數(shù)字孿生電網(wǎng)的特性、架構(gòu)及應(yīng)用綜述

王 鑫 王 霖 余 蕓 敖知琪 孫凌云

①(浙江工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 杭州 310023)

②(南方電網(wǎng)數(shù)字電網(wǎng)研究院有限公司 廣州 510663)

③(浙江大學(xué)南方電網(wǎng)人工智能創(chuàng)新聯(lián)合研究中心 杭州 310058)

④(浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 杭州 310058)

1 引言

電網(wǎng)企業(yè)需要整合新一代人工智能技術(shù)和新能源技術(shù)，構(gòu)建數(shù)字化、智能化、互聯(lián)網(wǎng)化的數(shù)字電網(wǎng)[1]。數(shù)字電網(wǎng)包括兩大部分內(nèi)涵，分別為物理空間中電網(wǎng)的數(shù)字化以及數(shù)字空間中電網(wǎng)的智慧化[2]。國(guó)家電網(wǎng)[3]和南方電網(wǎng)[4]都已經(jīng)開(kāi)始建設(shè)數(shù)字電網(wǎng)，并取得了一定的進(jìn)展。數(shù)字孿生(Digital Twin, DT)是數(shù)字電網(wǎng)的重要實(shí)現(xiàn)技術(shù)，但其定義卻還在不斷發(fā)展中。文獻(xiàn)[5]提出數(shù)字孿生技術(shù)是指在信息化平臺(tái)內(nèi)建立、模擬一個(gè)物理實(shí)體、流程或者系統(tǒng)。文獻(xiàn)[6]認(rèn)為數(shù)字孿生是一種利用數(shù)字化建模、數(shù)據(jù)分析等技術(shù)對(duì)物理實(shí)體進(jìn)行能力拓展或增強(qiáng)的技術(shù)。數(shù)字孿生起源于美國(guó)密歇根大學(xué)Grieves教授的Conceptual Ideal for PLM (Product Lifecycle Management)設(shè)想[7]，是推動(dòng)企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型、促進(jìn)數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要抓手[8]。

數(shù)字孿生電網(wǎng)(Digital Twin Power Grid, DTPG)的定義目前仍未得到有效的統(tǒng)一。但現(xiàn)有研究工作主要是借鑒數(shù)字孿生技術(shù)在其他領(lǐng)域的應(yīng)用，將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于電網(wǎng)領(lǐng)域，構(gòu)建出數(shù)字空間中的電網(wǎng)孿生體。傳統(tǒng)電網(wǎng)仿真技術(shù)利用離線(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型訓(xùn)練、更新，且僅對(duì)單一問(wèn)題進(jìn)行分析決策，不同于此，DTPG的意義在于對(duì)物理電網(wǎng)進(jìn)行全面、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)感知，保障模型訓(xùn)練和更新的實(shí)時(shí)性、高保真性，實(shí)現(xiàn)多尺度的電網(wǎng)動(dòng)態(tài)數(shù)字化。在電網(wǎng)數(shù)據(jù)感知和傳輸、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和分析、決策制定和執(zhí)行等方面利用DTPG可以增加或拓展物理電網(wǎng)的功能。因此數(shù)字孿生電網(wǎng)不僅是物理電網(wǎng)的復(fù)制。本文從數(shù)字孿生電網(wǎng)的特性與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，典型架構(gòu)設(shè)計(jì)，場(chǎng)景應(yīng)用與演進(jìn)這3個(gè)方面進(jìn)行了文獻(xiàn)綜述，綜述核心脈絡(luò)如圖1所示。

圖1 綜述核心脈絡(luò)圖

2 數(shù)字孿生電網(wǎng)的特性與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

在進(jìn)行數(shù)字孿生電網(wǎng)的研究時(shí)，首先需要考慮并解決以下問(wèn)題：(1)如何更準(zhǔn)確地概括數(shù)字孿生電網(wǎng)的特性，并區(qū)分?jǐn)?shù)字孿生電網(wǎng)技術(shù)和傳統(tǒng)電網(wǎng)仿真建模技術(shù)；(2)如何對(duì)現(xiàn)有的數(shù)字孿生電網(wǎng)的落地應(yīng)用進(jìn)行規(guī)范化評(píng)價(jià)，以對(duì)未來(lái)該領(lǐng)域的工作起到指導(dǎo)作用。本節(jié)將總結(jié)不同文獻(xiàn)中數(shù)字孿生電網(wǎng)的關(guān)鍵特性，并以此建立關(guān)于數(shù)字孿生電網(wǎng)項(xiàng)目的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

2.1 數(shù)字孿生電網(wǎng)的特性

總結(jié)數(shù)字孿生電網(wǎng)的特性，需要先從數(shù)字孿生的特性入手。文獻(xiàn)[8]提出互操作性、可拓展性、實(shí)時(shí)性、保真性、閉環(huán)性是數(shù)字孿生的典型特性，實(shí)時(shí)性和閉環(huán)性是傳統(tǒng)仿真技術(shù)不具備的兩個(gè)關(guān)鍵特性，正是如此，傳統(tǒng)仿真技術(shù)也不具備數(shù)字孿生技術(shù)所擁有的分析優(yōu)化能力。文獻(xiàn)[9]指出數(shù)字孿生體系應(yīng)有互動(dòng)性、演繹性、共享性、社會(huì)性4個(gè)特性，以此實(shí)現(xiàn)虛實(shí)雙向數(shù)據(jù)傳遞，即孿生體在實(shí)時(shí)接受實(shí)體數(shù)據(jù)的同時(shí)反過(guò)來(lái)驅(qū)動(dòng)物理實(shí)體。文獻(xiàn)[10]提出孿生體在和實(shí)體有相同物理規(guī)律和運(yùn)行機(jī)理外還應(yīng)該有自治、同步、互動(dòng)、共生4個(gè)重要特性。

文獻(xiàn)[11]在數(shù)字孿生電網(wǎng)尚無(wú)統(tǒng)一定義的情況下提出孿生電網(wǎng)是物理電網(wǎng)通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行全要素?cái)?shù)字化后形成的虛擬鏡像，并提出基于數(shù)字孿生的數(shù)字電網(wǎng)應(yīng)當(dāng)具備全息復(fù)制、孿生交互、虛實(shí)迭代3大特性：(1)全息復(fù)制，基于傳感設(shè)備獲取的數(shù)據(jù)，充分感知、監(jiān)測(cè)并數(shù)字化描述物理電網(wǎng)；(2)孿生交互，基于全息復(fù)制由物理電網(wǎng)建立虛擬電網(wǎng)，在虛擬電網(wǎng)中拓展、增加物理電網(wǎng)的功能，由虛擬電網(wǎng)反饋、指導(dǎo)物理電網(wǎng)的運(yùn)行和管理；(3)虛實(shí)迭代，保持虛擬電網(wǎng)和物理電網(wǎng)時(shí)空一致，虛擬電網(wǎng)預(yù)警物理電網(wǎng)的潛在風(fēng)險(xiǎn)，物理電網(wǎng)反饋指導(dǎo)結(jié)果，虛擬電網(wǎng)校正更新指導(dǎo)，二者以此方式不斷交互，優(yōu)化迭代。文獻(xiàn)[12]提出數(shù)字孿生電力系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中需要具備數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、閉環(huán)反饋和實(shí)時(shí)交互3大特性：(1)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，依據(jù)數(shù)據(jù)建立模型進(jìn)行感知和分析；(2)閉環(huán)反饋，可以讓電力孿生系統(tǒng)擁有主動(dòng)學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)的能力從而實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)更新和優(yōu)化；(3)實(shí)時(shí)交互，串聯(lián)起前兩個(gè)特性，進(jìn)一步完善系統(tǒng)實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)感知和超實(shí)時(shí)虛擬測(cè)試功能。文獻(xiàn)[11,12]關(guān)于這些特性的論述深刻總結(jié)了數(shù)字孿生電網(wǎng)或電力系統(tǒng)的核心要素，兩篇文獻(xiàn)中的特性主要從3個(gè)維度進(jìn)行總結(jié)：(1)怎么樣從實(shí)體到孿生體，全息復(fù)制和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)均圍繞此進(jìn)行展開(kāi)；(2)怎么樣讓數(shù)字孿生發(fā)揮作用，虛實(shí)迭代和閉環(huán)反饋體現(xiàn)了孿生體需要和實(shí)體相互融合優(yōu)化以體現(xiàn)數(shù)字孿生的作用；(3)怎么樣體現(xiàn)孿生而非仿真，孿生交互和實(shí)時(shí)交互突出了孿生體與實(shí)體交互的重要性。略顯不足的是文獻(xiàn)[11]并未就建模方式進(jìn)行說(shuō)明，而文獻(xiàn)[12]沒(méi)有側(cè)重體現(xiàn)孿生電力系統(tǒng)對(duì)實(shí)體電力系統(tǒng)的賦能。

在以上研究基礎(chǔ)上，本文提出數(shù)字孿生電網(wǎng)應(yīng)具有數(shù)據(jù)知識(shí)混合驅(qū)動(dòng)[13]、實(shí)時(shí)雙向交互、虛實(shí)相融共生這3個(gè)最為關(guān)鍵的特性?；诖?大特性，可以對(duì)數(shù)字孿生電網(wǎng)進(jìn)行定義：與物理電網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)雙向交互，利用數(shù)據(jù)知識(shí)混合驅(qū)動(dòng)建模，構(gòu)建多尺度、全面、實(shí)時(shí)的電網(wǎng)數(shù)字化映射，在數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)、異常診斷、決策制定等有孿生需求的電網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行虛實(shí)體間的互相融合和共生。數(shù)據(jù)知識(shí)混合驅(qū)動(dòng)這一特性將幫助數(shù)字孿生電網(wǎng)更精確地進(jìn)行建模，這一方式已經(jīng)在電網(wǎng)中有所應(yīng)用和探索[14,15]。與以往傳統(tǒng)電網(wǎng)仿真技術(shù)不同，不僅僅是從物理電網(wǎng)到仿真電網(wǎng)的單向交互，也不僅僅是有較高時(shí)間延遲的虛實(shí)體間雙向數(shù)據(jù)信息交互。實(shí)時(shí)雙向交互體現(xiàn)在孿生電網(wǎng)實(shí)時(shí)接收物理電網(wǎng)的電氣量數(shù)據(jù)、電力設(shè)備數(shù)據(jù)、監(jiān)控監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等，物理電網(wǎng)實(shí)時(shí)接收來(lái)自孿生電網(wǎng)的數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)、控制指令、異常預(yù)警等反饋信息。這一特性使得數(shù)字孿生電網(wǎng)以數(shù)據(jù)在“物理電網(wǎng)-孿生電網(wǎng)-物理電網(wǎng)”的閉環(huán)傳輸為抓手，以數(shù)據(jù)信息在虛實(shí)體間的極低延遲傳輸為保證，實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生電網(wǎng)的實(shí)時(shí)精準(zhǔn)映射，也即“閉環(huán)性”或“閉環(huán)反饋”[12]。“實(shí)時(shí)雙向交互”與文獻(xiàn)[11]提出的“孿生交互”含義基本相同，但強(qiáng)調(diào)了交互的實(shí)時(shí)性，因?yàn)閷?shí)時(shí)性是數(shù)字孿生電網(wǎng)精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)孿生的保證。文獻(xiàn)[16]利用數(shù)字孿生規(guī)劃火神山醫(yī)院供電案例以及文獻(xiàn)[17]構(gòu)建風(fēng)力發(fā)電機(jī)組數(shù)字孿生系統(tǒng)都體現(xiàn)了這一特性。虛實(shí)相融共生是指數(shù)字孿生電網(wǎng)在實(shí)時(shí)雙向交互的基礎(chǔ)上，一方面實(shí)時(shí)指導(dǎo)物理電網(wǎng)并拓展物理電網(wǎng)的功能，另一方面也在物理電網(wǎng)不斷的實(shí)時(shí)反饋下優(yōu)化自身，這是數(shù)字孿生電網(wǎng)有別于傳統(tǒng)仿真電網(wǎng)的重要特性。

2.2 數(shù)字孿生電網(wǎng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

基于數(shù)字孿生電網(wǎng)的特性，可以進(jìn)一步建立數(shù)字孿生電網(wǎng)項(xiàng)目的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。文獻(xiàn)[10]根據(jù)其提出的數(shù)字孿生電力系統(tǒng)特性建立了包含可視性、可互動(dòng)性、可預(yù)測(cè)性、可解釋性、可假設(shè)性在內(nèi)的5性評(píng)價(jià)體系，其具體展現(xiàn)形式為5性指標(biāo)雷達(dá)圖。另一種評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)則是圍繞數(shù)字孿生電網(wǎng)的特性建立階梯式評(píng)價(jià)體系?！稊?shù)字孿生體技術(shù)白皮書(shū)》[18]提出了數(shù)字孿生體的成熟度模型，即數(shù)字孿生體會(huì)經(jīng)歷數(shù)化、互動(dòng)、先知、先覺(jué)、共智5個(gè)階段的發(fā)展。整個(gè)成熟度模型呈階梯狀，由數(shù)字化物理世界的“數(shù)化”階段逐級(jí)向上發(fā)展到最后不同孿生體共享智慧的“共智”階段。使用此成熟度模型可以對(duì)數(shù)字孿生電網(wǎng)項(xiàng)目發(fā)展情況進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3 數(shù)字孿生電網(wǎng)的典型架構(gòu)

3.1 數(shù)字孿生電網(wǎng)架構(gòu)概述

為了促使數(shù)字孿生技術(shù)盡快投入到應(yīng)用階段，首先需建立基礎(chǔ)的數(shù)字孿生架構(gòu)模型。早期的數(shù)字孿生模型為包含物理實(shí)體、虛擬實(shí)體及二者間連接關(guān)系的3維模型[19]。隨著相關(guān)研究的深入，現(xiàn)在較為普遍接受的是包含物理實(shí)體、虛擬實(shí)體、連接、孿生數(shù)據(jù)、服務(wù)的5維數(shù)字孿生模型[20]。該5維模型是一個(gè)通用的數(shù)字孿生參考架構(gòu)，可以適用到各個(gè)數(shù)字孿生的應(yīng)用領(lǐng)域中，也可以很好地集成人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)。目前有一些不同的數(shù)字孿生電網(wǎng)架構(gòu)被提出，分布在電網(wǎng)不同細(xì)分領(lǐng)域的研究成果中，尚未統(tǒng)一。文獻(xiàn)[11]提出了主要包括物理電網(wǎng)、感知層、傳輸層、數(shù)據(jù)層、平臺(tái)層和應(yīng)用層的6層數(shù)字電網(wǎng)架構(gòu)，其中感知層和傳輸層負(fù)責(zé)對(duì)感知到的數(shù)據(jù)進(jìn)行交互，數(shù)據(jù)層處理數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)數(shù)字化建模，平臺(tái)層為數(shù)字電網(wǎng)所在平臺(tái)。文獻(xiàn)[21]將電力裝備數(shù)字孿生技術(shù)架構(gòu)分為基礎(chǔ)支撐層、數(shù)據(jù)互動(dòng)層、建模仿真層和功能應(yīng)用層，其中基礎(chǔ)支撐層依靠包括感知裝備、傳感網(wǎng)絡(luò)、電力物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)等提供數(shù)字孿生的數(shù)據(jù)源，數(shù)據(jù)互動(dòng)層管理基礎(chǔ)支撐層的數(shù)據(jù)，建模仿真層對(duì)電力裝備進(jìn)行數(shù)字孿生建模、仿真和可視化，功能應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生技術(shù)在電力裝備全生命周期的應(yīng)用。文獻(xiàn)[22]對(duì)通用5維數(shù)字孿生架構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)了關(guān)于數(shù)字孿生虛擬電廠(chǎng)的4層技術(shù)生態(tài)系統(tǒng)，包含物理層、感知層、信息中樞層、決策應(yīng)用層，其中：物理層為基礎(chǔ)，是孿生數(shù)據(jù)的載體，為感知層提供數(shù)據(jù)；感知層是數(shù)據(jù)感知接入的媒介，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)字孿生系統(tǒng)中；信息中樞層是核心，由數(shù)據(jù)中臺(tái)、孿生模型以及智能分析平臺(tái)等內(nèi)容構(gòu)成；決策應(yīng)用層按場(chǎng)景分為設(shè)備管理、配網(wǎng)接入、應(yīng)用業(yè)務(wù)以及運(yùn)營(yíng)管理模塊等。

3.2 4層數(shù)字孿生電網(wǎng)框架及技術(shù)分布

數(shù)字孿生電網(wǎng)框架以物理電網(wǎng)層、孿生數(shù)據(jù)層、孿生電網(wǎng)層、孿生應(yīng)用層這4層架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并在框架設(shè)計(jì)中體現(xiàn)本文所總結(jié)的數(shù)字孿生電網(wǎng)3大特性。表1對(duì)分布于各層中的技術(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，這些技術(shù)主要圍繞著孿生電網(wǎng)的構(gòu)建(由實(shí)到虛)和應(yīng)用(由虛到實(shí))兩大關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行。具體的數(shù)字孿生電網(wǎng)框架及所用技術(shù)棧如圖2所示。

圖2 數(shù)字孿生電網(wǎng)4層架構(gòu)

表1 數(shù)字孿生電網(wǎng)4層架構(gòu)的相關(guān)文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)

物理電網(wǎng)層：物理電網(wǎng)層是數(shù)字孿生電網(wǎng)的基礎(chǔ)，主要由全物理電網(wǎng)的物理要素(包括電網(wǎng)設(shè)施、通信設(shè)備、傳感設(shè)備、數(shù)據(jù)計(jì)算設(shè)備、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備等)組成，該層的兩大根本任務(wù)是實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)感知和保障數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)通信。由于電網(wǎng)中的數(shù)據(jù)具有分布范圍廣、數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)維度高、易受外部環(huán)境干擾等特點(diǎn)，且數(shù)字孿生電網(wǎng)的構(gòu)建對(duì)數(shù)據(jù)有較強(qiáng)的時(shí)效性和準(zhǔn)確性的要求，所以物理電網(wǎng)層的技術(shù)需要從數(shù)據(jù)獲取與感知，數(shù)據(jù)交互與傳輸這兩個(gè)方面進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。在數(shù)據(jù)獲取與感知方面，首先，需要數(shù)字化標(biāo)識(shí)技術(shù)[23]對(duì)電網(wǎng)公司的資產(chǎn)進(jìn)行全方位、規(guī)范化的數(shù)字化標(biāo)識(shí)。其次，要對(duì)電網(wǎng)全域的電氣量及非電氣量進(jìn)行智能感知，文獻(xiàn)[24]介紹了一種建立在監(jiān)測(cè)多物理量基礎(chǔ)上的常用設(shè)備狀態(tài)感知方法。在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)背景下，可以利用物聯(lián)網(wǎng)智能感知高維度多節(jié)點(diǎn)大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器、集中器以及通信信道的保護(hù)等需求[25]，還可以通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)末端的邊緣計(jì)算進(jìn)行更進(jìn)一步的感知優(yōu)化[26]。采集數(shù)據(jù)的效率也極大影響著電網(wǎng)獲取數(shù)據(jù)的能力，文獻(xiàn)[27]提出了一種基于層次聚類(lèi)的異步分布式聚合布局構(gòu)造算法，極大提高了智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集的效率。在數(shù)據(jù)交互與傳輸方面，由于物理電網(wǎng)具有覆蓋面積廣、通信方式多樣、通信數(shù)據(jù)量大的特點(diǎn)，物理電網(wǎng)層需要依賴(lài)基礎(chǔ)通信設(shè)施將孿生電網(wǎng)中的數(shù)據(jù)在各層間進(jìn)行高速穩(wěn)定的交互和傳輸，主要通信方式包括光纖通信、衛(wèi)星通信、無(wú)線(xiàn)通信等。目前的通信技術(shù)尚存在諸如通信時(shí)延較高，功耗較高，覆蓋面積較小等不足，可以基于最新一代5G通信技術(shù)來(lái)滿(mǎn)足數(shù)字孿生電網(wǎng)中數(shù)據(jù)傳輸交互的高標(biāo)準(zhǔn)要求。文獻(xiàn)[28]探討了5G技術(shù)在電網(wǎng)中的應(yīng)用。在通信協(xié)議方面，根據(jù)孿生電網(wǎng)建設(shè)中不同場(chǎng)景的數(shù)據(jù)傳輸要求，可以選擇不同的IoT(Internet of Things)通信協(xié)議[21]來(lái)實(shí)現(xiàn)。

孿生數(shù)據(jù)層：孿生數(shù)據(jù)層是基于物理電網(wǎng)層獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)資源匯集處理，為孿生電網(wǎng)層建立基礎(chǔ)，主要從數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、處理、融合等方面入手[21]。孿生數(shù)據(jù)層的數(shù)據(jù)包括電力數(shù)據(jù)(物理電網(wǎng)層感知獲取的電氣量、全電網(wǎng)物理設(shè)備數(shù)據(jù))、環(huán)境數(shù)據(jù)(氣象數(shù)據(jù)、地理數(shù)據(jù)等)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和人員數(shù)據(jù)(工作人員的各種行為數(shù)據(jù))。由于從物理電網(wǎng)層中獲取的數(shù)據(jù)是多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，所以在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)可以采取諸如MongoDB, Neo4j等非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，同時(shí)也需要解決多源異構(gòu)電力感知數(shù)據(jù)的深度融合分析問(wèn)題[29]。在針對(duì)電力數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析時(shí)，隨著數(shù)據(jù)量逐漸變大，如果仍采取云計(jì)算會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，所以數(shù)據(jù)處理部分功能可以采取邊緣計(jì)算和云計(jì)算結(jié)合的方式進(jìn)行，從而不影響孿生電網(wǎng)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。數(shù)據(jù)中臺(tái)技術(shù)也可以用于數(shù)字孿生電網(wǎng)中，因?yàn)殡娏?shù)據(jù)有來(lái)源分散、數(shù)據(jù)量大、結(jié)構(gòu)多樣等特點(diǎn)，孿生數(shù)據(jù)層需要通過(guò)建設(shè)橫向關(guān)聯(lián)、縱向貫通的數(shù)據(jù)中臺(tái)，作為數(shù)據(jù)的匯聚、治理、挖掘、共享中心[11]，以此為數(shù)字孿生電網(wǎng)的建設(shè)提供精細(xì)化的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

孿生電網(wǎng)層：孿生電網(wǎng)層將對(duì)物理電網(wǎng)進(jìn)行精準(zhǔn)映射、智能支撐，對(duì)孿生電網(wǎng)模型進(jìn)行實(shí)時(shí)更新，是數(shù)字孿生電網(wǎng)的核心部分。以深度學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)挖掘?yàn)榛A(chǔ)的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)技術(shù)已經(jīng)在電網(wǎng)具體場(chǎng)景應(yīng)用中取得了不錯(cuò)的效果[30,31]。出于對(duì)模型的高精度要求，數(shù)字孿生電網(wǎng)在建模時(shí)不能采取傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)驅(qū)動(dòng)建模方式，而是應(yīng)該使用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方式。如文獻(xiàn)[32]就利用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行發(fā)電機(jī)的等效建模，進(jìn)一步還可以采用數(shù)據(jù)知識(shí)驅(qū)動(dòng)混合建模方式進(jìn)行孿生電網(wǎng)建模，這體現(xiàn)了數(shù)字孿生電網(wǎng)的數(shù)據(jù)知識(shí)混合驅(qū)動(dòng)特性，以數(shù)據(jù)和知識(shí)不斷迭代、改進(jìn)模型，及時(shí)反映設(shè)備、電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)[9]。在數(shù)據(jù)不足、丟失或者從頭構(gòu)建數(shù)字孿生模型成本過(guò)高時(shí)，可以采取基于歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行遷移學(xué)習(xí)[33]。在構(gòu)建孿生電網(wǎng)模型時(shí)，可以采取分模塊、分步驟、從小到大進(jìn)行，如可以先實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備的孿生建模，再逐步上升到孿生電網(wǎng)子系統(tǒng)、孿生局部電網(wǎng)，最后整合成為統(tǒng)一的孿生電網(wǎng)。

孿生應(yīng)用層：孿生應(yīng)用層作用是在數(shù)字孿生電網(wǎng)模型基礎(chǔ)上，全方位、多尺度地對(duì)物理電網(wǎng)在“發(fā)、輸、變、配、用”5大環(huán)節(jié)中的數(shù)據(jù)分析、可視化交互等功能接口進(jìn)行拓展或增強(qiáng)。從面向電網(wǎng)(如異常預(yù)警、故障診斷等)、面向業(yè)務(wù)(如負(fù)荷預(yù)測(cè)、調(diào)度規(guī)劃等)、面向管理(如人員管理、電網(wǎng)企業(yè)投資等)3個(gè)維度提供各類(lèi)應(yīng)用接口。為電網(wǎng)設(shè)備監(jiān)測(cè)、電網(wǎng)運(yùn)行管理、電網(wǎng)企業(yè)運(yùn)營(yíng)決策、工作人員培訓(xùn)等物理電網(wǎng)運(yùn)行中的各類(lèi)場(chǎng)景提供應(yīng)用。孿生應(yīng)用層中的數(shù)據(jù)分析主要是以大數(shù)據(jù)技術(shù)、人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。而常用應(yīng)用中的可視化交互則需要3D可視化仿真技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，由于要對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行多物理場(chǎng)、全尺度的仿真，所以需要犧牲部分精度換取更快速的仿真技術(shù)(如模型降階技術(shù))，來(lái)滿(mǎn)足孿生電網(wǎng)的實(shí)時(shí)性[21]。

物理電網(wǎng)層感知獲取數(shù)據(jù)，孿生數(shù)據(jù)層匯集分析數(shù)據(jù)，孿生電網(wǎng)層構(gòu)建孿生電網(wǎng)模型，孿生應(yīng)用層提供功能接口，數(shù)據(jù)信息在4層框架中以“物理電網(wǎng)層-孿生數(shù)據(jù)層-孿生電網(wǎng)層-孿生應(yīng)用層-物理電網(wǎng)層”(或可以簡(jiǎn)化為“物理電網(wǎng)層-孿生電網(wǎng)層-物理電網(wǎng)層”)進(jìn)行實(shí)時(shí)的、雙向的閉環(huán)交互，這體現(xiàn)了數(shù)字孿生電網(wǎng)的實(shí)時(shí)雙向交互特性。在實(shí)時(shí)雙向交互基礎(chǔ)上，物理電網(wǎng)實(shí)時(shí)感知并傳輸數(shù)據(jù)、孿生電網(wǎng)實(shí)時(shí)更新模型并提供接口，以此實(shí)時(shí)優(yōu)化物理電網(wǎng)，體現(xiàn)虛實(shí)相融共生這一特性。

4 數(shù)字孿生電網(wǎng)的應(yīng)用及演進(jìn)

數(shù)字孿生電網(wǎng)將物理電網(wǎng)完全映射到數(shù)字空間中，保證虛實(shí)電網(wǎng)實(shí)時(shí)雙向交互數(shù)據(jù)；實(shí)時(shí)更新電網(wǎng)模型、實(shí)時(shí)反饋物理電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)電網(wǎng)相融共生，因此數(shù)字孿生電網(wǎng)的應(yīng)用也不僅僅是傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集和分析。文獻(xiàn)[10]提出數(shù)字孿生可以在4個(gè)領(lǐng)域?qū)﹄娏ο到y(tǒng)進(jìn)行賦能，也可以以此來(lái)概括數(shù)字孿生電網(wǎng)的應(yīng)用：(1)增強(qiáng)感知，以孿生電網(wǎng)基于數(shù)據(jù)和物理規(guī)則來(lái)補(bǔ)充傳感器沒(méi)有量測(cè)到的數(shù)據(jù)；(2)增強(qiáng)認(rèn)知，利用數(shù)字孿生電網(wǎng)模擬物理電網(wǎng)的運(yùn)行來(lái)獲取更多電網(wǎng)中的規(guī)律；(3)增強(qiáng)智能，利用機(jī)器學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)機(jī)器智能；(4)增強(qiáng)控制，將孿生電網(wǎng)作為電網(wǎng)中控制算法的測(cè)試平臺(tái)。本節(jié)將從數(shù)字孿生電網(wǎng)在電網(wǎng)各運(yùn)行場(chǎng)景中的應(yīng)用及其在更大領(lǐng)域內(nèi)拓展演進(jìn)后的應(yīng)用這兩個(gè)方面進(jìn)行綜述。

4.1 數(shù)字孿生電網(wǎng)的應(yīng)用

孿生電網(wǎng)能實(shí)時(shí)精準(zhǔn)映射物理電網(wǎng)，其具體應(yīng)用可以體現(xiàn)在以下5個(gè)場(chǎng)景，相關(guān)文獻(xiàn)分布如表2所示。

表2 數(shù)字孿生電網(wǎng)的相關(guān)應(yīng)用場(chǎng)景分類(lèi)統(tǒng)計(jì)

(1)電力系統(tǒng)分析。隨著電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大和新能源分布式電網(wǎng)的不斷發(fā)展，電力系統(tǒng)變得日趨復(fù)雜，電力系統(tǒng)分析的響應(yīng)速度需要更快，數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確率需要更高?；跀?shù)字孿生可以實(shí)現(xiàn)面向未來(lái)的新型電力系統(tǒng)分析與控制體系架構(gòu)[34,35]，文獻(xiàn)[36]討論了數(shù)字孿生技術(shù)在新型電力系統(tǒng)中的適用性，文獻(xiàn)[37]基于數(shù)字孿生技術(shù)在D5000在線(xiàn)分析平臺(tái)中新增了一個(gè)應(yīng)用級(jí)分析平臺(tái)。數(shù)字孿生電網(wǎng)基于先進(jìn)算法和強(qiáng)大算力，在高性能并行計(jì)算、復(fù)雜事件處理等方面可以進(jìn)一步提高電力系統(tǒng)分析的效率和可靠性，以適應(yīng)未來(lái)電力系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)。

(2)狀態(tài)評(píng)估。在電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，及時(shí)準(zhǔn)確地進(jìn)行系統(tǒng)狀態(tài)評(píng)估，可以確保電力系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[38]提出了一種基于數(shù)字孿生的電網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)方法，文獻(xiàn)[39,40]基于數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)變壓器進(jìn)行了狀態(tài)評(píng)估。一方面，相比于傳統(tǒng)電網(wǎng)仿真技術(shù)，數(shù)字孿生電網(wǎng)與物理電網(wǎng)相似度更高，能更準(zhǔn)確估計(jì)電網(wǎng)及其中設(shè)備的狀態(tài)情況。另一方面，數(shù)字孿生電網(wǎng)可以及時(shí)基于狀態(tài)評(píng)估指導(dǎo)物理電網(wǎng)，物理電網(wǎng)也可以及時(shí)反饋從而修改孿生電網(wǎng)模型，這樣大大提高了孿生電網(wǎng)狀態(tài)評(píng)估的實(shí)用性。

(3)電力數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)。準(zhǔn)確的電力數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)可以提高電網(wǎng)的運(yùn)行效率和智能決策水平，是智能電網(wǎng)的研究重點(diǎn)之一。數(shù)字孿生技術(shù)已在電力數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)方面有所應(yīng)用，如光伏發(fā)電功率預(yù)測(cè)[33,41]，風(fēng)力發(fā)電預(yù)測(cè)[42]等。與傳統(tǒng)電力數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)方法相比，數(shù)字孿生電網(wǎng)在預(yù)測(cè)精度方面更高，同時(shí)利用數(shù)字孿生特性為預(yù)測(cè)模型提供了實(shí)時(shí)維護(hù)和更新，保證了長(zhǎng)時(shí)間的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。

(4)電網(wǎng)健康維護(hù)。利用數(shù)字孿生的可視性和實(shí)時(shí)性可以實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)故障診斷[43–45]、故障定位[46]、異常預(yù)警[47]、提供保護(hù)[48]，從而實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的健康維護(hù)，如文獻(xiàn)[17]就以此對(duì)風(fēng)電機(jī)組的塔筒和機(jī)艙進(jìn)行監(jiān)測(cè)與預(yù)警。這些工作一般先對(duì)于裸露在外部的電網(wǎng)設(shè)備，利用常規(guī)視頻圖像、紅外圖像、激光點(diǎn)云等多技術(shù)感知的電網(wǎng)巡檢數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字孿生可視化，再結(jié)合孿生電網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行健康維護(hù)。相比于傳統(tǒng)的健康維護(hù)方法，數(shù)字孿生電網(wǎng)在數(shù)據(jù)感知、模型訓(xùn)練更新等方面性能更優(yōu)異，所以其在進(jìn)行健康維護(hù)時(shí)具有準(zhǔn)確及時(shí)、快速靈敏等優(yōu)點(diǎn)。其中，對(duì)于電網(wǎng)設(shè)備難以直接從外觀(guān)表征觀(guān)測(cè)的情況，如密閉的變壓器內(nèi)部等，數(shù)字孿生電網(wǎng)可以根據(jù)實(shí)時(shí)感知到的數(shù)據(jù)進(jìn)行故障診斷、異常檢測(cè)等健康維護(hù)。

(5)仿真建模。利用數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建電網(wǎng)的數(shù)字孿生體，進(jìn)行電網(wǎng)的全域多尺度仿真建模，如電網(wǎng)供電規(guī)劃[16]、風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)[17]、城軌供電系統(tǒng)[49]、斷路器[50]、工業(yè)電網(wǎng)[51]、大型可再生能源發(fā)電機(jī)[52]的仿真建模，進(jìn)一步可以在仿真模型基礎(chǔ)上進(jìn)行行為仿真和研究[53]。與傳統(tǒng)仿真建模方式相比，數(shù)字孿生電網(wǎng)一方面可以與物理電網(wǎng)、電網(wǎng)工作人員進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，并主動(dòng)校正模型。另一方面，數(shù)字孿生電網(wǎng)可以依靠更強(qiáng)大的計(jì)算能力實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行大范圍、全區(qū)域、多尺度的動(dòng)態(tài)可視化。

4.2 數(shù)字孿生電網(wǎng)的演進(jìn)

在對(duì)物理電網(wǎng)進(jìn)行數(shù)字孿生化后，還可以嘗試將孿生電網(wǎng)放到更大的維度中去應(yīng)用。能源互聯(lián)網(wǎng)及其數(shù)字孿生系統(tǒng)不僅在技術(shù)層面上有了更高要求，還極大地拓展了電力互聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)涵和外延[54]。文獻(xiàn)[55]設(shè)計(jì)了一種能源互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字孿生系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)合人工智能技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等新興技術(shù)，保障能源互聯(lián)網(wǎng)穩(wěn)定、安全地運(yùn)行。數(shù)字孿生能源互聯(lián)網(wǎng)可以在具有隨機(jī)不確定性、機(jī)理模糊性、控制復(fù)雜性等特點(diǎn)的能源互聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景下進(jìn)行電力設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)、電網(wǎng)安全分析與自主調(diào)控、用戶(hù)多元服務(wù)、結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)規(guī)劃等典型應(yīng)用[55,56]。文獻(xiàn)[57,58]針對(duì)以電網(wǎng)為主體的智慧能源系統(tǒng)，分析了數(shù)字孿生技術(shù)在智慧能源系統(tǒng)中的需求、價(jià)值與意義，展望了智慧能源系統(tǒng)中數(shù)字孿生技術(shù)的未來(lái)發(fā)展與應(yīng)用。

傳統(tǒng)電網(wǎng)往往由于設(shè)備復(fù)雜、管理水平低下等導(dǎo)致其運(yùn)行效率低、能耗高[59]，隨著以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)不斷發(fā)展，傳統(tǒng)電網(wǎng)要抓住新能源技術(shù)和數(shù)字化技術(shù)，加速向綜合能源系統(tǒng)演進(jìn)。未來(lái)的綜合能源系統(tǒng)將以電能和電網(wǎng)為核心，因此，數(shù)字孿生綜合能源系統(tǒng)將以數(shù)字孿生電網(wǎng)為核心，具備環(huán)保、安全、互聯(lián)、智能、高效、經(jīng)濟(jì)等特征，從能源生產(chǎn)到消費(fèi)貫穿能源行業(yè)的方方面面[58]，其概念如圖3所示。

圖3 數(shù)字孿生綜合能源系統(tǒng)概念圖

5 數(shù)字孿生電網(wǎng)的挑戰(zhàn)性問(wèn)題

5.1 孿生電網(wǎng)數(shù)據(jù)的管理

數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生電網(wǎng)的核心要素，從數(shù)據(jù)的角度提升孿生電網(wǎng)質(zhì)量及水平主要分3個(gè)方面：數(shù)據(jù)感知、數(shù)據(jù)通信和數(shù)據(jù)分析。數(shù)據(jù)感知方面，孿生模型的構(gòu)建需要精確、全面地感知獲取物理電網(wǎng)的數(shù)據(jù)。但在物理電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，其傳感設(shè)備仍不能滿(mǎn)足孿生電網(wǎng)對(duì)數(shù)據(jù)的要求，如存在無(wú)法感知的盲區(qū)或感知數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確的情況。需要優(yōu)化更新電網(wǎng)中傳感器，提高對(duì)物理電網(wǎng)的數(shù)據(jù)感知能力，提升傳感設(shè)備感知數(shù)據(jù)的精度，提高傳感設(shè)備感知數(shù)據(jù)的覆蓋維度，全面提升驅(qū)動(dòng)數(shù)字孿生電網(wǎng)建模的數(shù)據(jù)質(zhì)量。數(shù)據(jù)通信方面，也存在著時(shí)延過(guò)大、數(shù)據(jù)噪聲等問(wèn)題。如何加強(qiáng)數(shù)據(jù)在孿生電網(wǎng)內(nèi)部、孿生電網(wǎng)和物理電網(wǎng)間的傳輸能力，使海量數(shù)據(jù)在極低時(shí)延、極小異常率條件下傳輸。數(shù)據(jù)分析方面，需要綜合利用大數(shù)據(jù)技術(shù)以及各種新興人工智能技術(shù)，并不斷優(yōu)化算法，提升數(shù)據(jù)分析的能力。

5.2 孿生電網(wǎng)模型的構(gòu)建

在孿生電網(wǎng)的構(gòu)建中，模型構(gòu)建是較為重要也較為困難的部分。物理電網(wǎng)中包含海量的電力設(shè)備、人員、資產(chǎn)，其中巨大的數(shù)據(jù)量和復(fù)雜的數(shù)據(jù)維度會(huì)給孿生建模帶來(lái)極大的挑戰(zhàn)，比如對(duì)電網(wǎng)中電力裝備進(jìn)行建模時(shí)就需要解決全尺度多物理場(chǎng)耦合模型的建立這一難點(diǎn)[21]，又比如在對(duì)輸變電設(shè)備進(jìn)行孿生建模時(shí)存在的數(shù)據(jù)量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、特殊運(yùn)行工況等問(wèn)題[60]。在數(shù)字孿生電網(wǎng)模型構(gòu)建過(guò)程中，如何更好地應(yīng)用已有的電網(wǎng)領(lǐng)域的專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)去結(jié)合數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)技術(shù)建模，從而使得模型更加精準(zhǔn)；如何保證數(shù)字孿生電網(wǎng)的虛實(shí)相融共生，使得模型和物理電網(wǎng)在復(fù)雜多變不穩(wěn)定的運(yùn)行環(huán)境中時(shí)刻保持同步，即物理電網(wǎng)支持孿生模型實(shí)時(shí)更新優(yōu)化，孿生模型實(shí)時(shí)對(duì)物理電網(wǎng)進(jìn)行應(yīng)用上的拓展。

5.3 孿生電網(wǎng)的可視化

物理電網(wǎng)跨域廣、設(shè)備多、運(yùn)行情況多樣，這些特點(diǎn)就造成了電網(wǎng)中存在數(shù)據(jù)量龐大、數(shù)據(jù)交互頻繁、數(shù)據(jù)更新快等問(wèn)題。在完成孿生電網(wǎng)的建模后，這些問(wèn)題就會(huì)給孿生電網(wǎng)的可視化交互分析帶來(lái)挑戰(zhàn)。應(yīng)該如何設(shè)計(jì)可視化分析與交互的方案，從而使得孿生電網(wǎng)能更好地賦能電網(wǎng)企業(yè)的決策、執(zhí)行、運(yùn)營(yíng)等環(huán)節(jié)；應(yīng)該如何保證可視化技術(shù)能夠良好響應(yīng)，從而體現(xiàn)孿生電網(wǎng)的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性，體現(xiàn)數(shù)字孿生電網(wǎng)可視化相比較于傳統(tǒng)電網(wǎng)仿真技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。工業(yè)4.0研究院就數(shù)字孿生電網(wǎng)的發(fā)展問(wèn)題給出1.0-3.0的演進(jìn)過(guò)程[61]，即從“DTL1(Digital Twin Level 1)的幾何形狀”到“DTL2引入GIS(Geographic Information System)等數(shù)據(jù)”再到“DTL3全面采用點(diǎn)云驅(qū)動(dòng)”?；诖搜葸M(jìn)過(guò)程，在可視化方面，數(shù)字孿生電網(wǎng)可以從兩個(gè)維度解決這些問(wèn)題，如圖4所示：首先，如何從點(diǎn)到面，從單一的電力設(shè)備到電網(wǎng)中的簡(jiǎn)單子系統(tǒng)，從子系統(tǒng)再到局部電網(wǎng)，從局部電網(wǎng)到整體電網(wǎng)；其次，如何由表及里，從基礎(chǔ)形狀可視化到高精度仿真可視化，再到多尺度多維度的全電網(wǎng)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)可視化。

圖4 解決可視化交互挑戰(zhàn)性問(wèn)題的兩個(gè)維度

5.4 孿生電網(wǎng)的信息物理安全

數(shù)字孿生電網(wǎng)是未來(lái)電網(wǎng)數(shù)字化的核心，甚至是演進(jìn)后的數(shù)字孿生能源系統(tǒng)的核心，所以數(shù)字孿生電網(wǎng)的信息物理安全問(wèn)題就成了未來(lái)的一大挑戰(zhàn)性問(wèn)題。針對(duì)數(shù)字孿生電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)攻擊會(huì)導(dǎo)致數(shù)字孿生電網(wǎng)出現(xiàn)數(shù)據(jù)泄密、系統(tǒng)失靈、決策失效等問(wèn)題，進(jìn)一步導(dǎo)致更嚴(yán)重的社會(huì)問(wèn)題。針對(duì)數(shù)字孿生電網(wǎng)的信息物理安全問(wèn)題可能來(lái)自?xún)?nèi)外部?jī)煞矫妫缤獠康膼阂饩W(wǎng)絡(luò)攻擊和內(nèi)部的系統(tǒng)運(yùn)行故障。如何建立一個(gè)覆蓋數(shù)字孿生電網(wǎng)的及時(shí)準(zhǔn)確的安全監(jiān)測(cè)機(jī)制，如何針對(duì)外部惡意攻擊建立健壯的保護(hù)機(jī)制，如何在發(fā)生信息物理安全問(wèn)題后建立有效的容錯(cuò)機(jī)制以保證數(shù)字孿生電網(wǎng)正常運(yùn)行。

5.5 孿生電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的確立

數(shù)字孿生電網(wǎng)領(lǐng)域已經(jīng)有了一定的相關(guān)探索和應(yīng)用，如何對(duì)當(dāng)前的及未來(lái)的數(shù)字孿生電網(wǎng)項(xiàng)目的孿生程度建立合適、準(zhǔn)確、可量化的評(píng)價(jià)體系，從而確立標(biāo)準(zhǔn)，這一問(wèn)題將影響后續(xù)研究的展開(kāi)。前文所述的研究給出了一些可參考的孿生程度標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)價(jià)體系，但當(dāng)前在數(shù)字孿生電網(wǎng)領(lǐng)域，還沒(méi)有形成標(biāo)準(zhǔn)化的評(píng)價(jià)體系。需要結(jié)合數(shù)字孿生電網(wǎng)的特性，由標(biāo)準(zhǔn)化組織、行業(yè)協(xié)會(huì)或其他權(quán)威組織提出一套健全的、可量化的數(shù)字孿生電網(wǎng)項(xiàng)目評(píng)價(jià)體系。除了上述評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)之外，在數(shù)字孿生電網(wǎng)的未來(lái)應(yīng)用中，結(jié)合數(shù)字孿生基礎(chǔ)共性標(biāo)準(zhǔn)[62]，還需要圍繞著構(gòu)建孿生電網(wǎng)的硬件設(shè)備、通信技術(shù)及協(xié)議、人工智能技術(shù)、通用可視化平臺(tái)等建立數(shù)字孿生電網(wǎng)通用的實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)，以保證各層級(jí)孿生電網(wǎng)、各區(qū)域?qū)\生電網(wǎng)聯(lián)通時(shí)更加高效。除了上節(jié)所述的物理信息安全問(wèn)題，數(shù)字孿生電網(wǎng)還存在許多安全運(yùn)行問(wèn)題，因此需要建立數(shù)字孿生電網(wǎng)的維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范應(yīng)用孿生電網(wǎng)的操作，保證孿生電網(wǎng)的軟硬件安全及數(shù)據(jù)安全。

5.6 孿生電網(wǎng)生態(tài)的建立

數(shù)字孿生電網(wǎng)的未來(lái)發(fā)展需要完善的生態(tài)構(gòu)建，才能更好地給電網(wǎng)公司賦能。數(shù)字孿生電網(wǎng)乃至數(shù)字孿生目前尚處于初期探索階段，此相關(guān)領(lǐng)域還沒(méi)有較好的開(kāi)源、開(kāi)放平臺(tái)以供學(xué)術(shù)研究和工業(yè)應(yīng)用。例如，有部分?jǐn)?shù)字孿生電網(wǎng)的研究工作借助游戲引擎，導(dǎo)致無(wú)法實(shí)現(xiàn)精細(xì)化電網(wǎng)管理等高級(jí)需求[61]。電網(wǎng)行業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè)、科研機(jī)構(gòu)需要推動(dòng)數(shù)字孿生電網(wǎng)開(kāi)源技術(shù)生態(tài)的建設(shè)，以加快數(shù)字孿生電網(wǎng)的基礎(chǔ)技術(shù)升級(jí)和產(chǎn)業(yè)鏈形成。生態(tài)建立的挑戰(zhàn)性問(wèn)題來(lái)自3個(gè)方面，首先，需要聯(lián)合電網(wǎng)領(lǐng)域的科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)，建立一個(gè)數(shù)字孿生電網(wǎng)的開(kāi)源社區(qū)；其次，貼合電網(wǎng)的實(shí)際業(yè)務(wù)需求，設(shè)計(jì)一個(gè)適合電網(wǎng)公司使用的數(shù)字孿生平臺(tái)；最后，整合學(xué)術(shù)理論成果和工程應(yīng)用技術(shù)，推出一批具有代表性的數(shù)字孿生電網(wǎng)項(xiàng)目，形成一個(gè)完善的數(shù)字孿生電網(wǎng)產(chǎn)業(yè)生態(tài)并不斷迭代改進(jìn)。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了基于數(shù)字孿生技術(shù)的數(shù)字孿生電網(wǎng)的定義，從以下幾個(gè)方面對(duì)數(shù)字孿生電網(wǎng)研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)：

(1)歸納了數(shù)字孿生電網(wǎng)的主要特性和項(xiàng)目評(píng)價(jià)體系。本文結(jié)合數(shù)字孿生通用特性與數(shù)字孿生電網(wǎng)特性，從模型建立、人機(jī)交互、模型維護(hù)、模型應(yīng)用等維度把握孿生這一關(guān)鍵詞，總結(jié)出數(shù)據(jù)知識(shí)混合驅(qū)動(dòng)、實(shí)時(shí)雙向交互、虛實(shí)相融共生這3大特性，從核心特性角度評(píng)價(jià)了數(shù)字孿生電網(wǎng)整體性的解決方案。進(jìn)而提出可以根據(jù)3大特性建立孿生電網(wǎng)項(xiàng)目的評(píng)價(jià)體系。

(2)論述了數(shù)字孿生電網(wǎng)架構(gòu)及實(shí)現(xiàn)。在架構(gòu)方面，基于已有研究中提出的架構(gòu)和數(shù)字孿生一般化架構(gòu)，提出了包括物理電網(wǎng)層、孿生數(shù)據(jù)層、孿生電網(wǎng)層、孿生應(yīng)用層的4層架構(gòu)體系，并就4層架構(gòu)的孿生電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，從技術(shù)實(shí)現(xiàn)角度總結(jié)了數(shù)字孿生電網(wǎng)的解決方案。

(3)介紹了數(shù)字孿生電網(wǎng)的相關(guān)應(yīng)用和演進(jìn)。從電力系統(tǒng)分析、狀態(tài)評(píng)估、數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)、健康維護(hù)、仿真建模等方面介紹了數(shù)字孿生電網(wǎng)的應(yīng)用，從具體應(yīng)用場(chǎng)景角度介紹了數(shù)字孿生電網(wǎng)的解決方案，并在更大維度上(如數(shù)字孿生能源互聯(lián)網(wǎng)、智慧能源系統(tǒng)等)探討了數(shù)字孿生電網(wǎng)的演進(jìn)。

(4)分析了數(shù)字孿生電網(wǎng)的挑戰(zhàn)性問(wèn)題。挑戰(zhàn)性問(wèn)題可以分成數(shù)據(jù)管理、模型構(gòu)建、可視化、信息物理安全、標(biāo)準(zhǔn)確立和生態(tài)建立6個(gè)方面。其中前4個(gè)挑戰(zhàn)性問(wèn)題是當(dāng)前數(shù)字孿生電網(wǎng)發(fā)展的技術(shù)瓶頸，數(shù)據(jù)管理和模型構(gòu)建影響著數(shù)字孿生電網(wǎng)構(gòu)建和應(yīng)用時(shí)的數(shù)據(jù)精度、通信效率和決策準(zhǔn)度；可視化交互方面的問(wèn)題則來(lái)自實(shí)時(shí)孿生電網(wǎng)中的海量數(shù)據(jù)和復(fù)雜運(yùn)行情況；信息物理安全方面的問(wèn)題則是孿生電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)會(huì)有來(lái)自孿生電網(wǎng)內(nèi)外部的攻擊或者問(wèn)題，導(dǎo)致數(shù)據(jù)泄密、系統(tǒng)失靈和決策失效。而更為重要的是宏觀(guān)層面標(biāo)準(zhǔn)確立和生態(tài)建立方面的問(wèn)題，應(yīng)該自上而下對(duì)其進(jìn)行引導(dǎo)，才能更好地促進(jìn)數(shù)字孿生電網(wǎng)發(fā)展。