基于數(shù)字孿生的數(shù)字電網(wǎng)建設(shè)

黃文雯 韓璐 孫萌 安培秀 陳新鵬

（國家電網(wǎng)有限公司信息通信分公司 北京市 100761）

近些年來，大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)以及云計算等數(shù)字技術(shù)的出現(xiàn)，促進(jìn)了第四次工業(yè)革命的更進(jìn)一步發(fā)展，同時也更好地提高了信息數(shù)據(jù)的收集、儲存以及共享的效率，使生產(chǎn)方式以及經(jīng)濟(jì)形態(tài)獲得了整體上的變化，在這樣的背景下，數(shù)字經(jīng)濟(jì)也成為了我國實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的最主要動力之一。基于數(shù)字經(jīng)濟(jì)時代，我國一些較為傳統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)，例如電力以及能源等需要積極地將企業(yè)相關(guān)的生產(chǎn)資料以及一些知識方面的信息實現(xiàn)向數(shù)字化要素的轉(zhuǎn)化，利用數(shù)字化轉(zhuǎn)型來有效地推動本有的物理電網(wǎng)的優(yōu)化以及升級，使其能夠轉(zhuǎn)化成為數(shù)字電網(wǎng)，以此來從整體上來提高數(shù)字化以及智能化水平。數(shù)字電網(wǎng)為數(shù)字中國當(dāng)中非常重要的一項內(nèi)容，同時其也為智能電網(wǎng)想要獲得更進(jìn)一步發(fā)展的重要路徑。

1 數(shù)字電網(wǎng)內(nèi)涵

1.1 數(shù)字電網(wǎng)的概念

數(shù)字電網(wǎng)的組成部分主要包括三個方面，分別為孿生電網(wǎng)、物理電網(wǎng)以及相應(yīng)的支撐技術(shù)，其為當(dāng)前階段較為先進(jìn)的電網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)。數(shù)字電網(wǎng)主要是基于大量可靠性信息數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過大數(shù)據(jù)、人工智能以及智能化控制，將數(shù)字孿生以及感知建模理論作為主要依據(jù)，以此來實現(xiàn)最終可以和物理電網(wǎng)有效結(jié)合的孿生電網(wǎng)的構(gòu)建。孿生電網(wǎng)主要是利用物理電網(wǎng)的數(shù)字孿生技術(shù)開展全要素數(shù)字化完成之后而構(gòu)成的相應(yīng)虛擬鏡像，可以實現(xiàn)對電網(wǎng)所存在較強(qiáng)復(fù)雜性的能量信息運行關(guān)系的分解以及模擬，使分解完成之后其互相的關(guān)系表現(xiàn)為數(shù)學(xué)關(guān)系，能夠?qū)ζ溟_展相應(yīng)的計算工作。將物理電網(wǎng)的運行變?yōu)榭梢暬倪^程中，可以對優(yōu)化完成之后的結(jié)果進(jìn)行推演，明確在這當(dāng)中所開展優(yōu)化軌跡的錨點，做好相應(yīng)的調(diào)整工作，以此來更好地實現(xiàn)物理電網(wǎng)運營整個過程的智能化管理，推動物理電網(wǎng)運行狀態(tài)流程、企業(yè)管理工作開展的流程以及企業(yè)自身本有結(jié)構(gòu)的更進(jìn)一步優(yōu)化。

通過對數(shù)字電網(wǎng)的運用能夠?qū)崿F(xiàn)電網(wǎng)數(shù)據(jù)相關(guān)體系的有效構(gòu)建，利用多種相應(yīng)的監(jiān)測手段以及干預(yù)手段，提高電網(wǎng)監(jiān)測效率的有效提升，同時也能夠更好地對電網(wǎng)開展模擬以及分析等工作，有效地解決電網(wǎng)在規(guī)劃以及建設(shè)過程中所存在的一些問題，從整體上提高電網(wǎng)各方面資源的有效配置，使其能夠長期保持一個良好穩(wěn)定的運行狀態(tài)，使電網(wǎng)數(shù)字資源自身的價值得到有效地發(fā)揮。

1.2 數(shù)字電網(wǎng)的特征

數(shù)字孿生背景下的數(shù)字電網(wǎng)特征主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）全息復(fù)制。數(shù)字電網(wǎng)可以利用超寫實建模來實現(xiàn)物理世界電網(wǎng)本體到數(shù)字世界虛擬電網(wǎng)的有效映射，通過所布設(shè)完成的眾多傳感器，便能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬電網(wǎng)在物理電網(wǎng)方面的感知以及檢測，以此來將其所具備的數(shù)字化以及相關(guān)信息準(zhǔn)確地描述以及表達(dá)出來。

（2）孿生交互。對于當(dāng)前階段的全域數(shù)字世界來說，在全息復(fù)制虛擬影像的支持之下，虛擬電網(wǎng)便能夠更好地開展一些具有較強(qiáng)復(fù)雜性電網(wǎng)建模的模擬、分析、學(xué)習(xí)以及評估等。并且也能從虛到實，對物理電網(wǎng)實際運行過程中的軌跡以及在各方面資源上的配置進(jìn)行反饋以及給予有效的指導(dǎo)，最終使得所建立的系統(tǒng)在虛實融合以及虛實協(xié)同方面的交互特點表現(xiàn)較為突出。

（3）虛實迭代。利用物聯(lián)網(wǎng)感知以及能夠?qū)崿F(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)動態(tài)進(jìn)行跟蹤的一些要素、趨勢以及問題，對虛擬電網(wǎng)的模型進(jìn)行修正使其能夠保持時空一致，并且利用仿真手段對物理世界變化過程中所存在的風(fēng)險進(jìn)行分析同時作出預(yù)警，物理電網(wǎng)會將該過程的指導(dǎo)結(jié)果向虛擬電網(wǎng)進(jìn)行反饋，接下來的虛擬電網(wǎng)便會將反饋作為重要依據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的更新以及指導(dǎo)，不斷實現(xiàn)自身的優(yōu)化，做到虛實迭代，這樣便能夠使物理電網(wǎng)以及虛擬電網(wǎng)從整體上得到相應(yīng)的優(yōu)化。

1.3 數(shù)字電網(wǎng)的演化以及發(fā)展

近些年來智能控制、信息通訊以及其他一些相應(yīng)的數(shù)字技術(shù)獲得了大幅度的發(fā)展以及群體性演變，在這樣的背景下，電網(wǎng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型已經(jīng)逐漸成為了推動智能電網(wǎng)建設(shè)更進(jìn)一步發(fā)展的重要路徑，對于數(shù)字電網(wǎng)來說，可以將其看作為電網(wǎng)在各方面發(fā)展過程中發(fā)生質(zhì)變而形成的產(chǎn)物，同時其也為推動電網(wǎng)智能化發(fā)展的重要基礎(chǔ)。實際上所開展的數(shù)字電網(wǎng)建設(shè)工作是一個較為漫長的過程，其需要在健全完善的物理電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施和較為成熟的數(shù)字孿生技術(shù)的支持之下才能夠獲得更為良好的發(fā)展。

目前的電網(wǎng)發(fā)展所在的階段為信息化系統(tǒng)的建設(shè)階段，處于該階段的電網(wǎng)會不斷加強(qiáng)生產(chǎn)整個過程的改造，改造的方向便為信息化，以此來對相關(guān)信息進(jìn)行更好的收集以及感知，不斷加強(qiáng)對當(dāng)前階段高效數(shù)據(jù)資源的應(yīng)用，將其作為重要的指導(dǎo)來推動生產(chǎn)運行開展的整體效率。從本質(zhì)出發(fā)對其開展相應(yīng)的分析，能夠發(fā)現(xiàn)其便是傳統(tǒng)工業(yè)經(jīng)濟(jì)模態(tài)本身所具有條塊分割電網(wǎng)管理系統(tǒng)以及機(jī)械線性電網(wǎng)管理系統(tǒng)當(dāng)中所進(jìn)行的技術(shù)補(bǔ)丁。近些年來，電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)已經(jīng)趨于完善，在這樣的背景下，電網(wǎng)對信息采集的效率更高，所采集信息也更加可靠，通過現(xiàn)代化先進(jìn)數(shù)字化技術(shù)的合理有效應(yīng)用來對數(shù)據(jù)信息所擁有價值的更進(jìn)一步探索，便能夠?qū)崿F(xiàn)能量效率以及信息所擁有價值的更進(jìn)一步提高，這對于推動信息數(shù)據(jù)的跨界有效融合來說具有非常積極的意義，使傳統(tǒng)業(yè)務(wù)所涉及的范圍得到更進(jìn)一步地擴(kuò)大，這樣相關(guān)電網(wǎng)企業(yè)的服務(wù)也能夠更好地拓展到產(chǎn)業(yè)鏈的上游以及下游。

在電網(wǎng)數(shù)字化程度不斷加深的背景下，一些與其有關(guān)的智能技術(shù)也一定會獲得更進(jìn)一步的發(fā)展，實現(xiàn)與電網(wǎng)之間的互相促進(jìn)，從整體上提高電網(wǎng)在自我感知、自我進(jìn)化以及自我決策方面所具備的能力，更好地實現(xiàn)電網(wǎng)建設(shè)以及發(fā)展的智能化，把智能電網(wǎng)看作為數(shù)字經(jīng)濟(jì)時代發(fā)展背景下的一種新型動力，以此來更好地推動我國數(shù)字能源以及數(shù)字信息方面一些共享平臺的有效建立。

2 數(shù)字電網(wǎng)支撐技術(shù)

要想能夠使數(shù)字電網(wǎng)在孿生交互、虛實迭代以及全息復(fù)制方面的功能得到有效地發(fā)揮，一定不能夠缺少當(dāng)前時代發(fā)展背景下先進(jìn)智能傳感以及通信技術(shù)所給予的支持，在此基礎(chǔ)上，利用數(shù)字孿生技術(shù)來完成相關(guān)信息數(shù)據(jù)平臺的建立，不斷促進(jìn)電網(wǎng)數(shù)字模型以及電力大腦的形成，同時將孿生電網(wǎng)有效地建立到數(shù)字世界當(dāng)中，對孿生電網(wǎng)相關(guān)信息數(shù)據(jù)所具有的價值給予更為深入地探索，利用孿生交互來推動物理電網(wǎng)的更進(jìn)一步優(yōu)化，同時也能夠更好地促進(jìn)其風(fēng)險預(yù)警能力的有效發(fā)揮，為電網(wǎng)企業(yè)相關(guān)業(yè)務(wù)的數(shù)字化運營提供強(qiáng)有力的支持。

2.1 智能傳感技術(shù)

感知監(jiān)測系統(tǒng)自身所具備的高精度以及高靈敏度的特點為實現(xiàn)數(shù)字電網(wǎng)建設(shè)的重要前提，同時其也為萬物互聯(lián)感知的必經(jīng)途徑，對于虛擬電網(wǎng)在物理電網(wǎng)方面所開展的全息復(fù)制以及動態(tài)調(diào)整工作來說，其對傳感技術(shù)自身所具備實時性特點的依賴程度還是比較高的。當(dāng)前階段所擁有的電磁式電流互感器以及電壓互感器，從功能方面來說，其能夠?qū)崿F(xiàn)對一些片段等部分?jǐn)?shù)據(jù)的收集，在性能方面，其不能夠?qū)崿F(xiàn)局部互聯(lián)，其自身的結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的復(fù)雜性，體積大并且價格高昂，從實際情況來看其不能夠有效地滿足數(shù)字電網(wǎng)在全時空廣域方面的相關(guān)感知要求，基于此種情況，高精度、低成本以及低消耗一定會是智能傳感技術(shù)后續(xù)發(fā)展的重點方向?；诋?dāng)前階段隧道磁阻等一些更具先進(jìn)性以及新型性理論，不斷地提高電氣量測量的精度，比如實際當(dāng)中通過對微型電流傳感器的應(yīng)用，與另外一些現(xiàn)代化先進(jìn)的空間、力學(xué)以及化學(xué)智能技術(shù)的有效結(jié)合，以此來更好地深入到物理電網(wǎng)維度數(shù)字化感知點，例如實際當(dāng)中開展配電房當(dāng)中的溫度、所含有SF6的濃度以及電流方面一些信息的有效監(jiān)測，將監(jiān)測結(jié)果最為重要依據(jù)便能夠更好地進(jìn)行設(shè)備健康程度的評估。通過加強(qiáng)對低功耗通信技術(shù)的合理有效應(yīng)用，以此來更好地推動感傳的一體化，通過應(yīng)用自組網(wǎng)技術(shù)以及辨識檢錯技術(shù)來使傳感器自身所具備的視野范圍得到更進(jìn)一步地擴(kuò)大，利用點面結(jié)合以及多體協(xié)同的手段來更好地進(jìn)行廣范圍群智的感知。將協(xié)調(diào)分配技術(shù)與邊緣計算技術(shù)有效結(jié)合在一起進(jìn)行合理有效應(yīng)用，便能夠更好地達(dá)到所感知獲取相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)的總結(jié)以及分析。

2.2 異構(gòu)通信技術(shù)

伴隨著時代進(jìn)程的不斷推進(jìn)，在數(shù)字電網(wǎng)的孿生系統(tǒng)的分布、連接以及數(shù)據(jù)方面也提出了比以往更為嚴(yán)格的要求，這對于電力通信基礎(chǔ)設(shè)施來說是一種非常嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。當(dāng)前階段的無線技術(shù)的功能發(fā)揮會受到一些因素的限制，所以其不能夠?qū)崿F(xiàn)海量連接、低消低耗以及深度覆蓋方面的能力。通過對現(xiàn)代化先進(jìn)大規(guī)模多天線技術(shù)以及超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用，便能夠達(dá)到5G的高效率、高容量以及低時延的接入效果，而實現(xiàn)軟開放技術(shù)與電力切片技術(shù)的結(jié)合，便能夠更好地滿足5G通信資源在動態(tài)編排以及定制方面的需求，有效提高虛擬電網(wǎng)指令控制的精準(zhǔn)性?；谛诺纻浞菀约白赃m應(yīng)編碼調(diào)制等一些技術(shù)，能夠完成相應(yīng)電力信息通道的構(gòu)建，同時能夠保證該通道的安全性與高速性。對當(dāng)前階段較為完善和成熟的電力線路給予合理有效地應(yīng)用，實現(xiàn)電力線載波以及無線通信協(xié)議的有效融合，便能夠建立更多的泛在異構(gòu)融合的通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，比如蜂窩無線、WLAN以及無線專網(wǎng)等，此類網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)能夠為數(shù)字電網(wǎng)各方面的優(yōu)化提供強(qiáng)有力的支持，促進(jìn)物理電網(wǎng)全要素的數(shù)字化以及全狀態(tài)的實時化。

2.3 數(shù)據(jù)中臺技術(shù)

要想能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字電網(wǎng)模型的有效構(gòu)建，實現(xiàn)數(shù)字電網(wǎng)的整體優(yōu)化，一定不能夠離開全域全量電網(wǎng)數(shù)據(jù)所提供的支持。就當(dāng)前階段的電力數(shù)據(jù)總體情況來看，其的特點主要表現(xiàn)在來源分散化、結(jié)構(gòu)多樣化、關(guān)系復(fù)雜化以及粒度精細(xì)化等，所包含的內(nèi)容過于廣泛，不能夠更好地提供穩(wěn)定的資源以及服務(wù)。加強(qiáng)對相關(guān)數(shù)據(jù)平臺的建立，實現(xiàn)數(shù)據(jù)平臺的橫向關(guān)聯(lián)以及縱向貫通，通過該平臺來開展相關(guān)數(shù)據(jù)的收集、治理以及挖掘工作，以此來將來源分散的相關(guān)數(shù)據(jù)給予集中安全儲存，并且也能夠?qū)崿F(xiàn)對其的高效讀取，可以將其作為數(shù)字電網(wǎng)平臺相關(guān)決策的重要依據(jù)。數(shù)據(jù)中臺也需要含有多源異構(gòu)的全景信息模型，同時能夠?qū)崿F(xiàn)元數(shù)據(jù)以及輪換格式的統(tǒng)一化，不斷加強(qiáng)對電網(wǎng)數(shù)據(jù)語言體系的建立，推動數(shù)據(jù)協(xié)同以及交互的統(tǒng)一化。對元數(shù)據(jù)分割以及元數(shù)據(jù)抽取方法給予合理有效利用來更好地明確數(shù)據(jù)之間所存在的關(guān)系，基于此種關(guān)系來完成對應(yīng)模型的建立，以此來更好地形成多源以及多維結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)集成，將此作為依據(jù)同樣也可以進(jìn)行數(shù)據(jù)之間所存在血緣關(guān)系圖的建立。需要根據(jù)業(yè)務(wù)自身所具備的特點以及數(shù)據(jù)所表現(xiàn)出的趨勢，來自動化辨別損壞數(shù)據(jù)，對于其中所含有的相應(yīng)時序數(shù)據(jù)，需要對其進(jìn)行更為深入的智能分析，實現(xiàn)對其的有效預(yù)測，這樣數(shù)據(jù)無論是處于在線還是離線的狀態(tài)都能夠進(jìn)行自我修復(fù)。而對于其中所含有的一些冗余數(shù)據(jù)，可以針對其進(jìn)行沖突檢測以及數(shù)值診斷構(gòu)架的建立，以此來更好地開展相關(guān)數(shù)據(jù)的清晰工作以及數(shù)據(jù)自身所具有質(zhì)量以及價值的評估工作。數(shù)據(jù)中臺當(dāng)中含有非常豐富的數(shù)據(jù)資源，通過對生產(chǎn)工作開展過程中國所產(chǎn)生的圖像波形、操作行為以及語言邏輯方面開展相應(yīng)的收集以及篩選工作，在此基礎(chǔ)上來完成數(shù)據(jù)知識圖譜以及特征庫的有效建立。

2.4 電網(wǎng)數(shù)字模型

電網(wǎng)數(shù)字模型能夠有效地反映出物理電網(wǎng)的元素組成以及運行過程中所表現(xiàn)出的狀態(tài)，同時也能夠直觀地表現(xiàn)出相關(guān)決策的影響，其在數(shù)字電網(wǎng)從實到虛以及從虛到實的過程中發(fā)揮著非常重要的作用。數(shù)字電網(wǎng)主要是基于地理位置、材質(zhì)特性以及尺寸空間等方面的一些參數(shù)來完成數(shù)學(xué)模型的建立，該模型更具立體化。比如通過3Dmax來開展配電變壓器外觀結(jié)構(gòu)的建模工作，利用設(shè)備自身的相關(guān)參數(shù)以及傳感器配置等對變壓器所具備的特征和性質(zhì)進(jìn)行描述，根據(jù)實際當(dāng)中所在的地理坐標(biāo)以及設(shè)備資產(chǎn)等一些方面來開展每個變壓器元素的立體建模工作。實際上的元素之間具有相應(yīng)的耦合連接關(guān)系，同時其也會涉及到外界環(huán)境的擾動相應(yīng)、內(nèi)部運行過程中所遵循的原則以及能量流動扥一些相應(yīng)的特點，在此基礎(chǔ)上來實現(xiàn)各個元素模型之間的有效連接，完成具有動態(tài)化效果的虛擬模型集的構(gòu)建。實現(xiàn)和虛擬模型集之間的有效關(guān)聯(lián)，逐漸建立起相應(yīng)的數(shù)字電網(wǎng)全空間模型，并且也能夠更好地進(jìn)行電網(wǎng)所存在一些大規(guī)模場景的數(shù)字化模型的表達(dá)，以此便能夠更加方便快捷地進(jìn)行電網(wǎng)空間信息以及一些功能信息的分析和探索。

2.5 電力智慧大腦

從數(shù)字電網(wǎng)的整體角度上來看，電力智慧大腦在其相關(guān)決策、實現(xiàn)自身優(yōu)化以及虛實迭代方面起著決定性的控制作用。基于電網(wǎng)數(shù)字模型以及多元數(shù)據(jù)結(jié)合，通過應(yīng)用自身所擁有的腦類方面的功能，便能夠使電力大腦開展相應(yīng)的學(xué)習(xí)，對于實際學(xué)習(xí)過程中所面臨的一些物理電網(wǎng)多變場景，也同樣可以在相關(guān)專家指導(dǎo)、試錯探索的基礎(chǔ)上不斷地汲取經(jīng)驗展開高效的學(xué)習(xí)。電力大腦包含了機(jī)器學(xué)習(xí)以及深度學(xué)習(xí)等一些相應(yīng)的智能算法，能夠?qū)ξ锢黼娋W(wǎng)所涵蓋的隱藏模式以及自組織隱性秩序給予有效的認(rèn)知以及識別，可以對物理電網(wǎng)運行過程中所表現(xiàn)的規(guī)律以及一些相互關(guān)系給予推理，能夠?qū)λ鶎W(xué)知識進(jìn)行傳遞。電力大腦廣泛地應(yīng)用了現(xiàn)代化先進(jìn)的人機(jī)協(xié)同知識引導(dǎo)技術(shù)，實現(xiàn)了專業(yè)經(jīng)驗與科學(xué)數(shù)據(jù)的有效結(jié)合，將知識驅(qū)動和數(shù)據(jù)驅(qū)動組成一個整體，通過在知識驅(qū)動的支持下將其應(yīng)用到可行邊界的守衛(wèi)過程中，形成可靠的底線，最大程度降低決策失誤情況發(fā)展的概率，以此來為電力運行整個過程的安全性以及穩(wěn)定性提供有效地保障。對于電力大腦來說，其需要積極地開展全局優(yōu)化策略的制定，以此來從整體上提高電網(wǎng)當(dāng)中所含有的各個主體對于所發(fā)生變化的適應(yīng)性，實現(xiàn)電網(wǎng)運作的更進(jìn)一步優(yōu)化，對電網(wǎng)運行過程中所存在的不足之處進(jìn)行填補(bǔ)，以此來更好地提高電網(wǎng)運行的整體效率。

3 結(jié)束語

總的來說，數(shù)字電網(wǎng)的組成部分主要包括了物理電網(wǎng)、孿生電網(wǎng)以及相應(yīng)的支撐技術(shù)，在后續(xù)智能電網(wǎng)建設(shè)一定會成為主要趨勢。實際所開展的數(shù)字電網(wǎng)建設(shè)工作，需要將全域感知作為重要的基礎(chǔ)，業(yè)務(wù)數(shù)字運營最為想要實現(xiàn)的最終目標(biāo)。另外，數(shù)字電網(wǎng)能夠在物理世界的再生以及數(shù)字世界的優(yōu)化方面起到相應(yīng)的推動作用，有利于更好地實現(xiàn)電網(wǎng)的數(shù)字化運營。