數字孿生技術在智能電網中的應用分析

摘要：將數字孿生技術運用在智能電網中能夠實現電網建設的穩定化運行、全方位感知和網絡化連接。借助數字孿生技術，可以完成智能電網由實體狀態到虛擬空間的投射，推動智能電網建設管理模式的發展與轉型。通過分析智能電網數字孿生技術的架構與特點，探索了數字孿生技術在智能電網領域中的應用路徑，闡述了切實可行的技術應用策略，旨在發揮數字孿生技術優勢，促進智能電網轉型升級。

關鍵詞：數字孿生技術"智能電網"技術架構"創建孿生模型

Application"Analysis"of"Digital"Twin"Technology"in"Smart"Grid

HAN"Dong

Jilin"Railway"Technology"College，"Jilin，"Jilin"Province，"132299"China

Abstract："The"application"of"digital"twin"technology"in"smart"grids"can"achieve"stable"operation，"all-round"perception，"and"networked"connection"of"power"grid"construction."With"the"help"of"digital"twin"technology，"the"projection"of"smart"grid"from"physical"state"to"virtual"space"can"be"completed，"promoting"the"development"and"transformation"of"smart"grid"construction"and"management"mode."By"analyzing"the"architecture"and"characteristics"of"digital"twin"technology"in"smart"grids，"this"paper"explores"the"application"path"of"digital"twin"technology"in"the"field"of"smart"grids，"and"elaborates"on"practical"and"feasible"technical"application"strategies，"aiming"to"leverage"the"advantages"of"digital"twin"technology"and"promote"the"transformation"and"upgrading"of"smart"grids.

Key"Words："Digital"twin"technology;"Smart"grid;"Technology"architecture;"Creating"twin"models

數字孿生技術是一種新興技術，是建設智能電網的重要手段之一，因具有信息化、自適應、可擴展等特點而受到廣泛關注。依托數字孿生技術構建新型電網結構，形成快速響應、多維立體模型的電網運維管理模式，有利于提高供電質量、電網可靠性與綜合管理水平，進一步推動我國電力行業邁入全新發展階段。同時，數字孿生技術可以將真實系統的物理模型和數學模型結合起來，實現虛實融合，為實時模擬、可視化、優化和決策提供新的手段和思路。為此，在智能電網發展過程中，應充分發揮數字孿生技術優勢，技術人員要明確數字孿生技術架構和特點，合理運用該技術提高電網精細化管理水平，優化電網運行方式，提高電網安全穩定性和可靠性，實現供需側管理的互動協同。

1"智能電網中數字孿生技術的概述

1.1智能電網中數字孿生技術的分析

數字孿生技術以物理模型為依據，在智能電網投運階段，匯總整理海量數據信息，包括用電量統計數據、電力電子設備運行數據、歷史數據，建立孿生模型，在虛擬數字空間內完成映射過程，保持控制對象虛擬模型與真實狀態的完全一致，準確預測目標事件后續發展情況，結合當前情況做出科學決策。簡單來講，數字孿生技術以數字表達、持續更新、洞察分析作為核心要素。其中，數字表達是通過三維實景模型、設備參數化模型來直觀呈現電網運行狀況；持續更新是通過現場采樣數據來覆蓋模型歷史數據，確保模型屬性與控制對象實際情況完全一致；洞察分析是根據已知信息，推演目標事件后續發展過程，做出科學決策[1]。

1.2智能電網中數字孿生技術架構

1.2.1物理電網

將集中電源與分布式電源相互結合，以滿足差異性負荷需求為目標，形成結構復雜、多設備的信息物理系統，系統內所有物理元素數字都具備唯一性，單項元素用于描述特定信息負責優化資源要素配置、接受反饋虛擬電網控制指令。

1.2.2感知層

現場配備多種類傳感器和智能儀表，在電網運行期間采集現場監測信號，對信號進行預處理，轉換為可識別數字量，準確掌握單臺設備、各套子系統與電網總體運行工況，判斷實際工況與理想工況是否一致。

1.2.3傳輸層

采取光纖、總線、蜂窩無線等通信方式，在物理電網、虛擬電網間形成穩定的通信通道，將現場監測信號發送給虛擬電網，再向物理電網下達決策分析結果與控制指令。

1.2.4數據層

打造電網全要素、管理業務的數字化載體，構建數學模型，依托模型高效開展電力營銷、電網調度等各項業務活動，并對海量數據進行融合、挖掘處理。

1.2.5平臺層

構成虛擬電網的操作界面，界面上存在遠程遙控、在線檢測、狀態預測等功能欄，工作人員可通過操作界面來掌握電網運行情況、手動下達控制指令。

1.3智能電網中數字孿生技術的特點

1.3.1實時性

建立物理電網實體要素和虛擬電網孿生模型間的映射關系，實體要素所產生的各項數據信息第一時間反饋給孿生模型，更新模型屬性狀態，確保二者是否保持一致，避免因模型更新不及時而造成誤導決策。

1.3.2可視化

將智能電網運行情況、方案計劃實施效果以可視化形式進行直觀呈現，如通過參數化設備模型信息，準確反映目標設備的運行方式、運行參數等情況，有利于加深工作人員對電網狀況的了解程度。

1.3.3多源數據融合

在物理電網運行期間持續產生多種類型的數據信息，包括結構化數據、半結構化數據等，虛擬電網對多種數據源進行融合處理、集成利用，通過增加數據總量來提高控制精度，基本不會出現數據沖突、丟失等問題。

2"數字孿生技術在智能電網中的應用策略

2.1創建孿生模型

數字孿生模型由三維實景模型、參數化設備模型兩種類型組成，不同類型模型的用途作用略有不同。三維實景模型以變配電站、長距離輸電線路、智能電網總體結構作為建模對象，運用無人機傾斜攝影測量等現代測繪技術，前往項目現場采集觀測數據，再把觀測數據導入專業軟件中，生成三維立體化的高精度實景模型，用于反映各套子系統、電網整體的現場環境與實時運行工況[2]。參數化設備模型則是以電網單體設備作為建模對象，掌握電網設備內部結構情況，在三維空間內搭建相同結構的設備模型，再設定模型屬性狀態，包括設備老化程度、運行方式，保持參數化模型與實體設備的映射關系，持續把設備實時運行數據傳輸到虛擬電網數據層，更新模型屬性信息。以變壓器數字孿生模型為例，實時數據與仿真數據包括運行狀態、氣隙磁密幅值、電流、電壓等。此外，在數字孿生模型創建完畢后，可以設立可信度、逼真度兩項指標，對模型質量進行評價打分。

2.2安全校核

在安全校核場景，以電網調度方式、運行計劃、重要業務作為校核對象，憑借數字孿生技術的決策分析能力，定期開展安全校核工作，對電網靜態潮流進行批量切片處理，準確揭示越限原因與時點，從而指導電網調度活動，提高調度合理性，改善電網運維情況。安全校核內容涵蓋超短期工況預測、現貨出清、日內計劃等方面，準確推演智能電網未來可能形成的風險隱患，科學制訂風險防范方案，降低風險系數。同時，通過安全校核，可以檢查電網在各種運行方式下的電壓穩定性，確保電壓在正常范圍內，避免電壓異常導致的設備損壞或電網不穩定。并評估電網在短路情況下的承受能力，確保在短路故障發生時電網能夠迅速恢復穩定?。?

2.3智能巡檢

隨著電網規模持續擴大，電力企業需依托數字孿生技術來搭建智能巡檢系統，具體可采取實景建模、無人機遙控巡檢、輕量化巡檢三種實現方式，根據巡檢要求、實際情況進行選擇。

2.3.1實景建模

搭建全部巡檢對象的數字孿生模型，模型屬性包括設計參數、施工數據、實驗數據、廠商數據，再通過現場配備的傳感器、探測器與攝像頭來采集現場運行數據和觀察電網設備外觀狀態，從數據信息中提取異常特征量，根據特征量識別分析結果，向工作人員匯報電網現場存在的異常問題、安全隱患，再由運維人員前往現場指定區域加以驗證。實景建模智能巡檢系統有著工作效率高、精準度高的優勢，但需要在現場配備大量感知設施，投資成本較為高昂，多用于大型智能電網，或巡檢要求嚴格的電網項目[3]。

2.3.2無人機遙控巡檢

借助無人機替代現場感知設施，系統自動控制無人機前往現場環境，或由工作人員遠程遙控無人機設備，拍攝各處巡檢對象的影像資料，從中提取異常特征量，判斷是否存在輸電線路覆冰、絕緣裝置破損等異常情況。無人機遙控巡檢方式足以滿足電網巡檢需求，無須因現場配備大量感知設施而提高投資成本，在技術、經濟層面具備可行性。

2.3.3輕量化巡檢

在虛擬電網內搭建巡檢對象的數字孿生模型，給巡檢人員配備智能移動終端設備，巡檢人員定期前往現場巡視檢查，無須肉眼察覺問題故障、判斷問題性質，而是操縱移動終端設備掃描巡檢對象，獲取運行參數、外觀狀態等信息，再把信息反饋給數字孿生模型加以分析，準確驗證故障問題。相較于其他智能巡檢方式，輕量化巡檢有著成本低廉、易于實現的優勢，僅需要構建數字孿生模型與更新巡檢設備，但巡檢工作效率的提升幅度有限，主要用于智能電網升級改造過渡階段。

2.4可視化運維管理

在可視化運維管理場景，首先，構建數字孿生模型，現場布置傳感器與攝像頭，傳感器包括溫度傳感器、濕度傳感器、電流傳感器等，以環境條件、設備運行參數作為采樣內容，持續采集現場監測信號。其次，把監測信號轉換為可識別數字量，數據匯總整理后，發送給虛擬電網孿生模型，實時更新模型屬性狀態，通過三維實景模型，向工作人員可視化呈現空間位置信息、靜態功能位置信息、現場視頻監控畫面和設備運行工況，工作人員可以遠程掌握全部電網設備的運行情況，直接制訂設備檢修等方案。以故障顯示為例，電網設備出現短路、超溫、斷路等運行故障后，在數字孿生模型上以特殊顏色符號來標記故障位置、顯示故障設備所處空間位置、區分故障影響區域和正常區域。此外，為保證現場監測數據具備全面性，數字孿生模型與實體設備情況完全一致，盡量在現場布置更多數量的攝像頭，或把攝像頭控制權限提供給虛擬電網，根據可視化瀏覽需求，遠程調節攝像頭方位角度，避免形成監控盲區[4]。

2.5故障自愈

在故障自愈場景，依托數字孿生技術來實現故障智能診斷、故障輔助維修兩項功能，以此來縮短故障持續時間、自愈合電網運行故障。

2.5.1故障智能診斷

可采取小波包變換算法，此項算法有別于傅里葉分析的全時段整體頻率特征信號，本質上屬于提供局部時段的頻域信息變換方法，在尺度函數、小波函數均滿足差分方程的前提下，對信號進行多層小波包分解，獲取小波系數與離散值，再經過歸一化處理，獲得能量分布特征矢量，順利提取信號特征。例如：在變壓器故障診斷環節，初始化診斷程序，在數字孿生模型內載入振動信號等故障數據，根據處理結果提取構建特征向量，把特征值提交給已經訓練完畢的故障模型進行診斷，最終在系統操作界面上通過彈窗展示診斷結果，準確判斷故障類型、描述故障形成原因、評價故障設備受損程度[5]。

2.5.2故障輔助維修

在數字孿生模型內導入故障數據與診斷報告，推演故障問題后續發展過程，判斷故障為臨時性故障或永久性故障。對于臨時性故障，采取故障設備停機重啟作為處理手段，重啟后即可恢復設備正常工況。對于永久性故障，虛擬電網直接制訂維修方案，依托孿生模型來論證方案可行性，再協助運維人員前往現場開展應急搶修工作。

3"結語

綜上所述，為保證智能電網安全平穩運行，切實滿足日益提高的用戶用電需求和電網運維管理需求，電力企業必須提高對數字孿生技術的應用力度，依托數字孿生技術打造新型智能電網，積極落實創建孿生模型、安全校核、智能巡檢、可視化運維管理、故障自愈等多項策略，從而創建電網數據閉環賦能體系，實現數字世界與物理世界互動、數字化運行電網，并且創建數字能源生態，為我國電力事業健康發展保駕護航。

參考文獻

[1]李景航.數字孿生技術在智能電網中的應用研究[J].電氣時代，2023（7）：34-37.

[2]鄒仕富.數字孿生技術在智能電網中的應用[J].石河子科技，2022（4）：16-18.

[3]王志鵬，蘭峰，趙勇，等.數字孿生技術在堅強智能電網中的應用探討[J].電氣應用，2021，40（6）：111-115.

[4]馬愛清，張成武，徐進帥，等.基于姿態估計的輸電線路帶電作業的人體數字孿生研究[J].高壓電器，2024，60（10）：21-32，53.

[5]黃文雯，韓璐，孫萌，等.基于數字孿生的數字電網建設[J].電子技術與軟件工程，2021（22）：215-217.