新型電力系統(tǒng)背景下數(shù)字孿生應(yīng)用技術(shù)研究

國網(wǎng)河北省電力有限公司 田 廣 郭 捷

為達到雙碳目標(biāo)，能源電力必須轉(zhuǎn)型，構(gòu)建清潔化、電氣化、智能化、數(shù)字化的能源電力系統(tǒng)。根據(jù)能源局和中電聯(lián)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2011～2019年我國新能源發(fā)電裝機從0.5億千瓦增長到4.4億千瓦，增長了約7倍。全國新能源裝機占比為20.6%，成為第二大電源。2000～2019年非化石能源占一次能源消費的比重從7.3%提高到15.3%，非化石能源發(fā)電量占比32.7%，能源院預(yù)測2050年我國非化石能源占一次能源消費的比重將達到57.3%。中電聯(lián)提供的數(shù)據(jù)顯示，從2000～2019年電能占終端能源消費的比重由16.7%提高到25.5%。能源院預(yù)計2025年左右電能終端消費量超過煤炭，成為終端消費主體能源；預(yù)計2035、2050年終端電氣化水平將分別達到40.6%、51.7%。

為深入貫徹習(xí)近平總書記關(guān)于碳達峰、碳中和的重要講話和指示精神，按照中央財經(jīng)委員會第九次會議的工作部署，根據(jù)國家“十四五”規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要，很多能源電力企業(yè)都制定了自己的雙碳目標(biāo)行動方案。國家電網(wǎng)公司提出構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，新型電力系統(tǒng)具有廣泛互聯(lián)、智能互動、靈活柔性、安全可控、開放共享五大特征。新型電力系統(tǒng)需要智能化的電網(wǎng)，需要加強電網(wǎng)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，提升能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展水平，這就需要打造電網(wǎng)數(shù)字化平臺，打造數(shù)字孿生電網(wǎng)，加快推動電網(wǎng)向能源互聯(lián)網(wǎng)升級。

1 能源電力面臨能源革命和數(shù)字革命深度融合的新挑戰(zhàn)

能源智能化和數(shù)字化的轉(zhuǎn)型，以高度信息化、自動化、互動化為特征，推動大、云、物、移、智、鏈等信息新技術(shù)在能源系統(tǒng)和電力系統(tǒng)廣泛應(yīng)用，從而使電力供應(yīng)更加安全可靠、使能源消費更加優(yōu)質(zhì)環(huán)保、使用戶服務(wù)更加便捷友好。能源配置范圍更加廣，大規(guī)模遠(yuǎn)距離輸送、分布式能源就地消納使能源供應(yīng)更加多元，實現(xiàn)跨品種的能源體系之間的協(xié)同。數(shù)字化讓信息廣泛交互、充分共享，逐步構(gòu)建涵蓋多種能源的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。

實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標(biāo)，能源電力企業(yè)在能源清潔、低碳、智能和數(shù)字化轉(zhuǎn)型中發(fā)揮主力軍作用。以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行、全力服務(wù)新能源發(fā)展和滿足電力負(fù)荷需求都帶來巨大考驗。滿足清潔能源消納需求，要求公司必須在技術(shù)創(chuàng)新、市場交易、運行管理、體制機制等方面實現(xiàn)全面突破。能源革命和數(shù)字革命的深度融合，為公司加快能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)、構(gòu)建以電為中心的智慧能源系統(tǒng)既帶來重大機遇又帶來新的挑戰(zhàn)。

2 數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用研究

能源電力面臨的新形勢、新挑戰(zhàn)和新機遇，需要進行能源轉(zhuǎn)型。能源轉(zhuǎn)型離不開數(shù)字化，而數(shù)字化的基礎(chǔ)就是數(shù)字孿生。

2.1 什么是數(shù)字孿生技術(shù)

第一次提出了數(shù)字孿生(Digital Twin)概念是在2002年，由密歇根大學(xué)教授邁克爾·格里夫斯提出的。他詮釋數(shù)字孿生是通過物理設(shè)備的數(shù)據(jù)，可以在虛擬空間（信息空間）構(gòu)建一個可以表征該物理設(shè)備的虛擬實體和子系統(tǒng)，而且這種聯(lián)系不是單向、靜態(tài)的，而是在該設(shè)備的整個生命周期中都聯(lián)系在一起的?！皵?shù)字孿生”的概念最早應(yīng)用于美國航空航天飛行器的維護和保障，通過在數(shù)字空間建立飛行器真實的數(shù)據(jù)空間模型，而且通過傳感器與飛機真實狀態(tài)完全同步，這樣每當(dāng)飛行結(jié)束后，就可以根據(jù)結(jié)構(gòu)現(xiàn)有的情況和過往的載荷數(shù)據(jù)，及時進行分析和評估飛行器是否需要維護或維修，從而預(yù)判是否能夠承受下一次載荷。

2.2 數(shù)字孿生在能源電力系統(tǒng)的應(yīng)用研究

近年來有關(guān)數(shù)字孿生的研究層出不窮，所涉及的領(lǐng)域也由剛開始的航天領(lǐng)域向航海、制造業(yè)、汽車等領(lǐng)域逐步擴展，同時各種研究也拓展和應(yīng)用于能源系統(tǒng)。早在2000年，國內(nèi)盧強院士便提出了數(shù)字電力系統(tǒng)的概念，其實質(zhì)便是構(gòu)建電力系統(tǒng)的數(shù)字孿生。他的團隊研究結(jié)果認(rèn)為數(shù)字孿生可以在能源互聯(lián)網(wǎng)的規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)、運行維護和監(jiān)控等方面發(fā)揮十分重要的作用。比如，數(shù)字孿生可以有效提高能源互聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)控水平，及時發(fā)現(xiàn)電力系統(tǒng)運行的異常環(huán)節(jié)，有利于實現(xiàn)基于能源互聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)的精準(zhǔn)運維和優(yōu)化運行，這些也是構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的基礎(chǔ)。數(shù)字孿生技術(shù)貫穿了全生命周期中的不同階段，同PLM（Product Lifecycle Management）的理念不謀而合，其發(fā)展將PLM 的能力和理念由設(shè)計階段延申拓展到了全生命周期。

打造數(shù)字孿生電網(wǎng)就是將物理電網(wǎng)以數(shù)字化方式映射至虛擬空間，通過接受來自物理電網(wǎng)的狀態(tài)信息而同步演化，以實現(xiàn)對物理電網(wǎng)的全面精準(zhǔn)檢測，并基于物理電網(wǎng)的狀態(tài)信息進行診斷、預(yù)測等一系列計算分析后，將分析結(jié)果反饋給物理電網(wǎng)，從而推動物理電網(wǎng)的優(yōu)化調(diào)整。

2.3 數(shù)字孿生技術(shù)在電網(wǎng)側(cè)的應(yīng)用研究

隨著碳達峰、碳中和、構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)等目標(biāo)的提出，電網(wǎng)將會接入大量隨機性、間歇性、波動性特征的分布式能源，以及儲能裝置、V2G（電動車和電網(wǎng)）等交互式能源設(shè)施，使其展示出結(jié)構(gòu)更復(fù)雜、設(shè)備更繁多、技術(shù)更龐雜的特點。傳統(tǒng)的機理模型和優(yōu)化控制方法已很難滿足電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計、施工協(xié)同、監(jiān)測分析和運行優(yōu)化的要求。

受能源領(lǐng)域改革和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整等政策方面的影響，電網(wǎng)迫切需要優(yōu)化經(jīng)營策略，實現(xiàn)企業(yè)的精益化管理。如對電網(wǎng)缺乏精準(zhǔn)刻畫，無法準(zhǔn)確掌握電網(wǎng)的狀態(tài)信息，導(dǎo)致電網(wǎng)的運維效率難以得到有效提升。另外對電網(wǎng)運營策略的優(yōu)化調(diào)整，嚴(yán)重依賴于人工經(jīng)驗，難以達到最佳效果。

數(shù)字孿生電網(wǎng)為解決上述問題提供了新的技術(shù)途徑，電網(wǎng)數(shù)字孿生系統(tǒng)可融合多源數(shù)據(jù)，形成多維一體的電網(wǎng)信息（GIM)模型和相關(guān)的數(shù)據(jù)資產(chǎn)，進一步加快操作人員對物理實體的認(rèn)識，可讓之前許多因為物理條件的限制、不得不依賴于真實的物理實體而沒辦法完成的操作，比如模擬仿真規(guī)劃設(shè)計、虛擬裝配施工過程、實現(xiàn)智能運營、提供多維社會服務(wù)成為可能，從而可有效保證電網(wǎng)的全生命周期各階段經(jīng)濟、優(yōu)質(zhì)、高效、安全。

數(shù)字孿生技術(shù)可監(jiān)測實時狀態(tài)、診斷異常原因、預(yù)測發(fā)展趨勢、優(yōu)化運營策略。典型應(yīng)用場景“數(shù)字孿生變電站”就利用數(shù)字孿生技術(shù)其為變電站的安全風(fēng)險管理提供了新思路?，F(xiàn)行運維方式主要依靠安裝傳感器和人力巡檢，按照經(jīng)驗對一些預(yù)置位進行檢測，檢測點在全站有效覆蓋區(qū)域占比不到1%，無法實現(xiàn)對全站所有位置進行監(jiān)測并實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的時序跟蹤。很難給變電站的運行提供十分有效的安全保障。為加大變電站監(jiān)測范圍，實現(xiàn)電網(wǎng)設(shè)備全生命周期數(shù)字化管理、降低運維成本，數(shù)字孿生變電站應(yīng)運而生。

基于孿生環(huán)境可構(gòu)建變電站的數(shù)字孿生仿真模擬站，根據(jù)需要靈活規(guī)劃巡檢業(yè)務(wù)，并利用數(shù)字孿生機器人模擬驗證完成虛擬巡檢，大大提高實施效率和后期可維護性。在數(shù)字孿生環(huán)境里，巡檢的目標(biāo)設(shè)備具備唯一空間位置坐標(biāo)，巡檢時數(shù)字孿生機器人可根據(jù)巡檢目標(biāo)自動規(guī)劃路徑，自動設(shè)置巡檢傳感器參數(shù)，模擬執(zhí)行整個巡檢過程。當(dāng)變電站有特殊需求時就可自動生成針對性的特殊巡檢任務(wù)，并將任務(wù)實時加載到站端物理的巡檢機器人，這樣將極大程度上解決了臨時突發(fā)任務(wù)受人力、環(huán)境制約這一問題。

借助巡檢機器人可實現(xiàn)不停車快速巡檢，實現(xiàn)全站溫度檢測，為得到變電站全方位溫度信息，系統(tǒng)使用高精度的紅外設(shè)備采集二維的紅外圖像數(shù)據(jù)，并將其映射到三維的孿生系統(tǒng)里，從而獲得全站的紅外溫度分布圖，溫度信息存儲采用瓦片化存儲方式，當(dāng)設(shè)備某部位的溫度信息超過正常的閾值區(qū)間時，系統(tǒng)會實時推送預(yù)警信息。同樣，系統(tǒng)可使用變電站其他傳感器獲取的多光譜影像信息映射到孿生系統(tǒng)中，從而獲得多維度、結(jié)構(gòu)化的時序大數(shù)據(jù)。通過對大數(shù)據(jù)的分析可進行趨勢預(yù)測和主動預(yù)警并形成風(fēng)控分析報告，為快速智能決策提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

基于數(shù)字孿生的電網(wǎng)智慧運維平臺具備靈活系統(tǒng)接口，可接入SCADA、PMS、OMS 等系統(tǒng)信息，并對接入數(shù)據(jù)進行清洗、融合，形成帶有業(yè)務(wù)信息的結(jié)構(gòu)化時序數(shù)據(jù)，服務(wù)于電網(wǎng)相關(guān)部門。如為運行部門提供“一鍵順控”的現(xiàn)場狀態(tài)確認(rèn)；為變電站基于與輔控、安防系統(tǒng)業(yè)務(wù)聯(lián)動的智能運維提供信息交互渠道；為省市公司應(yīng)急指揮提供事故現(xiàn)場人機協(xié)作支持；為人資部門提供崗前培訓(xùn)、事故演練等諸多業(yè)務(wù)的支撐融合。

數(shù)字孿生變電站充分挖掘現(xiàn)有系統(tǒng)數(shù)據(jù)，輔助運檢、調(diào)度策略的制定，實現(xiàn)運檢策略的優(yōu)化，最終構(gòu)建“原始數(shù)據(jù)-設(shè)備畫像-分析挖掘-策略制定-資源優(yōu)化”的數(shù)據(jù)資產(chǎn)應(yīng)用體系，完善生產(chǎn)指揮決策體系，推動設(shè)備狀態(tài)全景化，數(shù)據(jù)分析智能化、生產(chǎn)指揮集約化，運檢管理精益化全面實現(xiàn)。

3 未來展望

目前處在低碳發(fā)展的新時代、遇到產(chǎn)業(yè)升級的新機遇、同時也是技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展新機遇。經(jīng)濟社會發(fā)展全面綠色低碳轉(zhuǎn)型，需進行高比例新能源和高比例電力電子裝備接入電網(wǎng)的穩(wěn)定運行控制、超遠(yuǎn)距離-跨區(qū)域-大容量特高壓直流輸電、儲能技術(shù)等重點技術(shù)的技術(shù)創(chuàng)新實踐；進行數(shù)字孿生電網(wǎng)-人工智能等技術(shù)應(yīng)用引領(lǐng)。實施創(chuàng)新驅(qū)動，打造數(shù)字孿生電網(wǎng)，增強構(gòu)建新型電力系統(tǒng)、實現(xiàn)雙碳目標(biāo)的科技支撐力和產(chǎn)業(yè)帶動力。

通過依托三維設(shè)計實現(xiàn)成果升級、激光點云、傾斜攝影等技術(shù)創(chuàng)新手段實現(xiàn)三維建模；在不調(diào)整之前系統(tǒng)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，根據(jù)需要加裝增強傳感器和采集終端，集成原數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)字化交付成果與實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)建立鏈接；利用全景化技術(shù)展現(xiàn)運行數(shù)據(jù)及狀態(tài)變化，增加沉浸感和互動性；進行推演仿真，實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、風(fēng)險評估、故障預(yù)警、故障診斷和輔助決策。數(shù)字孿生技術(shù)通過這4個步驟可優(yōu)化設(shè)備檢修頻率、電力設(shè)施配置、聯(lián)絡(luò)開關(guān)投切、相間負(fù)荷調(diào)整等運營策略，進而為員工提供科學(xué)化的決策依據(jù)。

當(dāng)前，數(shù)字孿生在電網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用場景還是“碎片化”的單點示范工程為主，功能上以監(jiān)測為主。隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、云計算等新型技術(shù)的飛速發(fā)展和深度融合，數(shù)字孿生電網(wǎng)的建設(shè)應(yīng)用將取得突破，未來數(shù)字孿生電網(wǎng)將呈現(xiàn)出精細(xì)化管理、系統(tǒng)化應(yīng)用、智能化決策、普遍化應(yīng)用、開放化共享等五個趨勢。

精細(xì)化：隨著數(shù)字孿生電網(wǎng)的發(fā)展，未來電網(wǎng)內(nèi)每一臺設(shè)備，甚至每一個部件都會有其對應(yīng)的數(shù)字孿生并貫穿于全壽命周期，以滿足相關(guān)業(yè)務(wù)精細(xì)化管理的需求；系統(tǒng)化：未來數(shù)字孿生電網(wǎng)將打破原有的“碎片化”建設(shè)應(yīng)用方式，會把所有設(shè)備級數(shù)字孿生、部件級數(shù)字孿生有機整合到一起，形成整個電網(wǎng)的數(shù)字孿生，為精確把握整個電網(wǎng)的實時狀態(tài)和發(fā)展趨勢提供支撐；智能化：隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字孿生電網(wǎng)的智能化水平將大幅度提升，不但準(zhǔn)確預(yù)測電網(wǎng)的發(fā)展趨勢，還能自動做出合理的應(yīng)對措施，為電網(wǎng)的穩(wěn)定經(jīng)濟運行提供決策依據(jù)。

普遍化：隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的日漸成熟，構(gòu)建數(shù)字孿生的成本將會顯著降低，數(shù)字孿生將會在電網(wǎng)領(lǐng)域得到普遍應(yīng)用，并在電網(wǎng)的規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)、運維等環(huán)節(jié)發(fā)揮強有力的支撐作用。開放化：隨著數(shù)字孿生城市和數(shù)字孿生電網(wǎng)的建設(shè)與發(fā)展，兩者相互融合將成為必然趨勢，數(shù)字孿生電網(wǎng)會呈現(xiàn)出較強的開放性，其將于數(shù)字孿生交通、數(shù)字孿生建筑、數(shù)字孿生水務(wù)等交叉融合，共同為數(shù)字孿生智慧城市提供支撐。

結(jié)論：能源革命與數(shù)字革命的加速融合，使能源電力行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型成為趨勢；展望未來數(shù)字技術(shù)必將深刻改變能源電力系統(tǒng)的功能形態(tài)和生產(chǎn)管理模式；能源電力企業(yè)的未來數(shù)字化轉(zhuǎn)型將持續(xù)加快推進技術(shù)創(chuàng)新，助力新型電力系統(tǒng)和能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，帶動產(chǎn)業(yè)鏈上下游，共同發(fā)展，服務(wù)碳達峰、碳中和目標(biāo)實現(xiàn)。