基于数字孪生的数字电网建设

黄文雯 韩璐 孙萌 安培秀 陈新鹏

（国家电网有限公司信息通信分公司 北京市 100761）

近些年来，大数据、物联网以及云计算等数字技术的出现，促进了第四次工业革命的更进一步发展，同时也更好地提高了信息数据的收集、储存以及共享的效率，使生产方式以及经济形态获得了整体上的变化，在这样的背景下，数字经济也成为了我国实现高质量发展的最主要动力之一。基于数字经济时代，我国一些较为传统的产业，例如电力以及能源等需要积极地将企业相关的生产资料以及一些知识方面的信息实现向数字化要素的转化，利用数字化转型来有效地推动本有的物理电网的优化以及升级，使其能够转化成为数字电网，以此来从整体上来提高数字化以及智能化水平。数字电网为数字中国当中非常重要的一项内容，同时其也为智能电网想要获得更进一步发展的重要路径。

1 数字电网内涵

1.1 数字电网的概念

数字电网的组成部分主要包括三个方面，分别为孪生电网、物理电网以及相应的支撑技术，其为当前阶段较为先进的电网生态系统。数字电网主要是基于大量可靠性信息数据的基础上，通过大数据、人工智能以及智能化控制，将数字孪生以及感知建模理论作为主要依据，以此来实现最终可以和物理电网有效结合的孪生电网的构建。孪生电网主要是利用物理电网的数字孪生技术开展全要素数字化完成之后而构成的相应虚拟镜像，可以实现对电网所存在较强复杂性的能量信息运行关系的分解以及模拟，使分解完成之后其互相的关系表现为数学关系，能够对其开展相应的计算工作。将物理电网的运行变为可视化的过程中，可以对优化完成之后的结果进行推演，明确在这当中所开展优化轨迹的锚点，做好相应的调整工作，以此来更好地实现物理电网运营整个过程的智能化管理，推动物理电网运行状态流程、企业管理工作开展的流程以及企业自身本有结构的更进一步优化。

通过对数字电网的运用能够实现电网数据相关体系的有效构建，利用多种相应的监测手段以及干预手段，提高电网监测效率的有效提升，同时也能够更好地对电网开展模拟以及分析等工作，有效地解决电网在规划以及建设过程中所存在的一些问题，从整体上提高电网各方面资源的有效配置，使其能够长期保持一个良好稳定的运行状态，使电网数字资源自身的价值得到有效地发挥。

1.2 数字电网的特征

数字孪生背景下的数字电网特征主要表现在以下几个方面：

（1）全息复制。数字电网可以利用超写实建模来实现物理世界电网本体到数字世界虚拟电网的有效映射，通过所布设完成的众多传感器，便能够实现虚拟电网在物理电网方面的感知以及检测，以此来将其所具备的数字化以及相关信息准确地描述以及表达出来。

（2）孪生交互。对于当前阶段的全域数字世界来说，在全息复制虚拟影像的支持之下，虚拟电网便能够更好地开展一些具有较强复杂性电网建模的模拟、分析、学习以及评估等。并且也能从虚到实，对物理电网实际运行过程中的轨迹以及在各方面资源上的配置进行反馈以及给予有效的指导，最终使得所建立的系统在虚实融合以及虚实协同方面的交互特点表现较为突出。

（3）虚实迭代。利用物联网感知以及能够实现对网络动态进行跟踪的一些要素、趋势以及问题，对虚拟电网的模型进行修正使其能够保持时空一致，并且利用仿真手段对物理世界变化过程中所存在的风险进行分析同时作出预警，物理电网会将该过程的指导结果向虚拟电网进行反馈，接下来的虚拟电网便会将反馈作为重要依据进行相应的更新以及指导，不断实现自身的优化，做到虚实迭代，这样便能够使物理电网以及虚拟电网从整体上得到相应的优化。

1.3 数字电网的演化以及发展

近些年来智能控制、信息通讯以及其他一些相应的数字技术获得了大幅度的发展以及群体性演变，在这样的背景下，电网数字化转型已经逐渐成为了推动智能电网建设更进一步发展的重要路径，对于数字电网来说，可以将其看作为电网在各方面发展过程中发生质变而形成的产物，同时其也为推动电网智能化发展的重要基础。实际上所开展的数字电网建设工作是一个较为漫长的过程，其需要在健全完善的物理电网基础设施和较为成熟的数字孪生技术的支持之下才能够获得更为良好的发展。

目前的电网发展所在的阶段为信息化系统的建设阶段，处于该阶段的电网会不断加强生产整个过程的改造，改造的方向便为信息化，以此来对相关信息进行更好的收集以及感知，不断加强对当前阶段高效数据资源的应用，将其作为重要的指导来推动生产运行开展的整体效率。从本质出发对其开展相应的分析，能够发现其便是传统工业经济模态本身所具有条块分割电网管理系统以及机械线性电网管理系统当中所进行的技术补丁。近些年来，电网基础设施的建设已经趋于完善，在这样的背景下，电网对信息采集的效率更高，所采集信息也更加可靠，通过现代化先进数字化技术的合理有效应用来对数据信息所拥有价值的更进一步探索，便能够实现能量效率以及信息所拥有价值的更进一步提高，这对于推动信息数据的跨界有效融合来说具有非常积极的意义，使传统业务所涉及的范围得到更进一步地扩大，这样相关电网企业的服务也能够更好地拓展到产业链的上游以及下游。

在电网数字化程度不断加深的背景下，一些与其有关的智能技术也一定会获得更进一步的发展，实现与电网之间的互相促进，从整体上提高电网在自我感知、自我进化以及自我决策方面所具备的能力，更好地实现电网建设以及发展的智能化，把智能电网看作为数字经济时代发展背景下的一种新型动力，以此来更好地推动我国数字能源以及数字信息方面一些共享平台的有效建立。

2 数字电网支撑技术

要想能够使数字电网在孪生交互、虚实迭代以及全息复制方面的功能得到有效地发挥，一定不能够缺少当前时代发展背景下先进智能传感以及通信技术所给予的支持，在此基础上，利用数字孪生技术来完成相关信息数据平台的建立，不断促进电网数字模型以及电力大脑的形成，同时将孪生电网有效地建立到数字世界当中，对孪生电网相关信息数据所具有的价值给予更为深入地探索，利用孪生交互来推动物理电网的更进一步优化，同时也能够更好地促进其风险预警能力的有效发挥，为电网企业相关业务的数字化运营提供强有力的支持。

2.1 智能传感技术

感知监测系统自身所具备的高精度以及高灵敏度的特点为实现数字电网建设的重要前提，同时其也为万物互联感知的必经途径，对于虚拟电网在物理电网方面所开展的全息复制以及动态调整工作来说，其对传感技术自身所具备实时性特点的依赖程度还是比较高的。当前阶段所拥有的电磁式电流互感器以及电压互感器，从功能方面来说，其能够实现对一些片段等部分数据的收集，在性能方面，其不能够实现局部互联，其自身的结构具有较强的复杂性，体积大并且价格高昂，从实际情况来看其不能够有效地满足数字电网在全时空广域方面的相关感知要求，基于此种情况，高精度、低成本以及低消耗一定会是智能传感技术后续发展的重点方向。基于当前阶段隧道磁阻等一些更具先进性以及新型性理论，不断地提高电气量测量的精度，比如实际当中通过对微型电流传感器的应用，与另外一些现代化先进的空间、力学以及化学智能技术的有效结合，以此来更好地深入到物理电网维度数字化感知点，例如实际当中开展配电房当中的温度、所含有SF6的浓度以及电流方面一些信息的有效监测，将监测结果最为重要依据便能够更好地进行设备健康程度的评估。通过加强对低功耗通信技术的合理有效应用，以此来更好地推动感传的一体化，通过应用自组网技术以及辨识检错技术来使传感器自身所具备的视野范围得到更进一步地扩大，利用点面结合以及多体协同的手段来更好地进行广范围群智的感知。将协调分配技术与边缘计算技术有效结合在一起进行合理有效应用，便能够更好地达到所感知获取相关监测数据的总结以及分析。

2.2 异构通信技术

伴随着时代进程的不断推进，在数字电网的孪生系统的分布、连接以及数据方面也提出了比以往更为严格的要求，这对于电力通信基础设施来说是一种非常严峻的挑战。当前阶段的无线技术的功能发挥会受到一些因素的限制，所以其不能够实现海量连接、低消低耗以及深度覆盖方面的能力。通过对现代化先进大规模多天线技术以及超密集异构网络技术的结合应用，便能够达到5G的高效率、高容量以及低时延的接入效果，而实现软开放技术与电力切片技术的结合，便能够更好地满足5G通信资源在动态编排以及定制方面的需求，有效提高虚拟电网指令控制的精准性。基于信道备份以及自适应编码调制等一些技术，能够完成相应电力信息通道的构建，同时能够保证该通道的安全性与高速性。对当前阶段较为完善和成熟的电力线路给予合理有效地应用，实现电力线载波以及无线通信协议的有效融合，便能够建立更多的泛在异构融合的通信网络架构，比如蜂窝无线、WLAN以及无线专网等，此类网络架构能够为数字电网各方面的优化提供强有力的支持，促进物理电网全要素的数字化以及全状态的实时化。

2.3 数据中台技术

要想能够实现数字电网模型的有效构建，实现数字电网的整体优化，一定不能够离开全域全量电网数据所提供的支持。就当前阶段的电力数据总体情况来看，其的特点主要表现在来源分散化、结构多样化、关系复杂化以及粒度精细化等，所包含的内容过于广泛，不能够更好地提供稳定的资源以及服务。加强对相关数据平台的建立，实现数据平台的横向关联以及纵向贯通，通过该平台来开展相关数据的收集、治理以及挖掘工作，以此来将来源分散的相关数据给予集中安全储存，并且也能够实现对其的高效读取，可以将其作为数字电网平台相关决策的重要依据。数据中台也需要含有多源异构的全景信息模型，同时能够实现元数据以及轮换格式的统一化，不断加强对电网数据语言体系的建立，推动数据协同以及交互的统一化。对元数据分割以及元数据抽取方法给予合理有效利用来更好地明确数据之间所存在的关系，基于此种关系来完成对应模型的建立，以此来更好地形成多源以及多维结构的关联集成，将此作为依据同样也可以进行数据之间所存在血缘关系图的建立。需要根据业务自身所具备的特点以及数据所表现出的趋势，来自动化辨别损坏数据，对于其中所含有的相应时序数据，需要对其进行更为深入的智能分析，实现对其的有效预测，这样数据无论是处于在线还是离线的状态都能够进行自我修复。而对于其中所含有的一些冗余数据，可以针对其进行冲突检测以及数值诊断构架的建立，以此来更好地开展相关数据的清晰工作以及数据自身所具有质量以及价值的评估工作。数据中台当中含有非常丰富的数据资源，通过对生产工作开展过程中国所产生的图像波形、操作行为以及语言逻辑方面开展相应的收集以及筛选工作，在此基础上来完成数据知识图谱以及特征库的有效建立。

2.4 电网数字模型

电网数字模型能够有效地反映出物理电网的元素组成以及运行过程中所表现出的状态，同时也能够直观地表现出相关决策的影响，其在数字电网从实到虚以及从虚到实的过程中发挥着非常重要的作用。数字电网主要是基于地理位置、材质特性以及尺寸空间等方面的一些参数来完成数学模型的建立，该模型更具立体化。比如通过3Dmax来开展配电变压器外观结构的建模工作，利用设备自身的相关参数以及传感器配置等对变压器所具备的特征和性质进行描述，根据实际当中所在的地理坐标以及设备资产等一些方面来开展每个变压器元素的立体建模工作。实际上的元素之间具有相应的耦合连接关系，同时其也会涉及到外界环境的扰动相应、内部运行过程中所遵循的原则以及能量流动扥一些相应的特点，在此基础上来实现各个元素模型之间的有效连接，完成具有动态化效果的虚拟模型集的构建。实现和虚拟模型集之间的有效关联，逐渐建立起相应的数字电网全空间模型，并且也能够更好地进行电网所存在一些大规模场景的数字化模型的表达，以此便能够更加方便快捷地进行电网空间信息以及一些功能信息的分析和探索。

2.5 电力智慧大脑

从数字电网的整体角度上来看，电力智慧大脑在其相关决策、实现自身优化以及虚实迭代方面起着决定性的控制作用。基于电网数字模型以及多元数据结合，通过应用自身所拥有的脑类方面的功能，便能够使电力大脑开展相应的学习，对于实际学习过程中所面临的一些物理电网多变场景，也同样可以在相关专家指导、试错探索的基础上不断地汲取经验展开高效的学习。电力大脑包含了机器学习以及深度学习等一些相应的智能算法，能够对物理电网所涵盖的隐藏模式以及自组织隐性秩序给予有效的认知以及识别，可以对物理电网运行过程中所表现的规律以及一些相互关系给予推理，能够对所学知识进行传递。电力大脑广泛地应用了现代化先进的人机协同知识引导技术，实现了专业经验与科学数据的有效结合，将知识驱动和数据驱动组成一个整体，通过在知识驱动的支持下将其应用到可行边界的守卫过程中，形成可靠的底线，最大程度降低决策失误情况发展的概率，以此来为电力运行整个过程的安全性以及稳定性提供有效地保障。对于电力大脑来说，其需要积极地开展全局优化策略的制定，以此来从整体上提高电网当中所含有的各个主体对于所发生变化的适应性，实现电网运作的更进一步优化，对电网运行过程中所存在的不足之处进行填补，以此来更好地提高电网运行的整体效率。

3 结束语

总的来说，数字电网的组成部分主要包括了物理电网、孪生电网以及相应的支撑技术，在后续智能电网建设一定会成为主要趋势。实际所开展的数字电网建设工作，需要将全域感知作为重要的基础，业务数字运营最为想要实现的最终目标。另外，数字电网能够在物理世界的再生以及数字世界的优化方面起到相应的推动作用，有利于更好地实现电网的数字化运营。