数字孪生技术在智能电网中的应用

（国网四川省电力公司互联网部，四川成都市，610000）邹仕富

在电网不断发展的过程中，灵活化、特高压和新能源为重点，从而改变传统骨干电网结构。之后，实现基于新能源的新型电力系统创建，提高了电网运行规则复杂度、不确定性，以此创建快速精准响应、多维立体模型的电网安全监测系统。使用数字孪生技术能够推演物理系统、监测评价、控制响应等信息，根据映射实现动态镜像数字模型的创建，应用到电网复合建模中。以此，本文就分析基于数字孪生技术的智能电网设计。

1 智能电网数字孪生的技术架构

电网公司通过创建电台GIS平台、用电信息采集系统和数据中台等平台，能够进一步提高电网的数字化水平，为电网数字孪生建设打下基础。智能电网数字孪生技术架构详见图1，智能配电网台区的变压器、配电线路等设备实现数字孪生架构物理层的创建；利用数据中台、采集装置、传输网络的数据集成层实现配电网的数据传输、收集和存储，创建数据层；在数据中台分析服务层封装计算分析模型，构成数字孪生架构模型层；利用台区拓扑图、信息系统用户界面创建展示层；针对不同功能微应用群创建功能层。

图1 智能电网数字孪生技术的架构

1.1 物理电网

物理电网使用分布式电源和集中电源结合实现功能，基于差异性负荷需求与多市场主题博弈创建复杂结构、多设备的高维信息物理系统，具备随机不确定性、部分客观策行、时变非线性，通过标准控制接口与数字化标识实现虚实互动入口的创建。电网中的所有物理元素数字标识是唯一的，使多属性感知信息收集、数据集成和决策指令执行相互融合。利用所有要素实现标准化控制信息接口的创建，并且接收虚拟电网反馈控制指令，对资源要素进行配置。

1.2 感知层

针对应用场景与感知需求的不同，实现数字电网创建感知体系，利用广发部署边缘计算机能力、精准感知能力的传感器、仪表、采集器等感知设备收集各种数据，创建大规模、协同化、大范围的感知系统。根据定向点招、局域组网、动态广播通过感知设备对信息进行收集，利用统一收集整合电网动态数据，创建感知布局。利用感知层实现分析、处理等能力，并且实现自我管理，通过优化结果、自我组织等进行上传交互。

1.3 传输层

传输层指的是电网双向安全可靠传输的通道，物理不同世界的虚实协同运行模式，实现可靠、终端接入的物理通信网络创建，从而提供广覆盖、大连接的数据传输。结合WLAN、光纤和蜂窝无线的通信结构，根据高速电力泛在通信网实现多维信息的获取、协同、传输和汇聚。传输层处理信息，进一步提高网络资源的调配能力，从而实现根据实际需求设置，部署安全网络、设备，有效满足不同级别的业务安全需求。

1.4 数据层

通过数据中台根据数据层实现电网全要素、流程与业务数字化载体的创建，数据层能够实现规划、营销、调度等业务，实现波形库、影像库、文本库等资源的创建，创建不同终端、系统的监测数据、工单数据和业务流程的壁垒。挖掘融合数据、集成数据，观察电网不同业务决策、反馈、执行的观察，将电力系统的特征进行提取。

1.5 平台层

基于集成数据、信息特征、知识图谱，要创建物理电网、运行行为和设备终端的模型，创建精准映射虚拟电网优化决策平台。通过平台层创建推理、学习、记忆、挖掘的电力大脑，构成具备知识计算、概念识别、运行执行的支撑电力，将数据分析和知识引导结合，实现虚拟电网、物理电网的协同优化。通过虚拟电网创建物理电网的模型，从而实现辩证解析、挖掘分析和模拟推演。物理电网能够执行运行指令，根据感知层反馈响应结果，虚拟电网根据相应的结果对决策机制、模型参数与映射关系的调整有所影响。

2 数字孪生在智能电网中的使用

数字孪生技术应用到智能变电站中指的是站控层网络中以站内电力设备的种类创建虚拟系统，并且和真实电力设备利用映射相互关联。虚拟系统的运行情况和真实设备是一样的，操作人员利用虚拟平台能够得到现场设备的运行情况。利用数字孪生技术创建虚拟世界与现实世界一样的智能变电站。

2.1 创建孪生模型

孪生技术应用到智能电网中的重点就是创建孪生模型，孪生模型具有现实中电力设备的特点。模型设计主要包括物理模型、工程模型、几何模型、组合模型和逻辑模型，此模型利用轻量化设计，具备三维模型效果，方便电力设备的全方位展示。几何模型指的是电力设备几何机构模型的创建，图2为孪生模型。

图2 孪生模型

2.2 日方式潮流切片安全校核

调度方式、运行业务和计划为日方式静态潮流的安全校核业务，会改变运行方式，只能够对典型、极大或者极小的进行校核，利用指导的方式实时调度，在电网运行安全调整狭窄，辅助服务、现货交易、新能源波动等随机因素使以上矛盾加剧。根据安稳规定电子化平台作为尺子，能够安全校核电网潮流批量执行切片，对越限原因、时点进行精准分析。对于未来的日常方式，能够逐点、逐日推演日前的发电计划是否合理，对日前计划精准调整，实现电网建设、规划和运维。针对未来日内方式，和分布符合超短期预测、日内计划、现货出清等结合，实现实时电网风险进行推演，对降风险措施辅助分析。

2.3 断面控制限额匹配

在大电网运行过程中会出现断面潮流联动控制，或者某个通道潮流按送、受端等因素分档控制的问题，从而使同个断面存在多套联动安慰限额。针对某潮流方式，对电子化平台实现联动断面限额的安全保证。以此，嵌入式目标指向寻优算法，优化配电网安全边界，对跨大区域电网安全区域进行自动决策。

2.4 调度操作安全校核

电网调度实现计划性、机动性的业务，重点为操作的安全性。要求调度员实现先算后停，利用预演操作票对安全风险进行校核。在多操作票执行过程中，涉及了多方式的限额变更、方式改变等，在进行过渡时具备安全越限无法被发现，安全校核的压力比较大。

在安全规定电子化平台中设置检修方式的控制限额，执行操作模拟之后存在判断越限的问题，构成安全调度操作方案。对于安全校核的机制，实现以越线风险为基础的调度操作计划设置，实现未来智能调度平台的设计。

2.5 故障预案自动编排

调度应急管理的重点为编排故障，具有较大的任务量，使用周期短、应用率低。针对预想故障静态潮流仿真，能够以策略优化实现传统故障预案进行编写，无法对适应性、准确性和可行性进行保证。针对在线平台预案校核技术，利用潮流灵敏度的关系编写精准预案。但是因为潮流安全限额匹配和越限判断等问题，放缓了用化进程。

安稳规定电子化平台能够有效解决上述问题，使任意故障将安全稳定电子化平台作为安全校核工具，对断面、设备越限提供紧急控制。安全规定电子化平台充分展现安控系统、区外关联一次设备故障，动态匹配安全限额实现辅助决策和越限判断。

3 结语

在现代数字化时代不断发展的过程中，能够根据数字孪生理论分析数字电网的特征，对数字电网体系架构和体系进行研究。数字电网能够利用支撑技术、物理电网和孪生电网实现电网生态系统的创建，还是未来智能电网创建的重点，能够实现电网数字化的发展。