決策和越限判斷。

3 結語

在現代數字化時代不斷發展的過程中，能夠根據數字孿生理論分析數字電網的特征，對數字電網體系架構和體系進行研究。數字電網能夠利用支撐技術、物理電網和孿生電網實現電網生態系統的創建，還是未來智能電網創建的重點，能夠實現電網數字化的發展。