數(shù)字孿生技術(shù)在交直流配電網(wǎng)的應(yīng)用研究

湯清權(quán)，陳冰，鄧文揚(yáng),江金群

(1.智慧能源工程技術(shù)研究中心(華南理工大學(xué) 電力學(xué)院)，廣東 廣州 510641；2.廣州市奔流電力科技有限公司，廣東 廣州 510635)

當(dāng)前，以云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)為代表的信息化浪潮席卷全球，也推動(dòng)著數(shù)字孿生(digital twin，DT)技術(shù)的發(fā)展，影響著配電網(wǎng)規(guī)劃、建設(shè)與發(fā)展[1]。數(shù)字孿生的理念可追溯到1969年，其明確概念則普遍認(rèn)為是在2003年由美國(guó)密歇根大學(xué)的Michael Grieves教授提出，當(dāng)時(shí)被稱(chēng)為“與物理產(chǎn)品等價(jià)的虛擬數(shù)字化表達(dá)”。在2003—2005年間，數(shù)字孿生一直被稱(chēng)為“鏡像的空間模型”，2006—2010年被稱(chēng)為“信息鏡像模型”。美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室與NASA在2011年開(kāi)展合作，提出了飛行器的數(shù)字孿生體概念，數(shù)字孿生才有了明確的定義。

數(shù)字孿生是以數(shù)字化的方式創(chuàng)建物理實(shí)體的虛擬模型，借助數(shù)據(jù)模擬物理實(shí)體在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的行為，通過(guò)虛實(shí)交互反饋、數(shù)據(jù)融合分析、決策迭代優(yōu)化等手段，為物理實(shí)體增加或擴(kuò)展新的能力。作為充分利用模型、數(shù)據(jù)、智能并集成多學(xué)科的技術(shù)，數(shù)字孿生面向產(chǎn)品全生命周期過(guò)程，發(fā)揮連接物理世界和信息世界的橋梁和紐帶作用，提供更加實(shí)時(shí)、高效、智能的服務(wù)[2]。

隨著工業(yè)4.0、智能制造等技術(shù)和發(fā)展戰(zhàn)略的不斷出臺(tái)，數(shù)字孿生技術(shù)逐步成為智能制造的基本要素，得到了普遍關(guān)注。洛克希德馬丁公司于2017年11月將數(shù)字孿生列為2018年未來(lái)國(guó)防和航天工業(yè)頂尖技術(shù)之首[3]；英國(guó)國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施委員會(huì)于2017年12月發(fā)布《數(shù)據(jù)的公共利益報(bào)告》，提出創(chuàng)建1個(gè)與國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施相對(duì)應(yīng)的數(shù)字孿生體，并于2019年1月啟動(dòng)相關(guān)計(jì)劃[4]。

數(shù)字孿生技術(shù)的快速發(fā)展也影響著配電網(wǎng)規(guī)劃、建設(shè)與管理。通過(guò)在計(jì)算機(jī)上映像疊加1個(gè)虛擬配電網(wǎng)，充分利用現(xiàn)有配電網(wǎng)中較完善的數(shù)據(jù)采集和通信等基礎(chǔ)設(shè)施，形成虛實(shí)結(jié)合、孿生互動(dòng)的配電網(wǎng)發(fā)展新形態(tài)。

在國(guó)內(nèi)，數(shù)字孿生技術(shù)在電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中已得到應(yīng)用。2019年6月，天津?yàn)I海新區(qū)中新天津生態(tài)城的110 kV游樂(lè)港智能變電站完成全息模型建設(shè)，邁出數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用的第1步[5]。2019年10月18日，在第六屆世界互聯(lián)網(wǎng)大會(huì)上，新投運(yùn)的烏鎮(zhèn)“互聯(lián)網(wǎng)之光”博覽會(huì)新展館10 kV配電房運(yùn)用數(shù)字孿生技術(shù)，構(gòu)建了與真實(shí)場(chǎng)景無(wú)縫匹配的虛擬場(chǎng)景；運(yùn)維人員通過(guò)“孿生”變電站輕松獲取并分析處理各類(lèi)運(yùn)行數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站的全域和全生命周期管理[6]。2020年7月1日，位于上海臨港地區(qū)的110 kV博藝變電站作為首個(gè)試點(diǎn)項(xiàng)目交付使用，能夠隨時(shí)查看該變電站的設(shè)備狀態(tài)、關(guān)鍵狀態(tài)量、遙信遙測(cè)數(shù)據(jù)以及環(huán)境數(shù)據(jù)等重要信息，甚至隨時(shí)讀取試驗(yàn)報(bào)告[7]。

目前，國(guó)內(nèi)在柔性直流配電及交直流混合配電方面取得了重大的進(jìn)展，建成了一系列示范工程[8-9]。2018年9月，貴州大學(xué)建成國(guó)內(nèi)首個(gè)中壓五端柔性直流配電示范工程，該工程融合交流配電網(wǎng)、直流微電網(wǎng)、交流微電網(wǎng)、分布式電源和電動(dòng)汽車(chē)充電站為一體的柔性交直流互聯(lián)配電網(wǎng)[10]。2018年12月，世界上規(guī)模最大的多端交直流混合柔性配電網(wǎng)互聯(lián)工程在廣東珠海成功投運(yùn)，該工程采用柔性中低壓直流配電結(jié)構(gòu)，由3個(gè)柔性直流換流站和1個(gè)直流微電網(wǎng)構(gòu)成，并作為國(guó)際首個(gè)多電壓等級(jí)交直流混合配電網(wǎng)示范工程，致力于打造“基礎(chǔ)設(shè)施智能化、信息流動(dòng)充分化、生產(chǎn)消費(fèi)互動(dòng)化”的能源互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)圈，構(gòu)建具有廣泛示范意義的“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源新模式，形成了柔性直流配電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)外的空白[11]。

目前，交直流配電網(wǎng)的建設(shè)開(kāi)展雖然較多，但隨著配電網(wǎng)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，交直流配電網(wǎng)數(shù)字孿生系統(tǒng)將具有巨大的應(yīng)用空間?；诖?，本文宏觀分析發(fā)展交直流配電網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)，在技術(shù)層面分析交直流配電網(wǎng)數(shù)字孿生系統(tǒng)發(fā)展的可能性；主要探討數(shù)字孿生在交直流配電網(wǎng)的主要作用及其在配電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)管理、數(shù)字化代運(yùn)維和新能源消納3個(gè)方面的價(jià)值；提出交直流配電網(wǎng)數(shù)字孿生的應(yīng)用架構(gòu)，分析交直流配電網(wǎng)數(shù)字孿生系統(tǒng)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)；最后對(duì)未來(lái)交直流配電網(wǎng)數(shù)字孿生系統(tǒng)的前景進(jìn)行展望。

1 面向交直流配電電網(wǎng)的數(shù)字孿生技術(shù)的需求分析

1.1 宏觀需求分析

隨著分布式電源的發(fā)展，越來(lái)多的分布式電源接入配電網(wǎng)中[11]，但是光伏電源、儲(chǔ)能單元產(chǎn)生的電能大部分為直流電，常用的電氣設(shè)備及大型直流負(fù)荷，如計(jì)算機(jī)、空調(diào)設(shè)備、制冷設(shè)備、電動(dòng)汽車(chē)等大部分設(shè)備在直流電狀態(tài)下工作，直接采用直流供電，減少變流環(huán)節(jié)，提高配電的電能利用率及經(jīng)濟(jì)性。直流配電網(wǎng)在供電容量、線路損耗、電能質(zhì)量、無(wú)功補(bǔ)償以及適于范圍等方面都明顯優(yōu)于交流配電網(wǎng)[8]。但是目前，一方面交流配電技術(shù)成熟，市場(chǎng)成熟，另一方面，柔性直流配電技術(shù)仍處于起步階段，在實(shí)際應(yīng)用中仍有問(wèn)題待進(jìn)一步的研發(fā)解決，例如根據(jù)城市發(fā)展規(guī)劃和資源特點(diǎn)如何利用好柔性直流配電網(wǎng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，如何保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，柔性直流配電網(wǎng)的運(yùn)行方式進(jìn)一步細(xì)化等；因此，本文認(rèn)為發(fā)展交直流配電網(wǎng)是交流配電網(wǎng)向直流配電網(wǎng)過(guò)渡的一個(gè)階段?，F(xiàn)階段國(guó)內(nèi)交直流示范工程方面取得較大進(jìn)展。2019年12月26日，張北柔性變電站及交直流配電網(wǎng)科技示范工程完成全部試驗(yàn)和試運(yùn)行考驗(yàn)，標(biāo)志著世界首個(gè)基于柔性變電站的交直流配電網(wǎng)正式投入商業(yè)運(yùn)行[12]。

1.2 技術(shù)需求分析

為落實(shí)《關(guān)于推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》，有效促進(jìn)能源和信息深度融合，推動(dòng)能源領(lǐng)域結(jié)構(gòu)性改革，國(guó)家能源局提出“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源戰(zhàn)略，借助現(xiàn)代信息技術(shù)提供互聯(lián)互通、透明開(kāi)放、互惠共享的信息網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，打破現(xiàn)有能源“產(chǎn)、輸、配、用”之間的不對(duì)稱(chēng)信息格局，推進(jìn)能源生產(chǎn)與消費(fèi)模式革命，重構(gòu)能源行業(yè)生態(tài)[13]。該戰(zhàn)略的落地實(shí)施要求能源系統(tǒng)實(shí)施數(shù)字化深度轉(zhuǎn)型，運(yùn)用新的技術(shù)手段助力數(shù)字化轉(zhuǎn)型成為亟需[14-15]。全球最具權(quán)威的IT研究與顧問(wèn)咨詢(xún)公司Gartner連續(xù)在2016和2017年將數(shù)字孿生列為當(dāng)年十大戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢(shì)[16]。

當(dāng)前云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、5G等多項(xiàng)技術(shù)快速發(fā)展，交直流配電網(wǎng)中每時(shí)每刻產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)以及目前交直流配電網(wǎng)在運(yùn)營(yíng)、檢修、維護(hù)及優(yōu)化等各方面的需求，都加速了建設(shè)交直流配電網(wǎng)數(shù)字孿生系統(tǒng)的腳步。

2 交直流配電網(wǎng)數(shù)字孿生系統(tǒng)的主要特征和價(jià)值體現(xiàn)

交直流配電網(wǎng)數(shù)字孿生系統(tǒng)通過(guò)對(duì)設(shè)備的精細(xì)化物理建模及數(shù)據(jù)密集接入，對(duì)物理世界進(jìn)行虛擬化和透明化，其主要特征表現(xiàn)在：數(shù)據(jù)雙向互動(dòng)——這是交直流配電網(wǎng)數(shù)字孿生系統(tǒng)最主要的特征，設(shè)備和系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)更新和雙向互動(dòng)，系統(tǒng)獲取設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)并通過(guò)數(shù)據(jù)分析指導(dǎo)交直流配電網(wǎng)的運(yùn)維；設(shè)備全生命周期管理——充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過(guò)程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對(duì)應(yīng)實(shí)體裝備的全生命周期過(guò)程；配電網(wǎng)全域可視化管理——通過(guò)建立交直流數(shù)字孿生系統(tǒng)，交直流配電網(wǎng)全域清晰化呈現(xiàn)，管理者可以更直觀地了解交直流配電網(wǎng)整體運(yùn)行狀態(tài)，并通過(guò)數(shù)據(jù)采集、多元融合及大數(shù)據(jù)分析，給出交直流配電網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化措施供管理者參考。

交直流配電網(wǎng)數(shù)字孿生系統(tǒng)的主要價(jià)值體現(xiàn)以下3個(gè)方面：

a)配電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)管理及優(yōu)化運(yùn)行。交直流配電網(wǎng)數(shù)字孿生系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域配電網(wǎng)的管理從傳統(tǒng)的扁平化管理到立體式管理，從萬(wàn)物互聯(lián)到萬(wàn)物可管再到萬(wàn)物可視。基于對(duì)配電網(wǎng)狀態(tài)的深度感知，數(shù)字孿生系統(tǒng)利用大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)交直流配電網(wǎng)的精益化管理，并對(duì)交直流配電網(wǎng)的運(yùn)行優(yōu)化建議，實(shí)現(xiàn)源儲(chǔ)荷的協(xié)調(diào)運(yùn)行。

b)新能源預(yù)測(cè)及消納。相較于傳統(tǒng)交流配電網(wǎng)，交直流配電網(wǎng)接入大量清潔可再生能源[17]，數(shù)字孿生系統(tǒng)中對(duì)區(qū)域內(nèi)接入的負(fù)荷及光伏、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、儲(chǔ)能均能進(jìn)行數(shù)字化物理建模，通過(guò)各種小微傳感器采集設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及環(huán)境數(shù)據(jù)，通過(guò)光纖、5G等通信方式傳輸至系統(tǒng)[18]；結(jié)合后臺(tái)歷史數(shù)據(jù)、天氣預(yù)報(bào)等數(shù)據(jù)信息，以及大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，可更加精確地預(yù)測(cè)新能源出力，實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)源儲(chǔ)荷協(xié)調(diào)，助力園區(qū)內(nèi)清潔能源消納。

c)數(shù)字化代運(yùn)維。通過(guò)對(duì)設(shè)備精細(xì)化建模及感知設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)[19-20]，從數(shù)據(jù)尋找到數(shù)據(jù)主動(dòng)展示。在設(shè)備出現(xiàn)異常情況時(shí)可實(shí)現(xiàn)“雙向互動(dòng)”和“循環(huán)復(fù)診”，還能利用人工智能分析、大數(shù)據(jù)分析等核心技術(shù)，對(duì)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)以及歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)診斷、分析并告知設(shè)備的健康狀態(tài)以及異常發(fā)展趨勢(shì)，輸出差異化、精細(xì)化的檢修策略，由預(yù)防性檢修轉(zhuǎn)向預(yù)測(cè)性檢修。以“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)”為核心的設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)體系，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備的精確運(yùn)維、設(shè)備檢修精確決策、現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)精確研判、故障搶修精確處置[20]。

3 交直流配電網(wǎng)數(shù)字孿生架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)

交直流配電網(wǎng)數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)通過(guò)各種量測(cè)裝置、傳感器，攝像頭等設(shè)備采集物理世界交直流配電網(wǎng)的數(shù)據(jù)圖像信息至數(shù)據(jù)采集處理平臺(tái)，平臺(tái)利用人工智能、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)對(duì)收集到的圖像及數(shù)字信息進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)以虛控實(shí)、反向作用、精益運(yùn)維[21]。交直流配電網(wǎng)通過(guò)數(shù)字化物理建模，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)雙向互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生系統(tǒng)全域感知，由實(shí)到虛，鏡像感知。

圖1 交直流配電網(wǎng)數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Framework of AC-DC distribution network digital twins system

數(shù)字孿生系統(tǒng)的應(yīng)用需要結(jié)合多學(xué)科、多技術(shù)[22]，交直流配電網(wǎng)數(shù)字孿生系統(tǒng)從頂層設(shè)計(jì)到底層應(yīng)用過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)包含了數(shù)字化物理建模、5G技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)以及人工智能技術(shù)。

3.1 數(shù)字化物理建模技術(shù)

交直流數(shù)字孿生系統(tǒng)的首要基礎(chǔ)是對(duì)現(xiàn)實(shí)世界中交直流配電網(wǎng)的可視化，其中的關(guān)鍵技術(shù)就是對(duì)配電網(wǎng)內(nèi)設(shè)備的數(shù)字化物理建模。對(duì)設(shè)備的精細(xì)化建模是對(duì)于系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)狀態(tài)診斷。文獻(xiàn)[23]提出離散數(shù)字孿生、復(fù)合數(shù)字孿生及組織數(shù)字孿生等概念，通過(guò)對(duì)關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行離散數(shù)字化建模，建立設(shè)備數(shù)字孿生庫(kù)，然后根據(jù)設(shè)備結(jié)構(gòu)通過(guò)復(fù)合組織對(duì)關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行數(shù)字化建模。

3.2 5G技術(shù)

交直流配電網(wǎng)數(shù)字孿生系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)對(duì)物理世界交直流配電網(wǎng)的實(shí)時(shí)(準(zhǔn)實(shí)時(shí))感知，需要高速率、低延時(shí)的5G網(wǎng)絡(luò)支持[24-25]。交直流配電網(wǎng)中設(shè)備種類(lèi)及數(shù)量較多，5G應(yīng)用中的網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)根據(jù)不同業(yè)務(wù)應(yīng)用對(duì)用戶(hù)數(shù)、寬帶的要求，將物理網(wǎng)絡(luò)切成多張相互獨(dú)立的邏輯網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)端到端的數(shù)據(jù)傳輸[26]。

文獻(xiàn)[27]指出，在堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的深化建設(shè)與泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展中，第5代移動(dòng)通信技術(shù)因具有高帶寬、高容量、高可靠性、低延時(shí)、低功耗的特點(diǎn)，將成為引領(lǐng)和支撐電力系統(tǒng)技術(shù)創(chuàng)新、實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物互聯(lián)的關(guān)鍵技術(shù)。電力系統(tǒng)自身運(yùn)行的特點(diǎn)以及對(duì)通信的要求決定了5G通信技術(shù)在繼電保護(hù)、實(shí)時(shí)通信等特定領(lǐng)域能夠發(fā)揮關(guān)鍵作用。

3.3 大數(shù)據(jù)分析

美國(guó)AutoGrid公司利用數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)(supervisory control and data acquisition，SCADA)和其他智能電表采集結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)(包括居民用電、工業(yè)用電、建筑群用電數(shù)據(jù)等)，建立能量數(shù)據(jù)平臺(tái)，能夠全面分析多維動(dòng)態(tài)綜合的配電網(wǎng)特征，用于指導(dǎo)需求側(cè)響應(yīng)、動(dòng)態(tài)電價(jià)變化匹配、電動(dòng)汽車(chē)管理、資產(chǎn)監(jiān)測(cè)和停電監(jiān)測(cè)、用電客戶(hù)分區(qū)、電壓優(yōu)化和可再生能源接入問(wèn)題[28-29]。這一平臺(tái)已經(jīng)在美國(guó)部分地區(qū)電力公司得到應(yīng)用[29]。

交直流配電網(wǎng)數(shù)字孿生系統(tǒng)中接入豐富的設(shè)備狀態(tài)量測(cè)裝置、小微傳感器和攝像頭等信息采集設(shè)備，交直流配電網(wǎng)大數(shù)據(jù)覆蓋了配電變壓器、配電變電站、配電開(kāi)關(guān)站、電表、電能質(zhì)量等配用電自動(dòng)化和信息化數(shù)據(jù)，以及用戶(hù)數(shù)據(jù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)等數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)[30]利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)估計(jì)電力運(yùn)行數(shù)據(jù)的最大似然值等信息，設(shè)計(jì)新的電力運(yùn)行數(shù)據(jù)異常檢測(cè)示警方法，從根本上提高檢測(cè)準(zhǔn)確率。文獻(xiàn)[31]指出配電網(wǎng)中大數(shù)據(jù)技術(shù)涵蓋整個(gè)數(shù)據(jù)處理的過(guò)程，從數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)綌?shù)據(jù)存儲(chǔ)辨識(shí)，到數(shù)據(jù)挖掘處理，再到數(shù)據(jù)支撐的決策制訂，最后到技術(shù)應(yīng)用與推廣；因此交直流配電網(wǎng)數(shù)字孿生系統(tǒng)中數(shù)據(jù)量龐大，利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)可以充分發(fā)揮數(shù)據(jù)價(jià)值，挖掘交直流配電網(wǎng)的潛力，保證交直流配電網(wǎng)的清潔高效運(yùn)行。

3.4 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)是指通過(guò)各種信息傳感器、射頻識(shí)別技術(shù)、全球定位系統(tǒng)、紅外感應(yīng)器、激光掃描器等各種裝置與技術(shù)，實(shí)時(shí)采集任何需要監(jiān)控、連接、互動(dòng)的物體或過(guò)程[32]，采集設(shè)備及外界各種需要的信息，通過(guò)各類(lèi)可能的網(wǎng)絡(luò)接入，實(shí)現(xiàn)物與物、物與人的泛在連接，以及對(duì)物品和過(guò)程的智能化感知、識(shí)別和管理[33-35]。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)交直流配電網(wǎng)數(shù)字孿生系統(tǒng)的關(guān)鍵一環(huán)，文獻(xiàn)[36]利用電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，研制了配電設(shè)備智能診斷分析系統(tǒng)，及時(shí)預(yù)警低壓故障并確定故障位置，并能實(shí)現(xiàn)電纜終端頭的接觸式測(cè)溫；文獻(xiàn)[37]利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在配電網(wǎng)中的應(yīng)用和大數(shù)據(jù)平臺(tái)的數(shù)據(jù)分析功能，實(shí)現(xiàn)了配電網(wǎng)的故障斷線識(shí)別。因此物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也是實(shí)現(xiàn)交直流配電網(wǎng)精益化管理及其高級(jí)功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。

3.5 人工智能技術(shù)

傳統(tǒng)交流配電網(wǎng)中人工智能技術(shù)在運(yùn)維調(diào)度方面已有所應(yīng)用[38]，而在交直流配電網(wǎng)數(shù)字孿生系統(tǒng)中，基于系統(tǒng)龐大、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)量，豐富的視頻圖像等，可為交直流配電網(wǎng)在需求預(yù)測(cè)、智能調(diào)度、電網(wǎng)改建、設(shè)備維護(hù)、設(shè)備檢修等方面發(fā)揮作用[39]。

文獻(xiàn)[40]從信息化管理、設(shè)備巡視、設(shè)備檢修和故障搶修4個(gè)方面對(duì)配電網(wǎng)運(yùn)維業(yè)務(wù)進(jìn)行分析，提出配電網(wǎng)智能化運(yùn)維的整體思路，并設(shè)計(jì)了配電網(wǎng)設(shè)備全生命周期管理、配電網(wǎng)線路智能化巡檢、配電網(wǎng)設(shè)備主動(dòng)運(yùn)維及配電網(wǎng)故障智能化診斷4個(gè)具體方案，為全面實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)智能化發(fā)展提供了新的思路。文獻(xiàn)[41]為提高配電網(wǎng)項(xiàng)目的定量管理能力，指出需要進(jìn)行配電網(wǎng)項(xiàng)目關(guān)鍵指標(biāo)智能化提取，由此提出基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練(neural network training，NNT)的配電網(wǎng)項(xiàng)目關(guān)鍵指標(biāo)智能化提取模型；結(jié)合NNT深度學(xué)習(xí)算法進(jìn)行配電網(wǎng)項(xiàng)目關(guān)鍵指標(biāo)特征提取過(guò)程中的自適應(yīng)學(xué)習(xí)和誤差補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)單位造價(jià)、鐵塔比例、人力運(yùn)距、負(fù)載率、供電半徑、末端電壓合格率、物資限價(jià)等關(guān)鍵指標(biāo)的智能化驗(yàn)證和問(wèn)題預(yù)警。

4 數(shù)字孿生對(duì)透明電網(wǎng)的支撐以及未來(lái)發(fā)展的建議

4.1 數(shù)字孿生對(duì)透明電網(wǎng)的支撐

2018年9月7日，在2018鹽城綠色智慧能源大會(huì)上，中國(guó)工程院院士李立浧提出了“透明電網(wǎng)”的概念[42]，而交直流配電網(wǎng)數(shù)字孿生系統(tǒng)在一定程度上體現(xiàn)了“透明電網(wǎng)”的理念，將現(xiàn)實(shí)世界中的交直流配電網(wǎng)在計(jì)算機(jī)中數(shù)字虛擬化，并建立兩者的深度融合，實(shí)現(xiàn)雙向?qū)崟r(shí)互動(dòng)。

未來(lái)成熟的交直流配電網(wǎng)數(shù)字孿生系統(tǒng)將具備交直流配電網(wǎng)狀態(tài)全面感知、信息深度透明、設(shè)備靈活可控、運(yùn)行高度智能、維護(hù)簡(jiǎn)單便捷、隱私充分保護(hù)、風(fēng)險(xiǎn)有力趨零等功能；同時(shí)可通過(guò)自身對(duì)物理世界交直流配電網(wǎng)的深度感知，為電網(wǎng)管理者在宏觀分析、頂層分析、基建決策等方面提供參考，為用戶(hù)在用戶(hù)用電體驗(yàn)、用戶(hù)用電決策等方面提供幫助。

4.2 對(duì)策建議

交直流配電網(wǎng)中接入大量分布式能源、電動(dòng)汽車(chē)等負(fù)荷，交直流配電網(wǎng)數(shù)字孿生系統(tǒng)對(duì)區(qū)域內(nèi)設(shè)備及負(fù)荷進(jìn)行數(shù)字化映射，通過(guò)5G、大數(shù)據(jù)處理、邊緣計(jì)算等技術(shù)進(jìn)行更為精確的負(fù)荷預(yù)測(cè)等，以保證交直流配電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)高效運(yùn)行。然而交直流配電網(wǎng)數(shù)字孿生系統(tǒng)的應(yīng)用發(fā)展過(guò)程中，仍有以下問(wèn)題需要解決：

a)加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)，制訂交直流配電網(wǎng)數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)。交直流配電網(wǎng)數(shù)字孿生系統(tǒng)集成多學(xué)科、多前沿技術(shù)，且系統(tǒng)內(nèi)涉及眾多設(shè)備電氣、環(huán)境等數(shù)據(jù)信息采集，數(shù)據(jù)量較大，因此需明確系統(tǒng)層級(jí)架構(gòu)，如數(shù)據(jù)接入層、數(shù)據(jù)庫(kù)管理層、數(shù)據(jù)庫(kù)處理層、系統(tǒng)功能層及系統(tǒng)展示層，便于交直流配電網(wǎng)數(shù)字孿生系統(tǒng)后期管理及高級(jí)功能開(kāi)發(fā)。

b)建立數(shù)字孿生應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，培育產(chǎn)業(yè)數(shù)字生態(tài)。電網(wǎng)或相關(guān)企業(yè)應(yīng)在早期建立數(shù)字孿生應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，有利于數(shù)字孿生的推廣應(yīng)用，培育產(chǎn)業(yè)數(shù)字生態(tài)。其中數(shù)字孿生應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)包括數(shù)字孿生系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)所依賴(lài)的工具與平臺(tái)、設(shè)備虛擬實(shí)體建模標(biāo)準(zhǔn)、通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)、信息安全標(biāo)準(zhǔn)、系統(tǒng)評(píng)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)等；同時(shí)高校應(yīng)注重培養(yǎng)相關(guān)應(yīng)用型人才，為后續(xù)產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展提供支撐。

c)建設(shè)示范工程，推廣交直流配電網(wǎng)數(shù)字孿生系統(tǒng)。通過(guò)建設(shè)交直流配電網(wǎng)數(shù)字孿生系統(tǒng)示范工程，宣傳交直流配電網(wǎng)數(shù)字孿生系統(tǒng)應(yīng)用成果。電網(wǎng)公司一方面可向社會(huì)、企業(yè)及高校宣傳交直流配電網(wǎng)數(shù)字孿生系統(tǒng)，調(diào)動(dòng)科研工作者及高校師生積極性，使更多的群體參與到數(shù)字孿生的研究建設(shè)當(dāng)中；另一方面交直流配電網(wǎng)數(shù)字孿生系統(tǒng)仍處于早期階段，可通過(guò)建設(shè)相關(guān)示范工程為后續(xù)的工程的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)制訂及高級(jí)功能開(kāi)發(fā)等奠定基礎(chǔ)。

5 總結(jié)與展望

本文總結(jié)了交直流配電網(wǎng)數(shù)字孿生系統(tǒng)的主要特性、價(jià)值體現(xiàn)及相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，并對(duì)交直流配電網(wǎng)數(shù)字孿生系統(tǒng)的建設(shè)提出相應(yīng)的對(duì)策建議。目前，交直流配電網(wǎng)數(shù)字孿生系統(tǒng)的建設(shè)仍處于起步探索階段，但隨著大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等為代表的新一代技術(shù)的快速發(fā)展，未來(lái)成熟的交直流配電網(wǎng)數(shù)字孿生系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)能量流與信息流的深度融合，數(shù)據(jù)的雙向?qū)崟r(shí)互動(dòng)，現(xiàn)實(shí)與虛擬的互相支撐，深挖交直流配電網(wǎng)數(shù)據(jù)價(jià)值，實(shí)現(xiàn)交直流配電網(wǎng)的深度智能化、透明化，從而形成新型能源生態(tài)系統(tǒng)，具有靈活性、開(kāi)放性、交互性、經(jīng)濟(jì)性、共享性等特性，使交直流配電網(wǎng)運(yùn)行更加智能、安全、可靠、綠色、高效。