基于数字孪生的电网数字化转型研究

詹谭博驰

(南方电网数字电网研究院有限公司，广东 广州 510663)

电力行业革新是当前经济形势、技术水平提升的重要成果，从最初的配电厂与配电网分离发展到现在的智能电网，数字化在电网发展中发挥了中流砥柱的作用[1-2]，从电力形成、输送到用户使用的每个环节，数字化技术都发挥着不小的作用。由于电网建立时间较长，在其结构调整和运作维护方面存在较大难度，充分掌握电网各项数据是电网升级的基础，配电网数字化转型势在必行。目前在国际上并未给数字化电网的正式定义[3]，但在欧美许多国家现已开始研究电网数字化转型，相继给出了电网数字化定义，并制定了符合电网数字化的设备标准。在我国研究电网数字转型方法也很多，其中蔡佳铭等[4]研究的配电网规划的数字化技术和建模方法，该方法依据电网当前数据建立电力负荷模型，利用分析方法展开分析完成电网数字化转型，由于电网数据形式为分布式，且在电网运行过程中具备不确定性和波动性，因此其电网数字化转型效果不佳。数字孪生技术是通过构建物理模型、依据历史数据形成多个域宽、多个物理量，通过空间映射，反映电网的整个运行周期内的各个状态。电力行业属于技术密集型产业，将数字化与信息化相结合，可简化并提升电网管理难度与水平[5]。本文结合数字孪生技术，研究基于数字孪生的电网数字化转型方法，为推动我国电力行业发展奠定夯实的基础。

1 基于数字孪生的电网数字化转型研究

1.1 电网概况

以某省级电网作为研究对象，该电网多直流馈入受端具有较大复杂性，且其最高负荷为120 GW，用户消耗电量达到670 TWh左右，输入电容可达40 GW，其供电量占全民供电量的35%。该电网电源装机容量为134 GW左右，拥有50多个输电能力达到500 kV的变电站，构成了可内外双向传输的环路电网，该电网概况如图1所示。虽然目前电力技术水平不断提升，但大型电网的电流控制仍然存在短路、混电等情况[6]，因此电网安全面临严重威胁。

图1 电网概况示意

1.2 基于数字孪生的电网数字化转型框架

依据电网实际数据，充分结合电网设备数字孪生体与电网运行数据孪生体，建立基于数字孪生的电网数字化转型框架，该框架结构如图2所示。

图2 基于数字孪生的电网数字化转型框架示意

上述框架由过程优化、数字孪生体、实时数据采集库和电网实体层组成，其中过程优化层负责输电质量控制调度优化等；数字孪生体依据电网数据建立电网设备数字孪生体和运行数据孪生体，依据变化的电网数据迭代更新后，使数字孪生体与实际电网数据形成连接，利用电网数据库进行数据交互；实时数据采集库负责采集电网实体层内所包含系统的数据，实现信息传递[7-8]。

1.2.1 数字孪生体与运维实体映射

电网数字化转型通过数字孪生体和运维实体映射方式实现，数字孪生体模型与实体映射关系如图3所示。

图3 数字孪生体模型与实体映射关系示意

数字孪生体模型与实体映射步骤如下：

Step1：建立数字孪生模型。依据电网实际情况建立其仿真分析模型，按照电网设备功能定义数字化模型，以数字化线程的方式展示电网远程运维的控制流程，结合电网设备管理系统、数字化电网运行系统、数字化检测系统构成全环节模型[9]。

Step2：利用数字线程组件运维周期模型，且该模型与电网实际监测系统相匹配，利用CPS技术实现系统之间的同步功能，相关工作人员通过远程方式观测到电网设备运行情况。

Step3：利用数字线程组件运维周期模型内电网运行周期线程，将电能从形成—输送—使用的过程形成数字孪生影像，从而产生电网运维到电网运行的回馈[10]。根据电网设备结构组成，建立控制服务器与仿真服务器，将仿真服务器的输出作为控制指标，使用物联网传输远程运维采集到的电网数据。根据电网实际情况设置其服务器组，利用该服务器组内的控制服务器获取映射库内映射数据，使用其驱动模块依据控制信号生成控制指令，实现电网设备控制[11-12]，而数据映射设备由硬件存储和软件数据库等组成，可保障电网数据与远程运维系统保持统一性。

2.2.2 电网数据整合与分析

数据整合是实现电网数字化转型的基础，首先通过中间件技术统一访问和调用电网相关数据，其次将价值较大数据整合后保存至数据库内，完成电网数据整合[13]。

电网运行数据主要存储于电网的生产管理系统、自动化计量系统等，主要存储设备台账信息、电能计量以及电网历史运行信息等。为简化电网数据整合过程，以字段的形式表示电网相关数据[14-15]，本文所研究的电网数据字段表达如下。

线路ID：VARCHAR2(32)；电压等级：VARCHAR2(32)；馈线类型：VARCHAR2(32)；供电区分类：CHAR(1)；配变名称：VARCHAR2(200)；额定容量：NUMBER(10，3)；生命周期：VARCHAR2(20)；供电半径：NUMBER(10，3)；绝缘类型：VARCHAR2(32)；导线长度：NUMBER(10，3)；是否为主干：CHAR(1)。

这里VARCHAR2(n)表示字符串最长为n的字符串，NUMBER(10，3)表示该数值最大位数为10，小数点后精确至第3位。

3 实验分析

以章节1电网为实验对象，通过建立该电网数据采集与实时监控系统，构建电网数字孪生体模型，并对该电网展开数字化转型研究。

电网业务数据呈现是数字化转型的直接表现形式之一，从电网集配状态监控、输电量规划与完成占比3个方面测试本文方法数据呈现效果，结果如图4所示。

图4 电网数据呈现效果

分析图4(a)可知，使用本文方法所呈现的该电网各个直流的集配比清晰明了，从图4(b)可看出该电网输电量完成比例、进行中输电比例等，由此可知，利用本文方法呈现的数字化电网数据显著性较强，可为未来电网规划提供简洁、准确的数据基础。

统计该电网2015年1—8月的电网设备故障情况，并与本文方法的数字化转型呈现结果进行对比，结果如图5所示。分析图5可知，该电网在2015年1—8月共发生29次故障，使用本文数字化转型方法所统计的故障结果和电网实际故障结果完全相同。由此可见，本文方法可有效体现电网当前状态数据，应用价值较高。

图5 电网故障情况对比结果

以电网故障数量、设备损耗、电量消耗作为检验本文方法实际使用效应指标，统计使用本文方法对该电网进行数字化转型12个月后的电网情况，验证本文方法实际使用效应，结果见表1。

表1 数字化转型后电网情况

分析表1可知，使用本文方法对该电网进行数字化转型后的第1—5月，该电网的故障数量由6次下降至1次，故障次数降低明显，随着月份的增加，该电网故障次数始终为0；而在设备损耗方面，从1—8月，设备损耗金额降低幅度较大，随后9—12月该电网设备损耗金额始终在0.46万～0.55万元浮动，在电量损耗方面与设备损耗趋势相同。由此可见，使用本文方法数字化转型后，可依据数字化转型呈现的清晰、直观数据展开相应应急措施，及时避免故障发生，降低电网及相关设备损耗，有效提升电网整体质量，其实际使用效应较高。

使用本文方法展示该电网各个直流线路的级块负荷情况，结果见表2；并依据该电网直流线路的级块负荷数据分析其容载比并对该电网进行分区优化，结果见表3。

表2 电网直流线路级块负荷情况

分析表2与表3可知，该电网各个直流线路的容载比均超过2%，且平均容载比为2.43%，依据国家电网硬性规定，电网容载比不低于2%，可知该电网的高压电源容量符合用电需求。其中，洛溪渡直流、兴安直流和糯扎渡直流的容载比稍低，表明三者的局部容量偏小。为此，可利用数字化预测并结合人工介入的方式对电网实施整顿，使电网运行流程及分布更具合理性。由此可见，本文方法可提升电力行业信息交互水平，为电力行业提供更直观、准确的数据展示。

4 结论

本文结合数字孪生技术及理论知识，研究基于数字孪生的电网数字化转型方法，以某省级电网为研究对象，从多个方面展开实验研究。结果表明：该法可清晰明了地展示电网直流集配情况，呈现的电网数据具有较强的显著性；获取电网故障结果和电网实际故障结果一致，应用价值较高；使用该法后，电网故障次数降低明显，随着使用时间的增加，电网故障次数为0；可直观展示电网容载比情况，结合人工介入方式，使电网整体合理性得以提升。