新型电力系统背景下数字孪生应用技术研究

国网河北省电力有限公司 田 广 郭 捷

为达到双碳目标，能源电力必须转型，构建清洁化、电气化、智能化、数字化的能源电力系统。根据能源局和中电联的统计数据，2011～2019年我国新能源发电装机从0.5亿千瓦增长到4.4亿千瓦，增长了约7倍。全国新能源装机占比为20.6%，成为第二大电源。2000～2019年非化石能源占一次能源消费的比重从7.3%提高到15.3%，非化石能源发电量占比32.7%，能源院预测2050年我国非化石能源占一次能源消费的比重将达到57.3%。中电联提供的数据显示，从2000～2019年电能占终端能源消费的比重由16.7%提高到25.5%。能源院预计2025年左右电能终端消费量超过煤炭，成为终端消费主体能源；预计2035、2050年终端电气化水平将分别达到40.6%、51.7%。

为深入贯彻习近平总书记关于碳达峰、碳中和的重要讲话和指示精神，按照中央财经委员会第九次会议的工作部署，根据国家“十四五”规划和2035年远景目标纲要，很多能源电力企业都制定了自己的双碳目标行动方案。国家电网公司提出构建以新能源为主体的新型电力系统，新型电力系统具有广泛互联、智能互动、灵活柔性、安全可控、开放共享五大特征。新型电力系统需要智能化的电网，需要加强电网的数字化转型，提升能源互联网发展水平，这就需要打造电网数字化平台，打造数字孪生电网，加快推动电网向能源互联网升级。

1 能源电力面临能源革命和数字革命深度融合的新挑战

能源智能化和数字化的转型，以高度信息化、自动化、互动化为特征，推动大、云、物、移、智、链等信息新技术在能源系统和电力系统广泛应用，从而使电力供应更加安全可靠、使能源消费更加优质环保、使用户服务更加便捷友好。能源配置范围更加广，大规模远距离输送、分布式能源就地消纳使能源供应更加多元，实现跨品种的能源体系之间的协同。数字化让信息广泛交互、充分共享，逐步构建涵盖多种能源的互联网络。

实现碳达峰、碳中和目标，能源电力企业在能源清洁、低碳、智能和数字化转型中发挥主力军作用。以新能源为主体的新型电力系统，对电网的安全稳定运行、全力服务新能源发展和满足电力负荷需求都带来巨大考验。满足清洁能源消纳需求，要求公司必须在技术创新、市场交易、运行管理、体制机制等方面实现全面突破。能源革命和数字革命的深度融合，为公司加快能源互联网建设、构建以电为中心的智慧能源系统既带来重大机遇又带来新的挑战。

2 数字孪生技术应用研究

能源电力面临的新形势、新挑战和新机遇，需要进行能源转型。能源转型离不开数字化，而数字化的基础就是数字孪生。

2.1 什么是数字孪生技术

第一次提出了数字孪生(Digital Twin)概念是在2002年，由密歇根大学教授迈克尔·格里夫斯提出的。他诠释数字孪生是通过物理设备的数据，可以在虚拟空间（信息空间）构建一个可以表征该物理设备的虚拟实体和子系统，而且这种联系不是单向、静态的，而是在该设备的整个生命周期中都联系在一起的。“数字孪生”的概念最早应用于美国航空航天飞行器的维护和保障，通过在数字空间建立飞行器真实的数据空间模型，而且通过传感器与飞机真实状态完全同步，这样每当飞行结束后，就可以根据结构现有的情况和过往的载荷数据，及时进行分析和评估飞行器是否需要维护或维修，从而预判是否能够承受下一次载荷。

2.2 数字孪生在能源电力系统的应用研究

近年来有关数字孪生的研究层出不穷，所涉及的领域也由刚开始的航天领域向航海、制造业、汽车等领域逐步扩展，同时各种研究也拓展和应用于能源系统。早在2000年，国内卢强院士便提出了数字电力系统的概念，其实质便是构建电力系统的数字孪生。他的团队研究结果认为数字孪生可以在能源互联网的规划、设计、建设、运行维护和监控等方面发挥十分重要的作用。比如，数字孪生可以有效提高能源互联网的监控水平，及时发现电力系统运行的异常环节，有利于实现基于能源互联网状态的精准运维和优化运行，这些也是构建新型电力系统的基础。数字孪生技术贯穿了全生命周期中的不同阶段，同PLM（Product Lifecycle Management）的理念不谋而合，其发展将PLM 的能力和理念由设计阶段延申拓展到了全生命周期。

打造数字孪生电网就是将物理电网以数字化方式映射至虚拟空间，通过接受来自物理电网的状态信息而同步演化，以实现对物理电网的全面精准检测，并基于物理电网的状态信息进行诊断、预测等一系列计算分析后，将分析结果反馈给物理电网，从而推动物理电网的优化调整。

2.3 数字孪生技术在电网侧的应用研究

随着碳达峰、碳中和、构建以新能源为主体的新型电力系统等目标的提出，电网将会接入大量随机性、间歇性、波动性特征的分布式能源，以及储能装置、V2G（电动车和电网）等交互式能源设施，使其展示出结构更复杂、设备更繁多、技术更庞杂的特点。传统的机理模型和优化控制方法已很难满足电网规划设计、施工协同、监测分析和运行优化的要求。

受能源领域改革和产业结构调整等政策方面的影响，电网迫切需要优化经营策略，实现企业的精益化管理。如对电网缺乏精准刻画，无法准确掌握电网的状态信息，导致电网的运维效率难以得到有效提升。另外对电网运营策略的优化调整，严重依赖于人工经验，难以达到最佳效果。

数字孪生电网为解决上述问题提供了新的技术途径，电网数字孪生系统可融合多源数据，形成多维一体的电网信息（GIM)模型和相关的数据资产，进一步加快操作人员对物理实体的认识，可让之前许多因为物理条件的限制、不得不依赖于真实的物理实体而没办法完成的操作，比如模拟仿真规划设计、虚拟装配施工过程、实现智能运营、提供多维社会服务成为可能，从而可有效保证电网的全生命周期各阶段经济、优质、高效、安全。

数字孪生技术可监测实时状态、诊断异常原因、预测发展趋势、优化运营策略。典型应用场景“数字孪生变电站”就利用数字孪生技术其为变电站的安全风险管理提供了新思路。现行运维方式主要依靠安装传感器和人力巡检，按照经验对一些预置位进行检测，检测点在全站有效覆盖区域占比不到1%，无法实现对全站所有位置进行监测并实现监测数据的时序跟踪。很难给变电站的运行提供十分有效的安全保障。为加大变电站监测范围，实现电网设备全生命周期数字化管理、降低运维成本，数字孪生变电站应运而生。

基于孪生环境可构建变电站的数字孪生仿真模拟站，根据需要灵活规划巡检业务，并利用数字孪生机器人模拟验证完成虚拟巡检，大大提高实施效率和后期可维护性。在数字孪生环境里，巡检的目标设备具备唯一空间位置坐标，巡检时数字孪生机器人可根据巡检目标自动规划路径，自动设置巡检传感器参数，模拟执行整个巡检过程。当变电站有特殊需求时就可自动生成针对性的特殊巡检任务，并将任务实时加载到站端物理的巡检机器人，这样将极大程度上解决了临时突发任务受人力、环境制约这一问题。

借助巡检机器人可实现不停车快速巡检，实现全站温度检测，为得到变电站全方位温度信息，系统使用高精度的红外设备采集二维的红外图像数据，并将其映射到三维的孪生系统里，从而获得全站的红外温度分布图，温度信息存储采用瓦片化存储方式，当设备某部位的温度信息超过正常的阈值区间时，系统会实时推送预警信息。同样，系统可使用变电站其他传感器获取的多光谱影像信息映射到孪生系统中，从而获得多维度、结构化的时序大数据。通过对大数据的分析可进行趋势预测和主动预警并形成风控分析报告，为快速智能决策提供可靠的数据支撑。

基于数字孪生的电网智慧运维平台具备灵活系统接口，可接入SCADA、PMS、OMS 等系统信息，并对接入数据进行清洗、融合，形成带有业务信息的结构化时序数据，服务于电网相关部门。如为运行部门提供“一键顺控”的现场状态确认；为变电站基于与辅控、安防系统业务联动的智能运维提供信息交互渠道；为省市公司应急指挥提供事故现场人机协作支持；为人资部门提供岗前培训、事故演练等诸多业务的支撑融合。

数字孪生变电站充分挖掘现有系统数据，辅助运检、调度策略的制定，实现运检策略的优化，最终构建“原始数据-设备画像-分析挖掘-策略制定-资源优化”的数据资产应用体系，完善生产指挥决策体系，推动设备状态全景化，数据分析智能化、生产指挥集约化，运检管理精益化全面实现。

3 未来展望

目前处在低碳发展的新时代、遇到产业升级的新机遇、同时也是技术创新发展新机遇。经济社会发展全面绿色低碳转型，需进行高比例新能源和高比例电力电子装备接入电网的稳定运行控制、超远距离-跨区域-大容量特高压直流输电、储能技术等重点技术的技术创新实践；进行数字孪生电网-人工智能等技术应用引领。实施创新驱动，打造数字孪生电网，增强构建新型电力系统、实现双碳目标的科技支撑力和产业带动力。

通过依托三维设计实现成果升级、激光点云、倾斜摄影等技术创新手段实现三维建模；在不调整之前系统架构的基础上，根据需要加装增强传感器和采集终端，集成原数据，实现数字化交付成果与实际生产数据建立链接；利用全景化技术展现运行数据及状态变化，增加沉浸感和互动性；进行推演仿真，实现设备状态监测、风险评估、故障预警、故障诊断和辅助决策。数字孪生技术通过这4个步骤可优化设备检修频率、电力设施配置、联络开关投切、相间负荷调整等运营策略，进而为员工提供科学化的决策依据。

当前，数字孪生在电网领域的应用场景还是“碎片化”的单点示范工程为主，功能上以监测为主。随着物联网、大数据、人工智能、云计算等新型技术的飞速发展和深度融合，数字孪生电网的建设应用将取得突破，未来数字孪生电网将呈现出精细化管理、系统化应用、智能化决策、普遍化应用、开放化共享等五个趋势。

精细化：随着数字孪生电网的发展，未来电网内每一台设备，甚至每一个部件都会有其对应的数字孪生并贯穿于全寿命周期，以满足相关业务精细化管理的需求；系统化：未来数字孪生电网将打破原有的“碎片化”建设应用方式，会把所有设备级数字孪生、部件级数字孪生有机整合到一起，形成整个电网的数字孪生，为精确把握整个电网的实时状态和发展趋势提供支撑；智能化：随着人工智能技术的发展，数字孪生电网的智能化水平将大幅度提升，不但准确预测电网的发展趋势，还能自动做出合理的应对措施，为电网的稳定经济运行提供决策依据。

普遍化：随着物联网、大数据、人工智能等技术的日渐成熟，构建数字孪生的成本将会显著降低，数字孪生将会在电网领域得到普遍应用，并在电网的规划、设计、建设、运维等环节发挥强有力的支撑作用。开放化：随着数字孪生城市和数字孪生电网的建设与发展，两者相互融合将成为必然趋势，数字孪生电网会呈现出较强的开放性，其将于数字孪生交通、数字孪生建筑、数字孪生水务等交叉融合，共同为数字孪生智慧城市提供支撑。

结论：能源革命与数字革命的加速融合，使能源电力行业数字化转型成为趋势；展望未来数字技术必将深刻改变能源电力系统的功能形态和生产管理模式；能源电力企业的未来数字化转型将持续加快推进技术创新，助力新型电力系统和能源互联网建设，带动产业链上下游，共同发展，服务碳达峰、碳中和目标实现。