數(shù)字孿生技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用

（國網(wǎng)四川省電力公司互聯(lián)網(wǎng)部，四川成都市，610000）鄒仕富

在電網(wǎng)不斷發(fā)展的過程中，靈活化、特高壓和新能源為重點(diǎn)，從而改變傳統(tǒng)骨干電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。之后，實(shí)現(xiàn)基于新能源的新型電力系統(tǒng)創(chuàng)建，提高了電網(wǎng)運(yùn)行規(guī)則復(fù)雜度、不確定性，以此創(chuàng)建快速精準(zhǔn)響應(yīng)、多維立體模型的電網(wǎng)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。使用數(shù)字孿生技術(shù)能夠推演物理系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)、控制響應(yīng)等信息，根據(jù)映射實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)鏡像數(shù)字模型的創(chuàng)建，應(yīng)用到電網(wǎng)復(fù)合建模中。以此，本文就分析基于數(shù)字孿生技術(shù)的智能電網(wǎng)設(shè)計(jì)。

1 智能電網(wǎng)數(shù)字孿生的技術(shù)架構(gòu)

電網(wǎng)公司通過創(chuàng)建電臺(tái)GIS平臺(tái)、用電信息采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)中臺(tái)等平臺(tái)，能夠進(jìn)一步提高電網(wǎng)的數(shù)字化水平，為電網(wǎng)數(shù)字孿生建設(shè)打下基礎(chǔ)。智能電網(wǎng)數(shù)字孿生技術(shù)架構(gòu)詳見圖1，智能配電網(wǎng)臺(tái)區(qū)的變壓器、配電線路等設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生架構(gòu)物理層的創(chuàng)建；利用數(shù)據(jù)中臺(tái)、采集裝置、傳輸網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)集成層實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸、收集和存儲(chǔ)，創(chuàng)建數(shù)據(jù)層；在數(shù)據(jù)中臺(tái)分析服務(wù)層封裝計(jì)算分析模型，構(gòu)成數(shù)字孿生架構(gòu)模型層；利用臺(tái)區(qū)拓?fù)鋱D、信息系統(tǒng)用戶界面創(chuàng)建展示層；針對(duì)不同功能微應(yīng)用群創(chuàng)建功能層。

圖1 智能電網(wǎng)數(shù)字孿生技術(shù)的架構(gòu)

1.1 物理電網(wǎng)

物理電網(wǎng)使用分布式電源和集中電源結(jié)合實(shí)現(xiàn)功能，基于差異性負(fù)荷需求與多市場(chǎng)主題博弈創(chuàng)建復(fù)雜結(jié)構(gòu)、多設(shè)備的高維信息物理系統(tǒng)，具備隨機(jī)不確定性、部分客觀策行、時(shí)變非線性，通過標(biāo)準(zhǔn)控制接口與數(shù)字化標(biāo)識(shí)實(shí)現(xiàn)虛實(shí)互動(dòng)入口的創(chuàng)建。電網(wǎng)中的所有物理元素?cái)?shù)字標(biāo)識(shí)是唯一的，使多屬性感知信息收集、數(shù)據(jù)集成和決策指令執(zhí)行相互融合。利用所有要素實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化控制信息接口的創(chuàng)建，并且接收虛擬電網(wǎng)反饋控制指令，對(duì)資源要素進(jìn)行配置。

1.2 感知層

針對(duì)應(yīng)用場(chǎng)景與感知需求的不同，實(shí)現(xiàn)數(shù)字電網(wǎng)創(chuàng)建感知體系，利用廣發(fā)部署邊緣計(jì)算機(jī)能力、精準(zhǔn)感知能力的傳感器、儀表、采集器等感知設(shè)備收集各種數(shù)據(jù)，創(chuàng)建大規(guī)模、協(xié)同化、大范圍的感知系統(tǒng)。根據(jù)定向點(diǎn)招、局域組網(wǎng)、動(dòng)態(tài)廣播通過感知設(shè)備對(duì)信息進(jìn)行收集，利用統(tǒng)一收集整合電網(wǎng)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，創(chuàng)建感知布局。利用感知層實(shí)現(xiàn)分析、處理等能力，并且實(shí)現(xiàn)自我管理，通過優(yōu)化結(jié)果、自我組織等進(jìn)行上傳交互。

1.3 傳輸層

傳輸層指的是電網(wǎng)雙向安全可靠傳輸?shù)耐ǖ?，物理不同世界的虛?shí)協(xié)同運(yùn)行模式，實(shí)現(xiàn)可靠、終端接入的物理通信網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建，從而提供廣覆蓋、大連接的數(shù)據(jù)傳輸。結(jié)合WLAN、光纖和蜂窩無線的通信結(jié)構(gòu)，根據(jù)高速電力泛在通信網(wǎng)實(shí)現(xiàn)多維信息的獲取、協(xié)同、傳輸和匯聚。傳輸層處理信息，進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)資源的調(diào)配能力，從而實(shí)現(xiàn)根據(jù)實(shí)際需求設(shè)置，部署安全網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備，有效滿足不同級(jí)別的業(yè)務(wù)安全需求。

1.4 數(shù)據(jù)層

通過數(shù)據(jù)中臺(tái)根據(jù)數(shù)據(jù)層實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)全要素、流程與業(yè)務(wù)數(shù)字化載體的創(chuàng)建，數(shù)據(jù)層能夠?qū)崿F(xiàn)規(guī)劃、營銷、調(diào)度等業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)波形庫、影像庫、文本庫等資源的創(chuàng)建，創(chuàng)建不同終端、系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、工單數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)流程的壁壘。挖掘融合數(shù)據(jù)、集成數(shù)據(jù)，觀察電網(wǎng)不同業(yè)務(wù)決策、反饋、執(zhí)行的觀察，將電力系統(tǒng)的特征進(jìn)行提取。

1.5 平臺(tái)層

基于集成數(shù)據(jù)、信息特征、知識(shí)圖譜，要?jiǎng)?chuàng)建物理電網(wǎng)、運(yùn)行行為和設(shè)備終端的模型，創(chuàng)建精準(zhǔn)映射虛擬電網(wǎng)優(yōu)化決策平臺(tái)。通過平臺(tái)層創(chuàng)建推理、學(xué)習(xí)、記憶、挖掘的電力大腦，構(gòu)成具備知識(shí)計(jì)算、概念識(shí)別、運(yùn)行執(zhí)行的支撐電力，將數(shù)據(jù)分析和知識(shí)引導(dǎo)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)虛擬電網(wǎng)、物理電網(wǎng)的協(xié)同優(yōu)化。通過虛擬電網(wǎng)創(chuàng)建物理電網(wǎng)的模型，從而實(shí)現(xiàn)辯證解析、挖掘分析和模擬推演。物理電網(wǎng)能夠執(zhí)行運(yùn)行指令，根據(jù)感知層反饋響應(yīng)結(jié)果，虛擬電網(wǎng)根據(jù)相應(yīng)的結(jié)果對(duì)決策機(jī)制、模型參數(shù)與映射關(guān)系的調(diào)整有所影響。

2 數(shù)字孿生在智能電網(wǎng)中的使用

數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用到智能變電站中指的是站控層網(wǎng)絡(luò)中以站內(nèi)電力設(shè)備的種類創(chuàng)建虛擬系統(tǒng)，并且和真實(shí)電力設(shè)備利用映射相互關(guān)聯(lián)。虛擬系統(tǒng)的運(yùn)行情況和真實(shí)設(shè)備是一樣的，操作人員利用虛擬平臺(tái)能夠得到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行情況。利用數(shù)字孿生技術(shù)創(chuàng)建虛擬世界與現(xiàn)實(shí)世界一樣的智能變電站。

2.1 創(chuàng)建孿生模型

孿生技術(shù)應(yīng)用到智能電網(wǎng)中的重點(diǎn)就是創(chuàng)建孿生模型，孿生模型具有現(xiàn)實(shí)中電力設(shè)備的特點(diǎn)。模型設(shè)計(jì)主要包括物理模型、工程模型、幾何模型、組合模型和邏輯模型，此模型利用輕量化設(shè)計(jì)，具備三維模型效果，方便電力設(shè)備的全方位展示。幾何模型指的是電力設(shè)備幾何機(jī)構(gòu)模型的創(chuàng)建，圖2為孿生模型。

圖2 孿生模型

2.2 日方式潮流切片安全校核

調(diào)度方式、運(yùn)行業(yè)務(wù)和計(jì)劃為日方式靜態(tài)潮流的安全校核業(yè)務(wù)，會(huì)改變運(yùn)行方式，只能夠?qū)Φ湫?、極大或者極小的進(jìn)行校核，利用指導(dǎo)的方式實(shí)時(shí)調(diào)度，在電網(wǎng)運(yùn)行安全調(diào)整狹窄，輔助服務(wù)、現(xiàn)貨交易、新能源波動(dòng)等隨機(jī)因素使以上矛盾加劇。根據(jù)安穩(wěn)規(guī)定電子化平臺(tái)作為尺子，能夠安全校核電網(wǎng)潮流批量執(zhí)行切片，對(duì)越限原因、時(shí)點(diǎn)進(jìn)行精準(zhǔn)分析。對(duì)于未來的日常方式，能夠逐點(diǎn)、逐日推演日前的發(fā)電計(jì)劃是否合理，對(duì)日前計(jì)劃精準(zhǔn)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)建設(shè)、規(guī)劃和運(yùn)維。針對(duì)未來日內(nèi)方式，和分布符合超短期預(yù)測(cè)、日內(nèi)計(jì)劃、現(xiàn)貨出清等結(jié)合，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行推演，對(duì)降風(fēng)險(xiǎn)措施輔助分析。

2.3 斷面控制限額匹配

在大電網(wǎng)運(yùn)行過程中會(huì)出現(xiàn)斷面潮流聯(lián)動(dòng)控制，或者某個(gè)通道潮流按送、受端等因素分檔控制的問題，從而使同個(gè)斷面存在多套聯(lián)動(dòng)安慰限額。針對(duì)某潮流方式，對(duì)電子化平臺(tái)實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)斷面限額的安全保證。以此，嵌入式目標(biāo)指向?qū)?yōu)算法，優(yōu)化配電網(wǎng)安全邊界，對(duì)跨大區(qū)域電網(wǎng)安全區(qū)域進(jìn)行自動(dòng)決策。

2.4 調(diào)度操作安全校核

電網(wǎng)調(diào)度實(shí)現(xiàn)計(jì)劃性、機(jī)動(dòng)性的業(yè)務(wù)，重點(diǎn)為操作的安全性。要求調(diào)度員實(shí)現(xiàn)先算后停，利用預(yù)演操作票對(duì)安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行校核。在多操作票執(zhí)行過程中，涉及了多方式的限額變更、方式改變等，在進(jìn)行過渡時(shí)具備安全越限無法被發(fā)現(xiàn)，安全校核的壓力比較大。

在安全規(guī)定電子化平臺(tái)中設(shè)置檢修方式的控制限額，執(zhí)行操作模擬之后存在判斷越限的問題，構(gòu)成安全調(diào)度操作方案。對(duì)于安全校核的機(jī)制，實(shí)現(xiàn)以越線風(fēng)險(xiǎn)為基礎(chǔ)的調(diào)度操作計(jì)劃設(shè)置，實(shí)現(xiàn)未來智能調(diào)度平臺(tái)的設(shè)計(jì)。

2.5 故障預(yù)案自動(dòng)編排

調(diào)度應(yīng)急管理的重點(diǎn)為編排故障，具有較大的任務(wù)量，使用周期短、應(yīng)用率低。針對(duì)預(yù)想故障靜態(tài)潮流仿真，能夠以策略優(yōu)化實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)故障預(yù)案進(jìn)行編寫，無法對(duì)適應(yīng)性、準(zhǔn)確性和可行性進(jìn)行保證。針對(duì)在線平臺(tái)預(yù)案校核技術(shù)，利用潮流靈敏度的關(guān)系編寫精準(zhǔn)預(yù)案。但是因?yàn)槌绷靼踩揞~匹配和越限判斷等問題，放緩了用化進(jìn)程。

安穩(wěn)規(guī)定電子化平臺(tái)能夠有效解決上述問題，使任意故障將安全穩(wěn)定電子化平臺(tái)作為安全校核工具，對(duì)斷面、設(shè)備越限提供緊急控制。安全規(guī)定電子化平臺(tái)充分展現(xiàn)安控系統(tǒng)、區(qū)外關(guān)聯(lián)一次設(shè)備故障，動(dòng)態(tài)匹配安全限額實(shí)現(xiàn)輔助決策和越限判斷。

3 結(jié)語

在現(xiàn)代數(shù)字化時(shí)代不斷發(fā)展的過程中，能夠根據(jù)數(shù)字孿生理論分析數(shù)字電網(wǎng)的特征，對(duì)數(shù)字電網(wǎng)體系架構(gòu)和體系進(jìn)行研究。數(shù)字電網(wǎng)能夠利用支撐技術(shù)、物理電網(wǎng)和孿生電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)的創(chuàng)建，還是未來智能電網(wǎng)創(chuàng)建的重點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)電網(wǎng)數(shù)字化的發(fā)展。