数字孪生技术在数字电网中的应用研究

张振丽

（兰州博文科技学院 电信工程学院，甘肃 兰州 730101）

党和国家高度重视数字化转型，在国家战略的指引和新兴技术的带动下，势必加速推进传统能源、制造产业向着信息化、数字化和智能化方向转型升级。随着领先企业商业模式向能源领域渗透，用户需求日趋多元化、关键技术日益成熟、信息传播形成的破窗效应，要求电网企业必须与时俱进，充分利用数字化技术，探索新的商业模式，提升客户体验，增加企业核心竞争力。近年来，数字孪生技术的发展和应用越来越广泛，其受关注程度上升到国家高度。

1 数字电网

数字电网主要是以云计算、大数据、物联网、移动端互联网、人工智能和区块链等各种新一代数字化技术作为发展的驱动力，以移动互联网和大数据作为关键制造要素，以现代电力网络和能源网络与新时代的信息网络相结合为基础，通过先进的数字技术和能源公司在业务、管理上进行了深度的融合，不断提高数字化、网络化、智能化的水平。它将物理电网的人、事、物在数字世界进行重构，实现能源流、价值流、信息流的高度融合。

数字电网是对事物的全周期进行数字化处理，基于实体化电网的物理世界上同构虚拟化电网的数字世界，并且在数字世界中采集其数字信息，最终构建新的运行模式，优化了物理世界的运行模式与管理手段。物理世界与数字世界两大平行系统虚实交互，数字世界驱动了物理世界高度智能化，物理世界可以依托于数字世界而衍生出可逆性的再生价值。数字化电网给我们带来了更多新的技术特点和新的应用场景，它们对我国经济发展的推动作用远远超出了技术的范畴，更加强调“数”。数字电网结构如图1所示。

图1 数字电网结构图

2 数字电网特征

数字电网具有本体安全、绿色消纳、平台赋能、数据驱动、开放共享和价值创造6大主要特征。

（1）本体安全：采用新型的数字化技术，构建了覆盖整个电网全生命周期的数字孪生式电网，并有效赋予电网智能化及稳定地运行；建立了分级防护，逐级验收认证的网络可信度高的安全防护体系，为用户提供了统一、可靠的网络安全保障。

（2）绿色消纳：利用新型的数字化技术，能够实现对能源的效力及电力系统供电负荷的精确预判，实现对分布式能源就地平衡的供应，提高数字电网对能源的消纳能力。

（3）平台赋能：基于平台化、中台化理念打造一体化的、覆盖内部生产经营管理的数字业务平台，实现业务数字化，全面支撑不断丰富的业务创新和场景化新需求。

（4）数据驱动：以企业全环节及能源产业链上下游的数据为生产要素，通过数字化技术，运用到企业生产经营过程中，不断做出正向的反馈，促进业务优化及流程再造。

（5）开放共享：以纵向连接电力产业链，横向集结能源生态链为基础通过数字化技术推动能源生态系统利益相关的开放共享，驱动能源行业全要素、全产业链、全价值链协同优化，深度互联，实现设施共享、数据共享、成果共享。

（6）价值创造：以电网设备重资产为生产要素，通过传输能量流实现对社会经济高质量的支撑；以电力数据轻资产为生产要素。

数据在虚拟终端上真实地映射了物理对象状态、位置等信息，从而实现了产品数字化，通过挖掘数据价值实现用户差异化服务、支撑政府决策，指数级地放大数据价值，繁荣数字经济和数字生态。

3 数字孪生技术

数字孪生是指由具有多种功能的物理终端产生的数字化“孪生双胞胎”，它使用了智能传感器、大数据分析、实时通信、人工智能等互联网技术，在虚拟终端搭建了一个与物理终端实时映射的“孪生”个体。

通过数字孪生，可以实现：（1）全面监控系统的关键参数，分析系统在非常规条件下的各种性能，如恶劣工作环境、存在加工误差、冲击载荷工况等；（2）利用数字孪生体模型进行虚拟化测试，缩短了测试和分析的时间，降低了测试与分析的成本，并可以根据虚拟化测试结果优化试验参数；（3）实现关键部件的可预测性维护和维修等。数字孪生结构如图2所示。

图2 数字孪生结构图

数字孪生并不局限于单纯的数值仿真或者机器学习技术。相对于传统的数值仿真方法，数字孪生系统与真实设备同步运行，所有数据都采自于真实设备，能够实时反映真实设备的动态变化；当真实设备发生变化时，数字孪生系统也有同步的表征，并向真实设备下达运维检修策略，提供智慧决策支撑；当数字孪生系统发现问题时，真实设备也可能存在异常，实现提前预警。

数字孪生技术的使用便捷和方便创新、更全面的智能故障诊断分析和预测能力、提高效率和生产力、全景可视化等优势，将有力推进数字化转型。

数字孪生技术体系涵盖感知控制、数据集成、模型构建、模型互操作、业务集成和人机交互6大核心技术。

数字孪生技术的应用领域包括电力领域、航空航天、汽车制造、船舶航运、城市管理、智慧农业、建筑建设、安全急救、健康医疗及环境保护等。

4 数字电网平台架构图

基于数字孪生的数字电网架构从下到上由物理电网、感知层、传输层、数据层、平台层和应用层组成，如图3所示。物理电网主要是指由清洁发电、智能变电、输电、配电及多样用电所组成的电力系统；感知层和传输层两者构建共同完成数字孪生的交互通信通道；数据层主要包括数据处理、数据融合、数据管理等，可完成物理电网的数字化建模仿真和数据处理；平台层主要包括数字建模、协同计算、精准控制等，可完成建模仿真及故障的精准预测；应用层主要包括企业运营、客户服务、电网运营、数字金融和数字生态等。每层之间相互配合，支撑数字电网中各项业务、服务和应用的顺利开展。

图3 数字电网架构图

基于数字孪生的智能电网技术要点主要包括业务数字运营、电力智慧大脑、电网数字建模、数据中心技术、异构通信技术和智能传感技术。业务数字运营即实现电网资源配置自动优化和自动导航，实现数字化运营管理；电力智慧大脑是完成智能决断、自我优化、虚实迭代的控制中心；电网数字建模反映了物理电网的系统构成、运行状况，是虚拟数字电网与实体数字电网之间转换的基石；数据中心技术是数据的处理、融合、管理、服务中心，实现数据的安全存储和管理、分析、读取，为平台的优化决策提供精确的数据；异构通信技术指在通信系统架构下，支持虚拟数字电网与实体数字电网映射、两者交互、共同优化，可实现物理电网的全周期数字化和全过程实时化；实时的智能传感技术对虚拟电网与物理电网的全息复制和动态调整至关重要。根据数字电网架构搭建的数字电网平台架构如图4所示。

图4 数字电网平台架构图

5 数字电网的影响

数字电网的发展将带来以下影响：（1）给传统电力系统的理论技术体系与研究方法带来基础性变革；（2）给传统电网技术架构与技术模式带来颠覆性变化；（3）将全面构筑基于先进信息化与数字化技术的关键技术体系；（4）在能源生产环节，将显著提升新能源发电的可观、可控能力和消纳利用水平；（5）在能源供给环节，泛布全网的传感终端将显著提升电网透明化水平，全域覆盖的信息通信网络将支撑海量物联终端形成广泛连接，支撑实现系统层面电网状态、设备状态、管理状态的全景透明；（6）在能源消费环节，数字电网将构建起更加灵活和柔性的用户能源配给平台。

6 结束语

数字电网将充分利用小微传感器、边缘计算、电力物联网和大数据挖掘等技术手段，构建具备云-边协同、海量数据处理、数据驱动分析及高度智能化决策等能力的电网平台。数字孪生的关键技术涉及数值建模与仿真、机器学习以及将信息连接起来的物联网、云平台等领域。今后，数字孪生技术将与人工智能、云计算、5G等新一代技术结合在一起，采用“云-网-端”的结构来推动数字孪生系统升级，使数字孪生系统应用在个人电脑、移动设备、可穿戴设备等多种前端设备中，实现现实世界与数字世界之间的“动态链接”和“双向传输”。数字孪生技术的应用领域与范畴还在不断发展，电力领域数字孪生的探索已经开始。最终将在电力系统各个环节实现广泛的应用，实现电网的数字化转型。