數(shù)字孿生在電力系統(tǒng)應(yīng)用中的機遇和挑戰(zhàn)探討

田申

摘 要：電力數(shù)字孿生系統(tǒng)與現(xiàn)行的仿真軟件具有明顯的差異性，其主要具有數(shù)據(jù)驅(qū)動、實時交互以及閉環(huán)反饋等特點。數(shù)字孿生在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，可以為電網(wǎng)運營調(diào)控決策制定提供有力的輔助作用。本文以數(shù)字孿生在電力系統(tǒng)應(yīng)用中的機遇和挑戰(zhàn)作為研究對象，在查閱大量相關(guān)文獻以及結(jié)合以往工作經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，對數(shù)字孿生在電力系統(tǒng)中應(yīng)用優(yōu)勢進行簡單介紹，然后分別分析了數(shù)字孿生在電力系統(tǒng)應(yīng)用中的機遇和挑戰(zhàn)，期望可以為電力系統(tǒng)更好的應(yīng)用數(shù)字孿生實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展提供理論參考。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生;電力系統(tǒng);應(yīng)用

前言

電力系統(tǒng)為其他行業(yè)發(fā)展提供了重要的電力支撐，屬于其他行業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)。跟隨時代的發(fā)展電力系統(tǒng)逐漸朝著開放式、扁平化、分散化以及邊界模糊化的方向發(fā)展，電力系統(tǒng)認知復(fù)雜性大幅提升。數(shù)字孿生（digital twin，DT）將多學(xué)科、多物理量、多尺度以及多概率集成為一體，并且這一仿真過程還匯集了智能傳感器、5G通信、云平臺以及人工智能等熱門技術(shù)。在電力系統(tǒng)復(fù)雜程度逐漸提升、數(shù)據(jù)井噴式發(fā)展以及DT技術(shù)日漸完善的發(fā)展背景下，電力數(shù)字孿生這一新興產(chǎn)物應(yīng)運而生，其在數(shù)據(jù)驅(qū)動實時態(tài)勢感知方面具有優(yōu)勢[1]。電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行關(guān)系到經(jīng)濟以及社會發(fā)展，電力數(shù)字孿生主要依賴量測數(shù)據(jù)，與當(dāng)今電力大數(shù)據(jù)分析以及電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的發(fā)展背景具有較高的契合度。

1.數(shù)字孿生在電力系統(tǒng)中應(yīng)用優(yōu)勢

數(shù)字孿生可以簡單地理解為物理實體與數(shù)學(xué)模型之間具有相同的物理規(guī)律以及運行機理，可以將“相同基因”看作數(shù)字孿生必備的特點，除此之外其還具有自治、同步、互動以及共生等重要特點，這也是其在電力系統(tǒng)中的主要應(yīng)用優(yōu)勢。數(shù)字孿生體屬于物理實體的數(shù)字模型，同樣符合物理實體的規(guī)律，并且還可以實現(xiàn)獨立演化。面對已經(jīng)給定的數(shù)字空間邊界情況，數(shù)字孿生可以利用仿真完成自主推演，這一過程與物理實體處于相互獨立的關(guān)系。依靠自治特性數(shù)字孿生體能夠?qū)Ω鱾€外部因素對物體實體產(chǎn)生的影響進行科學(xué)推演。為了可以對物理規(guī)律進行準(zhǔn)確反映，數(shù)字孿生模型可以結(jié)合物理實體的實時變化對自身結(jié)構(gòu)及參數(shù)進行對應(yīng)的修正和調(diào)整。正是由于數(shù)字孿生同步性的存在，可以為物理實體演化軌跡準(zhǔn)確性提供有力保障[2]。而數(shù)字孿生的互動性則是指數(shù)字孿生體與物理實體可以產(chǎn)生雙向影響，這也屬于數(shù)字孿生應(yīng)用于電力系統(tǒng)認知最為關(guān)鍵的特征。除此之外，數(shù)字孿生體還可以與物理實體實現(xiàn)雙向促進發(fā)展，進而對物理實體發(fā)展軌跡進行調(diào)整以及升級數(shù)字孿生體。數(shù)字孿生這些特點的存在使其明顯優(yōu)于傳統(tǒng)建模和仿真技術(shù)，為其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了巨大的支撐作用。

2.數(shù)字孿生在電力系統(tǒng)應(yīng)用中的機遇

數(shù)字孿生技術(shù)的核心主要為建模和仿真，其與傳統(tǒng)意義上的建模仿真既具有一定的聯(lián)系，也具有明顯的區(qū)別。電力系統(tǒng)規(guī)模不斷擴大，其中包含的數(shù)據(jù)也變得更加多元化，利用傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)仿真只能夠?qū)δ硞€空間尺度和時間尺度下的動態(tài)過程進行刻畫。電力系統(tǒng)具有明顯的動態(tài)特性，傳統(tǒng)建模仿真所反映的電力系統(tǒng)動態(tài)是十分少的。數(shù)字孿生明顯區(qū)別于傳統(tǒng)建模仿真只服務(wù)于某種業(yè)務(wù)，其可以與數(shù)字化業(yè)務(wù)進行深度融合，依靠自身的可視性、可預(yù)測性、可假設(shè)性、可解釋性和可互動性對物理實體進行認知和改造。

2.1數(shù)字孿生應(yīng)用于電力設(shè)備健康狀態(tài)評估

電力系統(tǒng)中包含了種類繁多以及數(shù)量龐大的電力設(shè)備，并且不同電力設(shè)備運行特征具有明顯差異，利用傳統(tǒng)的設(shè)備檢修方法難以精準(zhǔn)評價設(shè)備狀態(tài)?，F(xiàn)階段，電力設(shè)備健康狀態(tài)評估以及運維依舊主要采用計劃檢修以及事后檢修，難以滿足精細化的設(shè)備管理需求。國網(wǎng)對于狀態(tài)評估工作一直以來都十分重視，但是卻一直沒有取得理想的成效，主要是因為無法確立有效的設(shè)備健康度評估指標(biāo)[3]。而數(shù)字孿生在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用可以從設(shè)備運行數(shù)據(jù)中對設(shè)備健康狀態(tài)表征量進行篩選和提取，并且在具有敏感性的同時還具有可靠性，國網(wǎng)對狀態(tài)檢修的長期訴求為數(shù)字孿生在電力系統(tǒng)的應(yīng)用提供了巨大的應(yīng)用空間。

2.2數(shù)字孿生應(yīng)用于電力系統(tǒng)分析

電網(wǎng)的穩(wěn)定運行離不開電力系統(tǒng)分析的支撐，越來越多的高級量測技術(shù)被應(yīng)用至電力系統(tǒng)分析當(dāng)中，將電網(wǎng)海量運行數(shù)據(jù)匯集在一起，以此為基礎(chǔ)形成了高維時空數(shù)據(jù)集。傳統(tǒng)的電網(wǎng)靜態(tài)分析主要是應(yīng)用物理模型以及嚴格的數(shù)學(xué)公式，對于海量運行數(shù)據(jù)難以進行深度利用，限制了大數(shù)據(jù)價值的充分發(fā)揮。為了充分利用電力系統(tǒng)當(dāng)中的海量數(shù)據(jù)，發(fā)揮大數(shù)據(jù)技術(shù)所帶來的數(shù)據(jù)福利，可以應(yīng)用數(shù)字孿生對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性以及運行裕度進行進一步分析。

2.3數(shù)字孿生應(yīng)用于故障診斷

電力系統(tǒng)運行過程不可避免的會發(fā)生一系列的故障，其中有很多故障發(fā)生初期并不明顯，一旦處理不及時將會引發(fā)巨大的危害。以小電流接地系統(tǒng)為例，其中單相接地故障的特征極不明顯，在設(shè)計指標(biāo)對其進行診斷時具有較高的難度，最終影響到診斷的精準(zhǔn)性。實現(xiàn)配電網(wǎng)故障的智能診斷，主要是為了對故障進行有效檢測、辨識以及定位。隨機矩陣理論（random matrix theory，RMT）屬于一種有力的高維數(shù)據(jù)處理工具，以此為基礎(chǔ)對配電網(wǎng)故障高維統(tǒng)計指標(biāo)進行觀察和提取，更有利于對電網(wǎng)典型故障原因進行分析和歸類，進而建立深層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型實現(xiàn)故障智能診斷[4]。

2.4 數(shù)字孿生應(yīng)用于微網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化運行

微電網(wǎng)系統(tǒng)運行過程會受到負荷以及電源功率波動的明顯影響，并且還存在諸多不確定的復(fù)雜因素，因此應(yīng)當(dāng)利用儲能系統(tǒng)實現(xiàn)供需的實時平衡以及可再生能源利用率的提升。利用數(shù)字孿生的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型以及深度強化學(xué)習(xí)框架，可以對傳統(tǒng)算法一系列弊端進行有效規(guī)避，有效應(yīng)對和處理不同天氣及季節(jié)場景下的微網(wǎng)系統(tǒng)運行。

3.數(shù)字孿生在電力系統(tǒng)應(yīng)用中的挑戰(zhàn)

電力系統(tǒng)發(fā)展過程對于電力設(shè)備健康狀態(tài)評估、電力系統(tǒng)分析、故障診斷、微網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化運行都提出了更為嚴格的要求，數(shù)字孿生因具有可視性、可預(yù)測性、可假設(shè)性、可解釋性和可互動性可以滿足電力系統(tǒng)運行和發(fā)展的多方面需求而得到了巨大的發(fā)展機遇。但是，數(shù)字孿生在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用尚處于初期探索階段，如今還沒有形成電力數(shù)字孿生系統(tǒng)的系統(tǒng)化研究，仍有很多電力公司對于數(shù)字孿生的認識還停留在比較表層的階段，并沒有投入足夠的資源支持電力數(shù)字孿生系統(tǒng)研究，因此今后應(yīng)當(dāng)進一步深度了解和研究數(shù)字孿生在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，為數(shù)字孿生在工程中的實際應(yīng)用提供推動作用。

結(jié)語

綜上所述，與傳統(tǒng)仿真模式相比，數(shù)字孿生具有建議介入以及自主學(xué)習(xí)等優(yōu)點，與電力系統(tǒng)現(xiàn)代化發(fā)展具有更高的適應(yīng)性。電力數(shù)字孿生系統(tǒng)與大數(shù)據(jù)分析具有較為緊密的聯(lián)系，可以對系統(tǒng)當(dāng)中的海量數(shù)據(jù)價值進行深層次的挖掘，更好的處理不確定性以及誤差問題。除此之外，電力數(shù)字孿生系統(tǒng)還具有突出的工程實用性，在電力設(shè)備健康狀態(tài)評估、電力系統(tǒng)分析、故障診斷、微網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化運行都可以得到有效應(yīng)用。

參考文獻：

[1]龐宇，黃文燾，吳駿，賀興，邰能靈，胡思哲.數(shù)字孿生技術(shù)在船舶綜合電力系統(tǒng)中的應(yīng)用前景與關(guān)鍵技術(shù)[J/OL].電網(wǎng)技術(shù)：1-14[2022-03-08].DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2021.2424.

[2]沈沉，曹仟妮，賈孟碩，陳穎，黃少偉.電力系統(tǒng)數(shù)字孿生的概念、特點及應(yīng)用展望[J].中國電機工程學(xué)報，2022，42（02）：487-499.

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