中國儲能網訊：將數字孿生技術引入到電網，可以實現物理電網的同步映射。隨著物聯網、大數據、人工智能等技術的日臻成熟，數字孿生將會在電網領域得到普遍應用，并在電網規(guī)劃、建設、運營等環(huán)節(jié)發(fā)揮強有力的支撐作用。本欄目闡述數字孿生電網技術應用情況，列舉數字孿生電網國內工程應用案例，概述數字孿生電網國外發(fā)展現狀，總結數字孿生電網面臨的挑戰(zhàn)和發(fā)展趨勢，可為相關技術研究和應用實踐提供參考。
一
數字孿生電網技術典型應用方向
>>電力設備智能運維
（1）多維信息的可視化展示
采用三維建模和可視化技術，根據變電站設計CAD圖、鳥瞰圖、設備三維圖等資料進行設備外觀建模，多維度呈現變電站運維場景，實現變電站運行狀態(tài)實時監(jiān)控。
（2）設備缺陷/故障的多參數智能診斷和定位
仿真模型、數據分析和人工智能融合驅動實現設備故障隱患辨識和定位。
構建變壓器數字孿生模型，模擬變壓器在不同運行斷面、不同故障條件下的匝間短路故障，選取繞組電流、環(huán)境溫度、流油溫度和油箱壁溫度等參數，建立基于電熱孿生數據驅動的變壓器匝間短路智能辨識模型。
構建GIL數字孿生體，依次在不同位置設置局放源，仿真得到GIL中任意位置發(fā)生同時成光信號的傳播分布狀態(tài)，結合人工智能算法建立多個傳感數據與局放位置的映射關系。實際應用中，可以借助GIL局放源光學檢測來實現高精度定位。
（3）數字孿生模型實現設備關鍵狀態(tài)精準監(jiān)測和評估
基于高保真的設備數字孿生仿真模型，對不同來源的狀態(tài)監(jiān)測數據進行模擬仿真反演計算或量化推演，獲得設備關鍵狀態(tài)的映射值以及內部關鍵狀態(tài)參數的分布情況，精準評估設備部件及整體狀態(tài)。
>>電網安全監(jiān)視與校核
數字孿生仿真結合D5000新一代調控平臺，能有效解決復雜電網模型與知識模型融合難問題，將全面釋放平臺批量分析、智能決策、預警預控等一系列功能優(yōu)勢，據此可開展立體、動態(tài)、快速、精準的電網運行安全監(jiān)視與校核。
（1）日方式潮流切片安全校核
日方式靜態(tài)潮流安全校核是調度計劃、方式、運行崗位的基礎業(yè)務，由于方式變化頻繁、點多面廣，一般只能針對極大、極小或典型方式開展校核，以指導方式安排或實時調度，往往導致電網運行安全而不經濟、方式調整空間狹窄，而現貨交易、輔助服務、新能源波動、嚴重故障等隨機因素加劇了上述矛盾。以安穩(wěn)規(guī)定電子化平臺為尺子，可對電網日方式潮流批量執(zhí)行切片安全校核，能夠精確分析越限時點、原因。
（2）斷面控制限額優(yōu)化匹配
針對某一潮流方式，安穩(wěn)規(guī)定電子化平臺可對所有聯動斷面限額的搭配組合提供安全校核結果，供決策參考。在此基礎上，嵌入目標指向尋優(yōu)算法，可靈活、優(yōu)化匹配電網運行安全邊界，實現跨區(qū)大電網安全域內的優(yōu)化運行自動決策。
（3）調度操作安全校核
在安穩(wěn)規(guī)定電子化平臺預先錄入各檢修方式控制限額，將其嵌入操作票預演潮流校核，每一步操作模擬執(zhí)行后，自動匹配方式限額、判斷越限情況，若存在越限則人工調整操作時機、順序或操作票執(zhí)行項目，形成安全的調度操作方案?；诖税踩：藱C制，還可開發(fā)以越限風險為約束的調度操作計劃批量自動編排系統(tǒng)，作為未來智能調度平臺的重要支撐。
（4）故障預案安全校核
針對任意故障后方式，以安穩(wěn)規(guī)定電子化平臺作為已知方式的安全校核工具，對設備或斷面越限提供緊急控制輔助決策；以在線N－1掃描作為未知方式的補充校核工具，對進一步N－1越限提供預防控制輔助決策，據此整合成為針對預想方式故障的處置預案。
（5）電網實時運行輔助決策
安穩(wěn)規(guī)定電子化平臺對2000節(jié)點規(guī)模電網的分析耗時不超0.02s，在實時方式識別、快速限額匹配方面有獨特優(yōu)勢，可作為實時調度運行輔助決策的核心監(jiān)視部件。
（6）多級安穩(wěn)規(guī)定風險辨識
以安穩(wěn)規(guī)則中的停電方式作為預想故障，導入在線安全分析進行故障掃描，對比規(guī)則限額與在線靜穩(wěn)、暫穩(wěn)約束等是否合理、潮流轉移比關系是否準確，若規(guī)則限額或轉移比異常偏大、偏小則說明可能錯誤。
>>無人機電力巡檢
在構建的電網網格空間內，電網數字孿生北斗網格空間內的網格態(tài)勢圖是反映巡檢無人機運行空域的環(huán)境狀態(tài)和飛行器飛行狀態(tài)的動態(tài)地圖。
基于空間網格態(tài)勢圖的主要作用：①可將管制空域中大量的位置報告點、設備站等設施組成的航路點，以及連接各個航路點的航路航線組成，管控系統(tǒng)中包括的相應航路點的代碼、坐標、航路航線代碼、航線途徑的航路點代碼等數據，通過簡單的網格編碼進行表示。②還可將復雜的空域空間進行規(guī)則離散化，通過網格空間下的巡檢無人機路徑規(guī)劃算法，如蟻群算法、遺傳算法、神經網絡算法、A*算法的網格化等，進而應用于巡檢無人機的航線規(guī)劃和編隊內的多任務分配等。
>>電力項目成本核算
（1）利用數字孿生平臺統(tǒng)一業(yè)財標準
區(qū)別于獨立核算體系，數字孿生平臺能夠利用大數據技術，在虛擬空間中對現實中的業(yè)務進行映射，進而反映相對應的實體設備生命周期過程，并最終在系統(tǒng)中進行數字投影，從而使得來源于不同部門的數據能夠統(tǒng)一標準，形成可視化圖形，及時傳遞到財務審核部門。
（2）數字孿生平臺在配網資產成本核算中的應用場景
第一，實現成本精準核算。由于電網基建工程自身的特點以及經營管理上的特殊要求，配網資產成本核算存在一定特點。在原有的核算體系下一般以各單項工程批復概算為對象分別進行成本核算，并通過批復概算的同口徑對比分析投資差異。但在該核算體系下無法對所有設備進行精確化核算。通過數字孿生平臺設計不同的核算標準，使得電網企業(yè)能夠實時測算配網項目不同階段的資產成本。
第二，實現差異分析及定位精細化。在配網項目成本核算數字化的推進過程中，數字孿生平臺將設備相關數據進行整合，并融入標準化模型中，從而優(yōu)化配網資產的偏差精確對比。
第三，資產智能定制化分析。隨著我國經濟發(fā)展及居民用電需求的提升，電網配網項目的建造多樣化趨勢凸顯，電網企業(yè)項目投入預測、核定電價因成本計量難度提升而變得愈發(fā)困難。通過數字孿生平臺，能夠精確測算各類細分資產的成本，從而有利于對配網資產進行具體分析，其結果能為電網企業(yè)提供有效可靠的決策建議。
二
數字孿生電網國內工程應用案例
>>南網智瞰平臺數字孿生技術應用
目前南網智瞰平臺，累計接入地理要素超245萬，管理源網荷儲2000多種設備類型共1.2億臺設備設施、超10億設備臺賬，接入約570億條實時數據，實現186萬配電變壓器負荷精細化管理、分界點精益線損分析。上線配電網規(guī)劃、九防管理、線損異常分析等9個典型應用場景，支撐配網規(guī)劃、電網管理平臺、智能臺區(qū)等13套業(yè)務系統(tǒng)圖形應用。
>>南方電網輸電三維數字化通道
三維數字化通道，是數字輸電的典型應用，以南網智瞰地圖服務為基礎，通過激光建模技術、模式矢量化技術開展架空線路信息建模，信息模型融合在線監(jiān)測、機巡等數據。三維數字化通道，是數字輸電的基礎與載體，支撐線路智能驗收、強化數字賦能、開展無人機自動駕駛、提升空間距離監(jiān)測。
目前南方電網已完成500kV及以上線路數字化通道建設5.7萬公里，500kV及以上線路外部隱患風險點安裝智能終端3700余套，輸電線路無人機巡視80.8萬公里，機巡業(yè)務占比首次超70%。
>>海南200kV大英山數字孿生變電站
海南220kV大英山數字孿生變電站，是基于統(tǒng)一數字電網模型開展的物理電網“孿生”數字電網實踐案例，全面融合海南數字電網平臺，實現生產運行狀態(tài)實時在線測量，物理設備、控制系統(tǒng)和信息系統(tǒng)的互聯互通。同時貫通主配網動態(tài)拓撲，支撐全電壓等級全鏈路的電網拓撲分析。
>>深圳供電局配電全鏈條數字化
深圳供電局依托南網智瞰平臺，打通配電網“全鏈條”業(yè)務視圖，實現數字化電網全景、網格化智能規(guī)劃、智能化臺區(qū)監(jiān)控和透明化停電全過程管理，實現配電網管理全鏈條數字化轉型。
深圳供電局配電網實現配電網狀態(tài)、運行、資源等數據的全貫通。融合管理信息、自動化、在線監(jiān)測和外部數據4大類數據，貫通500kV到300V的電網拓撲。業(yè)務全鏈條，實現規(guī)劃、運行運維和客戶服務的橫向協(xié)同。
>>東莞松山湖數字用電示范區(qū)
松山湖數字用電示范區(qū)，利用數字孿生+物聯網+云邊融合技術，構建了分層級多能協(xié)同優(yōu)化體系，實現多種能源形式并網運行和高效消納。
松山湖數字用電示范區(qū)接入570個充電站、3013個充電樁，6326個光伏站點、1組冷熱電聯產系統(tǒng)、12個儲能站、3個柔性負荷點、4個微網；3000+復雜并行計算模型，日處理數據超200TB；客戶年平均停電時間小于2分鐘，分布式清潔能源消納率大于97%，2021年度累計減少客戶用電經濟損失大于600萬元。
>>中國電科院變電數字孿生平臺
2018年開始，中國電科院高壓所設備狀態(tài)評價中心團隊結合變電運維業(yè)務需求，開展數字孿生技術攻關，研發(fā)變電數字孿生平臺，推動電力設備智能化管理。該平臺將實景三維模型和狀態(tài)數據在空間中融合，利用圖像和點云缺陷識別算法，結合實時變電設備狀態(tài)仿真，為設備管理提供智能化解決方案。
目前，團隊的技術成果形成一系列變電數字孿生應用和關鍵裝置，研發(fā)的變電數字孿生平臺已在5個省級電力公司管轄的多個換流站、變電站開展試點應用，輔助運維人員感知設備狀態(tài)，推動電力設備智能化管理。
>>上海電網500kV五角場變電站數字孿生系統(tǒng)
2018年3月，變電站全景監(jiān)視平臺在500千伏五角場變電站投入使用。該平臺應用數字孿生技術建立虛擬變電站三維模型，接入變電站內主控、輔控、安防等設備的探測點，實時感知采集各類狀態(tài)信息。
該變電站站內的4000多個采集點、19141個信息點通過監(jiān)控數據與三維數字模型的聯動，實時反映實體變電站運行狀態(tài)。不僅如此，數字孿生技術的二三維聯動使該平臺具備地形瀏覽、設備查詢、設備告警等功能。運檢人員不再需要去變電站現場，便可掌握站內各要素的運行狀態(tài)。同時，平臺也為變電站實現“不間斷設備巡視”提供了可靠的支持，通過對設備異常及時告警延長了設備使用壽命。
>>浙江嘉興特高壓嘉湖通道數字孿生輸電線路
浙江嘉興供電公司依托國家電網科技項目“智慧輸電線路全景感知能力提升關鍵技術研究”實施，開展特高壓嘉湖通道數字孿生輸電線路建設。
特高壓嘉湖通道作為國網重要輸電通道、華東地區(qū)密集輸電通道，走廊狹長、輸送容量大，承擔著跨區(qū)供電的重任?！笆奈濉逼陂g，隨著內外部環(huán)境不斷變化，傳統(tǒng)運檢模式難以適應電網發(fā)展及體制變革要求，普通巡檢手段無法有效提升現場作業(yè)效率及巡視質量，亟需提升輸電線路數智運維水平，實現輸電線路本體狀態(tài)和通道環(huán)境全景感知能力的提升以及價值深度挖掘。
>>河北電科院數字孿生電網全場景仿真驗證平臺
2022年2月，河北電科院數字孿生電網全場景仿真驗證平臺軟件基礎設施完成首次測試運行。
該平臺目前具備激光點云、傾斜攝影、可視化三維建模能力等空間數據采集與處理能力，搭建了虛擬與現實交互融合的數據底座。隨著平臺功能的不斷完善，在數字孿生模型庫構建基礎上，將承載人工智能算法模塊、仿真推演模塊，逐步形成數字建模、算法驅動、仿真推演、智能決策、執(zhí)行控制一體化的仿真驗證能力，為上層應用提供技術賦能與統(tǒng)一開發(fā)服務。
>>雄安新區(qū)數字孿生微電網
為提升微電網的運維工作效率，以及探索數字孿生電網與數字孿生城市相融合的技術途徑，國網雄安新區(qū)供電公司基于GIS、BIM、傾斜攝影以及電力物聯網等技術，在雄安新區(qū)王家寨構建了數字孿生微電網，實現了對該微電網的全景監(jiān)測、狀態(tài)評價等功能。
后期，該數字孿生微電網還將增加新能源出力預測、儲能充放電策略優(yōu)化、柔性負荷控制策略優(yōu)化等功能，以加強微電網的源網荷儲互動協(xié)同性，從而達到促進清潔能源消納、減少碳排故的目的。
>>優(yōu)锘科技基于數字孿生體的能源運行保障平臺
為滿足某大型活動的能源運行保障工作，優(yōu)锘科技為用戶構建了數字化、智能化、可視化的能源運行保障指揮平臺，全力確?；顒臃€(wěn)定、可靠、靈活的能源供應。
平臺融合傳統(tǒng)能源調度、傳輸、營銷、城市運行數據、重點用戶數據、新能源數據、保障指揮等數據，以能源供應保障為核心，實現活動保障相關內外部數據全接入、全覆蓋、全融合?；趦?yōu)偌的數字孿生平臺和全棧可視化能力，重點完成了能源網架、保障指揮、節(jié)能環(huán)保、城市保障、重點用戶保障五大主題應用場景。
三
數字孿生電網國外發(fā)展現狀
世界各國對數字孿生技術日益重視，并將其應用于產品設計與制造、工程建設、城市管理等領域。與此同時，國外在電力系統(tǒng)方面也廣泛開展了數字孿生技術的應用實踐。
>>新加坡通過數字孿生構建新型電力系統(tǒng)
新加坡正在開發(fā)其電網資產的數字孿生系統(tǒng)，以提高電力供應的可靠性并支持清潔能源的部署。該系統(tǒng)包含兩個關鍵模型，首先是用于評估電網資產健康狀況的模型，以及評估新能源和新型電力消費對電網影響的模型。大規(guī)模的數字孿生建模將使新加坡政府更全面地了解該國的電網和資產狀況。
該數字孿生項目目前剛剛起步，預計研發(fā)工作將于2023年完成，實際部署將逐步進行。該計劃全面部署后，通過建模和仿真工具，將使新加坡能源集團能夠更好地規(guī)劃、運營和維護國家電網，從而以更有效和高效的方式開展實際工作。
>>挪威配電網運營商試用數字孿生電網模型
挪威配電系統(tǒng)運營商Tensio將對新的Kognitwin Grid數字孿生模型進行為期六個月的試驗，試驗目的是測試數字孿生技術在配網接入大量間斷性新能源和諸如電動汽車的間斷性用電負荷的表現。
為期六個月的試驗對于Tensio來說非常重要，與所有挪威配網運營商一樣，隨著配網容量需求的上升，Tensio希望能夠提高效率，迫切需要一種能夠精確報告需要多少能源，并在電網受到威脅時向運營商發(fā)出警報的新工具。而數字孿生允許運營商預測電網狀況、平衡電網負荷并防止停電，將幫助實現更智能、更環(huán)保和更高效的能源系統(tǒng)，其帶來的良好的感知能力有助于更好地作出決策、運營電網和管理客戶。
>>英國建設全國能源數字孿生網絡以幫助脫碳
英國國家電網電力系統(tǒng)運營商已啟動一項計劃，旨在建立貫穿整個英國能源系統(tǒng)的數字孿生網絡，以幫助實現脫碳目標。
英國國家電網在COP26行業(yè)活動中宣布，“虛擬能源系統(tǒng)”（VES）將復制整個英國的能源系統(tǒng)。通過對能源系統(tǒng)進行精確建模，VES將創(chuàng)建一個開放、統(tǒng)一的實時視圖。這種虛擬環(huán)境將促進數據共享，從而加強系統(tǒng)內的情景建模和預測。
>>日立ABB電網推出數字孿生解決方案
日立ABB電網日前推出應用于高壓直流換流站、靜止同步補償器（STATCOM）和電能質量領域的IdentiQ數字孿生解決方案。該方案通過高級電力駕駛艙視圖提供全面的資產信息、分析和運行數據，同時用戶可以根據自身需求定制電力駕駛艙視圖的內容。
IdentiQ包含一個涵蓋全部資產的3D交互式可視化系統(tǒng)，支持一鍵訪問相關場站和設備的信息，包括工程文檔、運營與維護程序、安全培訓和用于監(jiān)測分析的實時運行數據。IdentiQ將所有信息聚合到一個數字化站點，以便所有運營職能部門進行無縫訪問，從而幫助用戶提高對電網資產的管理。這也是日立ABB電網關于“數字孿生技術”愿景的核心，即在正確的時間將正確的資源和信息提供給正確的人員，優(yōu)化運營并作出更明智的決策。
>>智利國家電力公司開發(fā)用于電網分析的數字孿生
2022年2月，智利國家電力公司（Coordinator）與兩家加拿大公司簽署合作協(xié)議，將開發(fā)用于高級電力研究的數字孿生，以分析電網的安全性和可靠性，評估大量可變可再生能源接入下系統(tǒng)的表現，優(yōu)化目前在可再生能源大量接入的情況下用于分析電力系統(tǒng)的工具和模型。
與開發(fā)和銷售EMTP模擬軟件的PGSTech公司簽署的協(xié)議主要包括：向Coordinator提供免費的高級軟件許可證；支持開發(fā)國家電力系統(tǒng)的數字孿生在EMTP軟件中用于時域中的大規(guī)模系統(tǒng)分析；考慮可再生能源發(fā)電、FACTS系統(tǒng)、HVDC、存儲和其他技術的詳細模型；開發(fā)提高計算性能的解決方案。
與實時仿真環(huán)境軟件和硬件供應商OPAL-RT公司簽署的協(xié)議包括提供HYPERSIM軟件許可和培訓，以及在協(xié)議有效期內無償為仿真實驗室提供實時設備。
四
數字孿生電網面臨的挑戰(zhàn)
>>數字孿生技術面臨的挑戰(zhàn)
總體而言，我國的數字孿生技術發(fā)展主要面臨四大方面的挑戰(zhàn)：
一是存在多個部門協(xié)調困難、數據采集門檻比較高、信息基礎設施建設不均衡等基礎問題，在應用層次上的深度不夠；
二是數字孿生城市涉及到5G、大連接物聯網技術、海量數據加載技術、云計算協(xié)同技術、模擬仿真技術、網絡與信息安全技術等，目前技術成熟度不高，平臺模型標準化滯后；
三是目前數字孿生設計軟件大部分由國外企業(yè)主導，BIM軟件基本上都是國外的，CIM的軟件較少，GPU/FPGA芯片少有國產的，有也基本上市場占有率很低；三維渲染的時候都要用到GPU這些技術，操作系統(tǒng)基本上也是國外的，人工智能軟件框架等市場占比都比較低；國內的傳感器從技術到成本，尚不能滿足全域感知部署需求；
四是數字孿生數據來源面廣，接入點多，數據集中度高，集中到這個大腦上，基礎設施高度依賴這些數據的運行，一旦遭遇入侵，整個系統(tǒng)的運行會瞬間癱瘓。
>>數字孿生技術在電網應用中面臨的挑戰(zhàn)
除了數字孿生技術自身發(fā)展面臨的瓶頸，數字孿生技術在電網中的應用層面也存在諸多問題。
一方面需要突破建模仿真的理論方法和關鍵技術問題，為設備數字孿生提供核心技術支撐。另一方面，需要實現設備狀態(tài)全面、可靠感知，為數字孿生提供更全面、更完備的基礎數據：一是研究高可靠、高精度、低成本、低功耗、智能化的電力專用先進傳感技術和傳感器（網絡）；二是解決目前絕大部分傳感系統(tǒng)實用性不強、運維工作量大、性價比低等問題；三是研發(fā)傳感元件與本體一體化集成設計的智能電力設備；四是推動智能感知裝置、智能設備和高效帶電檢測技術的廣泛應用。
五
數字孿生電網發(fā)展趨勢
當前，數字孿生在電網領域的應用場景還主要為“碎片化”的單點示范工程，功能上以監(jiān)測為主，智能化水平較低。隨著物聯網、大數據、云計算、人工智能等技術的快速發(fā)展和深度融合，數字孿生電網的建設應用必將取得質的突破。未來數字孿生電網將呈現出精細化、系統(tǒng)化、智能化、普遍化、開放化等五個趨勢。
（1）精細化
隨著數字孿生電網的發(fā)展，未來電網內每一臺設備，甚至是每一個部件都會有其對應的數字李生，并且貫穿于全壽命周期，以滿足相關業(yè)務精細化管理的需求。
（2）系統(tǒng)化
未來數字孿生電網將打破原有的“碎片化”建設應用方式，會把所有設備級數字孿生、部件級數字孿生有機整合到一起，形成整個電網的數字孿生，為精準掌握整個電網的實時狀態(tài)和發(fā)展趨勢提供支撐。
（3）智能化
隨著人工智能技術的發(fā)展，數字孿生電網的智能化水平將大幅度提升，不但能夠準確預測電網的發(fā)展趨勢，還能夠自動做出合理的應對措施，為電網的穩(wěn)定經濟運行提供決策支撐。
（4）普遍化
隨著物聯網、大數據、人工智能等技術的日臻成熟，構建數字孿生的成本將會顯著降低，數字孿生將會在電網領域得到普遍應用，并在電網的規(guī)劃、建設、運營等環(huán)節(jié)發(fā)揮強有力的支撐作用。
（5）開放化
隨著數字孿生城市和數字孿生電網的建設與發(fā)展，兩者相互融合將成為必然趨勢。數字孿生電網會呈現出較強的開放性，其將與數字孿生交通、數字孿生建筑、數字孿生水務等交叉融合，共同為數字孿生城市提供支撐。
