基于數(shù)字孿生的數(shù)字電網(wǎng)建設(shè)探究

梁卓識

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司陽江供電局，廣東 陽江 529600）

數(shù)字配電網(wǎng)是傳統(tǒng)配電網(wǎng)向智能電網(wǎng)轉(zhuǎn)型的重要步驟，是實(shí)現(xiàn)可再生能源和分布式能源高效利用的重要手段。數(shù)字配電網(wǎng)的建設(shè)面臨著諸多的挑戰(zhàn)，如系統(tǒng)規(guī)模大、復(fù)雜度高、運(yùn)行成本高等。數(shù)字孿生作為一種新興的虛擬仿真技術(shù)，能夠通過對現(xiàn)實(shí)世界中的物理系統(tǒng)進(jìn)行建模、分析和優(yōu)化，為數(shù)字配電網(wǎng)的建設(shè)提供了新的思路和方法。本文旨在探究數(shù)字孿生在數(shù)字配電網(wǎng)建設(shè)中的應(yīng)用。

1 數(shù)字配電網(wǎng)分析

數(shù)字配電網(wǎng)是指利用信息通信技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對傳統(tǒng)配電網(wǎng)進(jìn)行升級改造，使其具備智能化、互聯(lián)互通、安全可靠和高效節(jié)能等特點(diǎn)的電力系統(tǒng)。數(shù)字配電網(wǎng)的建設(shè)旨在提高電力系統(tǒng)的可靠性、可用性和可持續(xù)性，實(shí)現(xiàn)對分布式能源和電動(dòng)汽車等新興負(fù)載的接入和管理，促進(jìn)電力系統(tǒng)的清潔能源化、低碳化和智能化。

數(shù)字配電網(wǎng)的建設(shè)可以分為3 個(gè)階段。第一階段是傳統(tǒng)配電網(wǎng)的基礎(chǔ)建設(shè)階段，主要包括電力設(shè)備的安裝和配套設(shè)施的建設(shè)。第二階段是數(shù)字化改造階段，主要利用信息通信技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對傳統(tǒng)配電網(wǎng)進(jìn)行數(shù)字化改造。第三階段是智能化升級階段，主要利用人工智能、大數(shù)據(jù)分析和云計(jì)算等新興技術(shù)對數(shù)字化配電網(wǎng)進(jìn)行智能化升級，實(shí)現(xiàn)數(shù)字配電網(wǎng)的智能化管理和優(yōu)化運(yùn)行。

2 數(shù)字孿生在數(shù)字配電網(wǎng)中的作用和優(yōu)勢

2.1 減少建設(shè)和運(yùn)維成本

數(shù)字孿生技術(shù)能夠在虛擬環(huán)境下進(jìn)行數(shù)字配電網(wǎng)的建模和仿真，節(jié)省了現(xiàn)場建設(shè)和運(yùn)維的成本，同時(shí)也減少了對人員的依賴。通過數(shù)字孿生技術(shù)，可以在虛擬環(huán)境中進(jìn)行電力系統(tǒng)的故障排除和運(yùn)行優(yōu)化，減少了現(xiàn)場維護(hù)和調(diào)試的時(shí)間和成本。

2.2 提高電力系統(tǒng)的可靠性和安全性

數(shù)字孿生技術(shù)能夠?qū)﹄娏ο到y(tǒng)進(jìn)行全面的建模和仿真，模擬各種運(yùn)行場景下的電力系統(tǒng)行為和響應(yīng)，為電力系統(tǒng)的可靠性和安全性提供了保障。通過數(shù)字孿生技術(shù)，可以預(yù)測電力系統(tǒng)的故障和異常，提前采取措施，保障電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

2.3 提高電力系統(tǒng)的效率和可持續(xù)性

數(shù)字孿生技術(shù)能夠?qū)﹄娏ο到y(tǒng)進(jìn)行智能化管理和優(yōu)化運(yùn)行，提高電力系統(tǒng)的效率和可持續(xù)性。通過數(shù)字孿生技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化和調(diào)整，最大限度地利用分布式能源和電動(dòng)汽車等新興負(fù)載，促進(jìn)電力系統(tǒng)的清潔能源化和低碳化。

2.4 提高電力系統(tǒng)的可視化和透明度

數(shù)字孿生技術(shù)能夠?qū)㈦娏ο到y(tǒng)以可視化的形式呈現(xiàn)出來，方便用戶對電力系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和管理。通過數(shù)字孿生技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的全面監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析，為電力系統(tǒng)的決策和規(guī)劃提供數(shù)據(jù)支持和決策依據(jù)。

3 基于數(shù)字孿生的數(shù)字配電網(wǎng)建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 建立物理模型和數(shù)學(xué)模型

數(shù)字孿生模型的建立需要充分考慮電力系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)和運(yùn)行特點(diǎn)，同時(shí)需要充分考慮數(shù)字孿生模型的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。建立電力系統(tǒng)的物理模型和數(shù)學(xué)模型可以通過CAD 技術(shù)進(jìn)行建模，也可以通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集等手段獲取。

3.2 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和處理技術(shù)

數(shù)字孿生模型需要保證實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，能夠及時(shí)反映電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和變化[1]。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和處理技術(shù)可以通過傳感器和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

3.3 高性能計(jì)算和存儲(chǔ)技術(shù)

數(shù)字孿生模型的計(jì)算能力和存儲(chǔ)空間是數(shù)字孿生技術(shù)在數(shù)字配電網(wǎng)建設(shè)中的關(guān)鍵技術(shù)之一，需要采用高性能計(jì)算和存儲(chǔ)技術(shù)，以保證數(shù)字孿生模型的計(jì)算能力和存儲(chǔ)空間。

3.4 人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)

人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)可以對數(shù)字孿生模型進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，提高數(shù)字孿生模型的精度和可靠性，進(jìn)一步促進(jìn)數(shù)字配電網(wǎng)的智能化、可持續(xù)化和高效化發(fā)展。

4 基于數(shù)字孿生的數(shù)字配電網(wǎng)建設(shè)路徑

4.1 加強(qiáng)數(shù)字孿生技術(shù)的研究和開發(fā)

隨著數(shù)字化和智能化技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字孿生技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛。數(shù)字孿生技術(shù)可以通過虛擬仿真技術(shù)，將電力系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)和運(yùn)行特點(diǎn)數(shù)字化，形成數(shù)字孿生模型，實(shí)現(xiàn)對電力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和管理，提高數(shù)字配電網(wǎng)的可靠性和安全性。因此，加強(qiáng)數(shù)字孿生技術(shù)的研究和開發(fā)，促進(jìn)數(shù)字配電網(wǎng)的智能化和自主化運(yùn)行，是數(shù)字配電網(wǎng)建設(shè)的重要舉措。首先，建立數(shù)字孿生模型的理論框架和技術(shù)體系，對數(shù)字孿生技術(shù)的概念、模型、算法等方面進(jìn)行深入研究。同時(shí)，需要加強(qiáng)數(shù)字孿生技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究，通過實(shí)踐探索和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，完善數(shù)字孿生技術(shù)在數(shù)字配電網(wǎng)建設(shè)中的應(yīng)用方法和路徑。其次，加強(qiáng)數(shù)字孿生模型的數(shù)據(jù)支撐和算法優(yōu)化。數(shù)據(jù)支撐方面，需要完善數(shù)字孿生模型的數(shù)據(jù)采集和處理技術(shù)，加強(qiáng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和處理，以提高數(shù)字孿生模型的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。算法優(yōu)化方面，需要采用人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)，對數(shù)字孿生模型進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。最后，加強(qiáng)數(shù)字孿生技術(shù)與其他技術(shù)的融合和創(chuàng)新。數(shù)字孿生技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的融合，實(shí)現(xiàn)數(shù)字配電網(wǎng)的智能化和自主化運(yùn)行，以提高數(shù)字配電網(wǎng)的效率和可持續(xù)性。

4.2 完善數(shù)字配電網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

完善數(shù)字配電網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)（圖1），可以實(shí)現(xiàn)對電力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和管理，提高數(shù)字配電網(wǎng)的可靠性和安全性。

具體措施包括：①傳感器網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)。數(shù)字配電網(wǎng)需要建立傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對電力系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集。通過傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)對電力系統(tǒng)中電壓、電流、功率等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集，為數(shù)字配電網(wǎng)的智能化運(yùn)維和故障處理提供數(shù)據(jù)支持。②數(shù)據(jù)采集和處理平臺(tái)的建設(shè)。數(shù)字配電網(wǎng)需要建立數(shù)據(jù)采集和處理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、處理和存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)采集和處理平臺(tái)需要具備高效的數(shù)據(jù)采集、處理和存儲(chǔ)能力，以實(shí)現(xiàn)對電力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和管理，提高數(shù)字配電網(wǎng)的可靠性和安全性。③云計(jì)算和大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用。數(shù)字配電網(wǎng)需要應(yīng)用云計(jì)算和大數(shù)據(jù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析和優(yōu)化。通過云計(jì)算和大數(shù)據(jù)技術(shù)，可以對電力系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘和分析，實(shí)現(xiàn)對電力系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行和故障預(yù)測，提高數(shù)字配電網(wǎng)的效率和可持續(xù)性。④物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的建設(shè)。數(shù)字配電網(wǎng)需要建立物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對電力系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)需要具備高效的數(shù)據(jù)采集、處理和存儲(chǔ)能力，以實(shí)現(xiàn)對電力系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理，提高數(shù)字配電網(wǎng)的可靠性和安全性。

4.3 建立數(shù)字孿生模型的數(shù)據(jù)平臺(tái)

數(shù)字孿生模型需要依靠大量的數(shù)據(jù)支持，才能實(shí)現(xiàn)對電力系統(tǒng)的精準(zhǔn)建模和仿真分析。數(shù)字孿生模型的數(shù)據(jù)平臺(tái)需要實(shí)現(xiàn)對電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、處理和存儲(chǔ)，以為數(shù)字孿生模型的建立和優(yōu)化提供支持[2]。如圖2所示。

圖2 基于數(shù)字孿生模型的數(shù)據(jù)平臺(tái)

首先，建立數(shù)字孿生模型的數(shù)據(jù)平臺(tái)需要采用現(xiàn)代化的數(shù)據(jù)采集和處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對電力系統(tǒng)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集和處理。數(shù)據(jù)采集方面，可以采用傳感器網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對電力系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)處理方面，需要建立高效的數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理和存儲(chǔ)，為數(shù)字孿生模型的建立和優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持。其次，建立數(shù)字孿生模型的數(shù)據(jù)平臺(tái)需要實(shí)現(xiàn)對電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)的智能化分析和優(yōu)化。通過應(yīng)用人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，可以對電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行深度分析和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)對電力系統(tǒng)的智能化運(yùn)行和優(yōu)化。數(shù)字孿生模型的數(shù)據(jù)平臺(tái)需要建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析和優(yōu)化模型，提高數(shù)字孿生模型的精度和可靠性。最后，建立數(shù)字孿生模型的數(shù)據(jù)平臺(tái)需要建立完善的數(shù)據(jù)安全和隱私保護(hù)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)對電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全管理和控制[3]。數(shù)字孿生模型的數(shù)據(jù)平臺(tái)需要加強(qiáng)對敏感數(shù)據(jù)的保護(hù)，避免敏感數(shù)據(jù)的泄露和濫用，保障數(shù)字孿生模型的安全和可靠性。

4.4 加強(qiáng)數(shù)字配電網(wǎng)的智能化運(yùn)維

在數(shù)字配電網(wǎng)智能化運(yùn)維中，基于數(shù)字孿生的措施可以提高系統(tǒng)的可靠性和效率。如圖3 所示。

圖3 數(shù)字配電網(wǎng)智能化運(yùn)維流程

具體措施如下：①建立智能化運(yùn)維平臺(tái)，基于實(shí)際配電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和參數(shù)，建立智能化運(yùn)維平臺(tái)，內(nèi)容包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、設(shè)備特性、電能質(zhì)量等，實(shí)現(xiàn)對配電系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控[4]。②實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，利用傳感器和監(jiān)測設(shè)備，實(shí)時(shí)采集配電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息，并將其傳輸?shù)竭\(yùn)維平臺(tái)中，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)反饋和監(jiān)控。③數(shù)據(jù)處理和分析，利用數(shù)據(jù)挖掘和人工智能技術(shù)，對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，提取關(guān)鍵信息，診斷故障，預(yù)測設(shè)備壽命和故障率等，為決策提供支持[5]。④智能化決策，基于數(shù)據(jù)分析結(jié)果實(shí)現(xiàn)對配電系統(tǒng)的智能化決策，包括設(shè)備的優(yōu)化調(diào)度、運(yùn)行控制、設(shè)備維護(hù)等。⑤智能化維護(hù)，基于數(shù)據(jù)分析結(jié)果實(shí)現(xiàn)對配電系統(tǒng)設(shè)備的智能化維護(hù)，包括定期維護(hù)、在線診斷、預(yù)防性維修等，提高設(shè)備壽命和運(yùn)行效率。⑥虛擬仿真和實(shí)驗(yàn)，利用數(shù)字孿生技術(shù)，進(jìn)行虛擬仿真和實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證設(shè)備的設(shè)計(jì)和運(yùn)行方案，評估系統(tǒng)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)和可靠性。⑦可視化展示和交互，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，將智能化平臺(tái)運(yùn)行可視化展示出來，并提供用戶交互功能，實(shí)現(xiàn)對配電系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和操作[6]。

4.5 加強(qiáng)數(shù)字配電網(wǎng)的管理和協(xié)同

數(shù)字孿生技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字配電網(wǎng)內(nèi)各設(shè)備和系統(tǒng)之間的協(xié)同和管理[7]，進(jìn)一步提升數(shù)字配電網(wǎng)的效率和可靠性，協(xié)同管理架構(gòu)如圖4 所示。

圖4 數(shù)字配電網(wǎng)協(xié)同管理架構(gòu)

具體措施包括：①建立數(shù)字孿生模型。數(shù)字孿生模型是數(shù)字化轉(zhuǎn)型的核心內(nèi)容之一，可以實(shí)現(xiàn)對電力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和管理。數(shù)字孿生模型通過虛擬仿真技術(shù)，將電力系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)和運(yùn)行特點(diǎn)數(shù)字化，形成數(shù)字孿生模型，實(shí)現(xiàn)對電力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和管理[8]。②實(shí)現(xiàn)數(shù)字化運(yùn)營。數(shù)字化運(yùn)營是數(shù)字化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵內(nèi)容之一，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字配電網(wǎng)內(nèi)各設(shè)備和系統(tǒng)之間的協(xié)同和管理，提高數(shù)字配電網(wǎng)的效率和可靠性。數(shù)字化運(yùn)營需要通過數(shù)字孿生技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對數(shù)字配電網(wǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和管理，實(shí)現(xiàn)數(shù)字配電網(wǎng)內(nèi)各設(shè)備和系統(tǒng)之間的協(xié)同和管理，提高數(shù)字配電網(wǎng)的效率和可靠性。③優(yōu)化協(xié)同機(jī)制。數(shù)字配電網(wǎng)需要優(yōu)化協(xié)同機(jī)制，實(shí)現(xiàn)數(shù)字配電網(wǎng)內(nèi)各設(shè)備和系統(tǒng)之間的協(xié)同和管理，提高數(shù)字配電網(wǎng)的效率和可靠性。

5 結(jié)束語

數(shù)字孿生技術(shù)是數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要支撐，數(shù)字配電網(wǎng)的建設(shè)需要結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)和智能化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對電力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和管理，提高數(shù)字配電網(wǎng)的效率和可靠性。數(shù)字配電網(wǎng)的建設(shè)還需要注重?cái)?shù)據(jù)安全和隱私保護(hù)，加強(qiáng)數(shù)字孿生技術(shù)和智能化技術(shù)的研究和開發(fā)，提高數(shù)字化轉(zhuǎn)型的水平和效率，促進(jìn)數(shù)字配電網(wǎng)的可持續(xù)發(fā)展。