1.引言

電力數字孿生（digital twin of power systems，PSDT）是電力系統在數字孿生背景下的衍生產物，與傳統意義上的電力系統仿真不同，數字孿生體具備獨立于物理實體的模擬推演能力，根據現實狀態的變化不斷修正，通過雙向數據交互保持與物理實體間狀態同步運行，并預測物理實體發展趨勢，篩選最優控制策略，在時間、空間尺度上孿生體與物理實體實現動態耦合、同步共生。在以數字化、網絡化、智能化為核心的“工業4.0”背景下，數字孿生以其深度融合新一代信息技術與數字模型的理念引發工業界和學術界的關注。通過物理對象與虛擬模型的交互，數字孿生能夠刻畫物理對象的多維屬性、實際行為和狀態，分析物理對象的未來發展趨勢，實現對物理對象的監控、仿真、預測、優化等功能服務。數字孿生作為一項新興并迅速發展的數字信息化技術，為推進電網建設全方位感知提供了新的思路為滿足人民美好生活用電需求提供堅強保障。

2.電力行業的數字孿生架構

電力行業數字孿生建立了電力系統物理實體與虛擬電力系統同生共存、虛實交融的電力行業形態。電力行業數字孿生技術架構從專業、過程與全壽命周期三個維度介紹了電力數字孿生對象及其之間的關系。電力系統數字孿生的三維結構及各維度所包含的主要組成部分如圖1所示。

圖1 電力數字孿生技術架構

其中，專業維度包括發電、輸電、變電、配電、用電、儲能及調度；過程維度包括感知層、通信層、數據層、算法層、模型層、能力層、應用層；全壽命周期維度包括規劃、設計、制造、建設、運維、退役。

3.電力數字孿生過程維度及其關鍵技術

3.1感知層

感知層作為設備與上層之間的紐帶，確保上層深層次感知電力裝備運行狀態，同時將上層應用控制指令下發至設備，驅動設備執行上層指令，并將控制結果反饋至上層。該層所涉及的關鍵技術主要包括數據感知技術、霧計算技術等,云-邊-端協同多源數據感知技術路線如圖2所示。

圖2 云-邊-端協同多源數據感知技術

3.2通信層

通信層支持感知層設備與上層在數據交互、指令下達、指令執行結果反饋等環節的信息傳輸。感知層與上層傳輸的信息需要通信層支撐。通信層應支持感知層各類設備的數據格式與通信協議，確保感知層所感知的數據可以準確無誤的傳輸至上層；同時通信層應支持感知層設備的控制協議，確保上層控制指令可以正確調控設備。該層所涉及的關鍵技術為分布式實時通訊技術,分布式實時通訊技術路線如圖3所示。

圖3 分布式實時通訊技術

3.3數據層

數據層將感知層所感知的數據通過通信層接收并存儲，形成數據中心，對算法層提供數據服務。針對電力信息中存在非結構數據的特點，數據層采用多源異構數據融合技術進行數據處理,多源異構數據融合技術原理如圖4所示。

圖4 多源異構數據融合技術

3.4算法層

算法層通過獲取數據層處理后的數據，針對不同目標，集成相應的算法，實現對數據的分析。算法層具備算法集成、算法框架搭建及算法管理等功能。該層涉及的關鍵技術包括各種編程語言實現基礎庫的調用技術。

3.5 模型層

模型層作為數字孿生技術框架的核心，既包括外觀上的孿生模型，又包括能夠分析感知層獲取的數據進而對數據源設備的工作原理進行孿生。外觀孿生模型稱為幾何模型，工作原理的孿生模型稱為機理模型。機理模型可由仿真分析或機器學習獲得。該層所涉及的關鍵技術包括混合建模技術與復雜系統的高效仿真技術等。

3.6能力層

能力層也稱服務層，針對模型層的功能進行接口封裝或服務提煉，是數字孿生技術框架中服務能力的體現，是為應用層中針對生產維度或全壽命周期維度提供服務的基礎服務群。該層具備實時感知、虛實互動等功能，所涉及的關鍵技術包括虛實迭代技術等，虛實迭代技術如圖5所示。

圖5 虛實迭代技術

3.7應用層

應用層針對不同生產維度和全壽命周期維度對應用場景提供服務，從規劃設計維度、智能制造維度、設備運行與檢修等維度提供定制化的應用服務。該層涉及的關鍵技術包括智能決策技術等，智能決策優化技術路線見圖6所示。

圖6 智能決策優化技術

4.數字孿生下的電能生產、傳輸、使用及存儲

建立電力系統數字孿生模型，一方面，有利于實現孿生空間的自治，有利于孿生電網的建設與發展；另一方面，也為電力系統物理實體的安全運行提供基礎保證。電力系統發、輸、變、配、用的各個環節都有相應的數字孿生體與之對應，這是數字孿生下電力生產的必然發展。

4.1發電

在發電領域，數字孿生可還原發電廠的生產實景，可在電廠實體空間中觀察各類生產經營業務、搜索各類信息，實現對電廠的規劃、建設以及對電網影響的分析，根據物理電廠建立相應的虛擬電廠模型，并通過軟件模擬電廠生產中，人、事、物在真實環境下的行為。對發電廠可能造成的異常及事故進行預警，并給出切實可應對措施。

4.2輸電

基于5G物聯網的數字孿生智能輸電線路運檢應用系統，實現虛擬全景交互、故障自診斷與推演、安全監管、智能輔助決策處置等。實現輸電線路全息模型多維展示、運檢人員及智能設備管理、設備狀態遠程運維、智能作業輔助、人員作業安全防護、作業情況及設備狀態綜合評估等功能，滿足輸電線路后臺遠程運維，作業實時安全監護，智能運檢應用等需求，提高工作效率，降低作業成本。

4.3變電

基于數字孿生技術的智慧變電站，以“數字孿生”技術理念為抓手，結合人工智能算法、大數據分析、IOT等技術助力變電站數字化轉型升級，確保變電設備全生命周期管理更加專業、日常巡檢工作更加智能高效，綜合變電設備參數、試驗報告、運行狀況等資料，建立與實體裝置高度相似的模型，實現對變電站全壽命周期的管制，確保故障預警、診斷、處理更加及時、專業，預防變電站故障發生，及時解決運維問題，以切實提升運維工作效率，減少人力、物力投入，夯實能源互聯網基礎，實現變電站設備智能化、運維管理精益化與業務數字化。

4.4配電

配電數字孿生體，由架空線路、桿塔、電纜、變壓器、開關、無功補償設備等配電裝置的虛擬數字模型構成。通過全面大量實時數據，配電數字孿生體可以反映配電網單一設備及其整體在全生命周期內的變化，從而實現與實體配電網信息、動作的交互，同時也可以支持應用系統實現數據智能分析、動態決策及互感協作等。

4.5用電

用電數字孿生系統通過地理信息系統數據、電網拓撲數據、電力用戶信息、用電數據與負荷信息，結合用戶、行業、時間等多維信息進行用戶用電行為分析。用電數字孿生體結合新型電力系統建立用電模型，實現用電負荷在地圖實例化、動態化、多形態可視化的展示，解決用電實體的不確定性及供電實體配電的復雜性。用電數字孿生體是數字信息時代的產物，同時聯動發電、輸電、變電、配電領域數字孿生的應用成果，使電力生產實現完整閉環。

4.6儲能

為構建新能源比重逐步增加的新型電力系統，需強推“新能源 儲能”、支持分布式新能源合理配置的儲能系統。同時，還應大力發展源網荷儲一體化及多能互補。通過源源互補、源網協調、網荷互動、網儲互動與源荷互動提高電力系統功率動態平衡的能力，是構建新型電力系統的重要發展路徑。

4.7調度等支撐體系

數字孿生調度系統可以解決目前調度自動化不完善、“大電網”安全調度難度大等技術難題，通過建立數字孿生新型電力調度系統，準確預測突發情況，提高發電、用電環節的調節能力、電網側資源的配置能力，以及各類能源的互通性與靈活性，降低電網耗能水平，提升整體效率。隨著可再生能源接入電網運行，大容量負荷迅速增加，電網規模不斷擴大，電力系統運行方式日益復雜，電力調度工作面臨著嚴峻挑戰。目前電力系統的調控工作仍依賴于人工方式，缺少專業的輔助分析決策工具，無法高效、最優化統籌安排各種資源，抗風險能力不足，亟待數字孿生技術來實現電網變化的實時識別、預警、輔助決策、風險評估預防等能力。數字孿生技術將進一步探索在電力調度領域的發展，實現基于數字孿生的的實時仿真系統，賦能新型電力系統調度建設與運行管理。通過數據全域標識、狀態精準感知、數據實時分析、模型科學決策、智能精準執行，實現電力調度系統的模擬、監控、診斷、預測與控制，提高電力調度系統物質資源、智力資源、信息資源的配置效率。

5.數字孿生下的電力全生命周期

5.1規劃階段

電網規劃應同步規劃建設數字孿生電網，電網中實體設備須在數字孿生電網中建立唯一孿生體，孿生體與實體設備可實現信息交互與共享；數字孿生電網具備的全息模擬、動態監控、實時診斷、精準預測等功能，可通過數字孿生電網與實體電網的交互接口，完成實體電網的監控、診斷、預測和控制，實現電網虛實互動、孿生并行及以虛控實。

5.2設計階段

根據數字孿生電網建設規劃，完成各項功能設計，建立變電站、輸電線路、配電網及實體設備的孿生模型，將實體設備孿生體配置在數字孿生電網中，實體電網與數字孿生電網一一對應。在設計時，數字孿生電網與實體電網具備交互接口，可實現二者的信息交互與共享。實體電網、設備與數字電網、孿生體具備隔離能力，以避免模擬操作的影響。

5.3制造階段

企業應根據實體企業生產制造工藝流程建立生產設備的孿生體模型，各生產要素（設備、試驗、圖紙、材料、流程、工藝、環境、服務等）在實體和孿生體模型中滿足同一約束條件，可以通過感知、測量、控制設備實現設備實體與孿生體模型的信息交互、數據共享；可以通過孿生體模型中數據、參數的調整，實現實體設備的調整。在設備出廠時，實體設備的孿生體模型提供采購方。實體設備應配備物聯網標簽，作為實體設備與孿生體間的聯系紐帶。

5.4建設階段

企業應同步規劃建設數字孿生電網，在數字孿生電網中全面導入各種實體設備的孿生體模型、數據、圖紙，將工程建設過程中的項目建設施工、設備安裝調試、竣工驗收以及投運轉資等信息，包括安全、質量、進度、成本、技術、風險等以結構化數據固化到設備孿生體，并建立各種設備間的相互關系，配套建設所需的感知、測量、控制設備的硬件及軟件，實體電網設備與數字孿生體模型同步建成，實體電網與數字孿生電網同步驗收、投運。

5.5運行階段

數字孿生電網與實體電網虛實同步運行，企業應將實體設備運行檢測、維護檢修、應急搶修等業務過程信息同步至數字孿生電網孿生體，實體設備感知、測量、控制設備獲取信息與孿生體模型數據共享；數字孿生電網以實際業務需求為導向，可模擬實體運行（孿生模型應具備隔離能力），提供適時態勢感知、未來研判預演。孿生模型應具備修正、控制能力，通過電網數字孿生模型與實體電網的交互接口，調整孿生模型完成實體設備控制、狀態修正、數據調整，實現數字孿生電網與實體電網的虛實融合。

5.6退役（再利用）

同步在數字孿生電網中完成其數字孿生體退役，通過孿生體匯聚信息輔助開展退役設備技術鑒定工作。鑒定結果為報廢設備同步完成其數字孿生體存檔工作，再利用設備須在使用時應同步完成其數字孿生體對應關系調整，同時存檔對應關系。

6結束語

在新形勢、新機遇、新挑戰下，開發數字孿生技術體系已成為電力發展的必由之路。推動電力行業數字孿生關鍵技術攻關，構建電力行業數字孿生產業生態，能夠促進新能源廣泛應用方面的技術和產業升級，可為能源數字經濟的可持續發展奠定堅實的技術基礎。目前，雖然電力行業數字孿生仍處于非連續的單點應用階段，但是隨著物聯網、大數據及云計算等技術的迅速發展與深度融合，電力行業數字孿生在智能化、互動化方面的優勢已初露端倪，必將在未來取得實質性突破。

來源: 電力行業數字孿生技術:徐波、楊國鋒等著