基于数字孪生的数字电网建设探究

2023-11-05梁卓识

科技创新与应用 2023年30期

梁卓识

（广东电网有限责任公司阳江供电局，广东阳江 529600）

数字配电网是传统配电网向智能电网转型的重要步骤，是实现可再生能源和分布式能源高效利用的重要手段。数字配电网的建设面临着诸多的挑战，如系统规模大、复杂度高、运行成本高等。数字孪生作为一种新兴的虚拟仿真技术，能够通过对现实世界中的物理系统进行建模、分析和优化，为数字配电网的建设提供了新的思路和方法。本文旨在探究数字孪生在数字配电网建设中的应用。

1 数字配电网分析

数字配电网是指利用信息通信技术和物联网技术，对传统配电网进行升级改造，使其具备智能化、互联互通、安全可靠和高效节能等特点的电力系统。数字配电网的建设旨在提高电力系统的可靠性、可用性和可持续性，实现对分布式能源和电动汽车等新兴负载的接入和管理，促进电力系统的清洁能源化、低碳化和智能化。

数字配电网的建设可以分为3 个阶段。第一阶段是传统配电网的基础建设阶段，主要包括电力设备的安装和配套设施的建设。第二阶段是数字化改造阶段，主要利用信息通信技术和物联网技术对传统配电网进行数字化改造。第三阶段是智能化升级阶段，主要利用人工智能、大数据分析和云计算等新兴技术对数字化配电网进行智能化升级，实现数字配电网的智能化管理和优化运行。

2 数字孪生在数字配电网中的作用和优势

2.1 减少建设和运维成本

数字孪生技术能够在虚拟环境下进行数字配电网的建模和仿真，节省了现场建设和运维的成本，同时也减少了对人员的依赖。通过数字孪生技术，可以在虚拟环境中进行电力系统的故障排除和运行优化，减少了现场维护和调试的时间和成本。

2.2 提高电力系统的可靠性和安全性

数字孪生技术能够对电力系统进行全面的建模和仿真，模拟各种运行场景下的电力系统行为和响应，为电力系统的可靠性和安全性提供了保障。通过数字孪生技术，可以预测电力系统的故障和异常，提前采取措施，保障电力系统的稳定运行。

2.3 提高电力系统的效率和可持续性

数字孪生技术能够对电力系统进行智能化管理和优化运行，提高电力系统的效率和可持续性。通过数字孪生技术，可以实现电力系统的动态优化和调整，最大限度地利用分布式能源和电动汽车等新兴负载，促进电力系统的清洁能源化和低碳化。

2.4 提高电力系统的可视化和透明度

数字孪生技术能够将电力系统以可视化的形式呈现出来，方便用户对电力系统进行实时监测和管理。通过数字孪生技术，可以实现电力系统的全面监测和数据分析，为电力系统的决策和规划提供数据支持和决策依据。

3 基于数字孪生的数字配电网建设关键技术

3.1 建立物理模型和数学模型

数字孪生模型的建立需要充分考虑电力系统的物理结构和运行特点，同时需要充分考虑数字孪生模型的准确性和实时性。建立电力系统的物理模型和数学模型可以通过CAD 技术进行建模，也可以通过现场数据采集等手段获取。

3.2 实时数据采集和处理技术

数字孪生模型需要保证实时性和准确性，能够及时反映电力系统的运行状态和变化[1]。实时数据采集和处理技术可以通过传感器和物联网等技术实现。

3.3 高性能计算和存储技术

数字孪生模型的计算能力和存储空间是数字孪生技术在数字配电网建设中的关键技术之一，需要采用高性能计算和存储技术，以保证数字孪生模型的计算能力和存储空间。

3.4 人工智能和机器学习技术

人工智能和机器学习技术可以对数字孪生模型进行优化和改进，提高数字孪生模型的精度和可靠性，进一步促进数字配电网的智能化、可持续化和高效化发展。

4 基于数字孪生的数字配电网建设路径

4.1 加强数字孪生技术的研究和开发

随着数字化和智能化技术的快速发展，数字孪生技术在电力系统中的应用越来越广泛。数字孪生技术可以通过虚拟仿真技术，将电力系统的物理结构和运行特点数字化，形成数字孪生模型，实现对电力系统的实时监测和管理，提高数字配电网的可靠性和安全性。因此，加强数字孪生技术的研究和开发，促进数字配电网的智能化和自主化运行，是数字配电网建设的重要举措。首先，建立数字孪生模型的理论框架和技术体系，对数字孪生技术的概念、模型、算法等方面进行深入研究。同时，需要加强数字孪生技术在电力系统中的应用研究，通过实践探索和经验总结，完善数字孪生技术在数字配电网建设中的应用方法和路径。其次，加强数字孪生模型的数据支撑和算法优化。数据支撑方面，需要完善数字孪生模型的数据采集和处理技术，加强实时数据采集和处理，以提高数字孪生模型的实时性和准确性。算法优化方面，需要采用人工智能和机器学习等技术，对数字孪生模型进行优化和改进。最后，加强数字孪生技术与其他技术的融合和创新。数字孪生技术与物联网、人工智能、大数据等技术的融合，实现数字配电网的智能化和自主化运行，以提高数字配电网的效率和可持续性。

4.2 完善数字配电网的物联网架构

完善数字配电网的物联网架构（图1），可以实现对电力系统的实时监测和管理，提高数字配电网的可靠性和安全性。

具体措施包括：①传感器网络的建设。数字配电网需要建立传感器网络，实现对电力系统各个节点的实时监测和数据采集。通过传感器网络，可以实现对电力系统中电压、电流、功率等参数的实时监测和数据采集，为数字配电网的智能化运维和故障处理提供数据支持。②数据采集和处理平台的建设。数字配电网需要建立数据采集和处理平台，实现对电力系统数据的实时采集、处理和存储。数据采集和处理平台需要具备高效的数据采集、处理和存储能力，以实现对电力系统的实时监测和管理，提高数字配电网的可靠性和安全性。③云计算和大数据技术的应用。数字配电网需要应用云计算和大数据技术，实现对电力系统数据的实时分析和优化。通过云计算和大数据技术，可以对电力系统的数据进行深度挖掘和分析，实现对电力系统的优化运行和故障预测，提高数字配电网的效率和可持续性。④物联网平台的建设。数字配电网需要建立物联网平台，实现对电力系统的远程监控和管理。物联网平台需要具备高效的数据采集、处理和存储能力，以实现对电力系统的远程监控和管理，提高数字配电网的可靠性和安全性。

4.3 建立数字孪生模型的数据平台

数字孪生模型需要依靠大量的数据支持，才能实现对电力系统的精准建模和仿真分析。数字孪生模型的数据平台需要实现对电力系统数据的实时采集、处理和存储，以为数字孪生模型的建立和优化提供支持[2]。如图2所示。

图2 基于数字孪生模型的数据平台

首先，建立数字孪生模型的数据平台需要采用现代化的数据采集和处理技术，实现对电力系统的数据实时采集和处理。数据采集方面，可以采用传感器网络、物联网等技术，实现对电力系统各个节点的实时数据采集。数据处理方面，需要建立高效的数据处理平台，实现对电力系统数据的实时处理和存储，为数字孪生模型的建立和优化提供数据支持。其次，建立数字孪生模型的数据平台需要实现对电力系统数据的智能化分析和优化。通过应用人工智能、大数据等技术，可以对电力系统数据进行深度分析和优化，实现对电力系统的智能化运行和优化。数字孪生模型的数据平台需要建立相应的数据分析和优化模型，提高数字孪生模型的精度和可靠性。最后，建立数字孪生模型的数据平台需要建立完善的数据安全和隐私保护机制，实现对电力系统数据的安全管理和控制[3]。数字孪生模型的数据平台需要加强对敏感数据的保护，避免敏感数据的泄露和滥用，保障数字孪生模型的安全和可靠性。

4.4 加强数字配电网的智能化运维

在数字配电网智能化运维中，基于数字孪生的措施可以提高系统的可靠性和效率。如图3 所示。

图3 数字配电网智能化运维流程

具体措施如下：①建立智能化运维平台，基于实际配电系统的数据和参数，建立智能化运维平台，内容包括系统结构、设备特性、电能质量等，实现对配电系统的实时监控[4]。②实时数据采集，利用传感器和监测设备，实时采集配电系统的数据和状态信息，并将其传输到运维平台中，实现实时反馈和监控。③数据处理和分析，利用数据挖掘和人工智能技术，对采集到的数据进行处理和分析，提取关键信息，诊断故障，预测设备寿命和故障率等，为决策提供支持[5]。④智能化决策，基于数据分析结果实现对配电系统的智能化决策，包括设备的优化调度、运行控制、设备维护等。⑤智能化维护，基于数据分析结果实现对配电系统设备的智能化维护，包括定期维护、在线诊断、预防性维修等，提高设备寿命和运行效率。⑥虚拟仿真和实验，利用数字孪生技术，进行虚拟仿真和实验，验证设备的设计和运行方案，评估系统的运行风险和可靠性。⑦可视化展示和交互，利用虚拟现实技术，将智能化平台运行可视化展示出来，并提供用户交互功能，实现对配电系统的远程监控和操作[6]。

4.5 加强数字配电网的管理和协同

数字孪生技术可以实现数字配电网内各设备和系统之间的协同和管理[7]，进一步提升数字配电网的效率和可靠性，协同管理架构如图4 所示。

图4 数字配电网协同管理架构

具体措施包括：①建立数字孪生模型。数字孪生模型是数字化转型的核心内容之一，可以实现对电力系统的实时监测和管理。数字孪生模型通过虚拟仿真技术，将电力系统的物理结构和运行特点数字化，形成数字孪生模型，实现对电力系统的实时监测和管理[8]。②实现数字化运营。数字化运营是数字化转型的关键内容之一，可以实现数字配电网内各设备和系统之间的协同和管理，提高数字配电网的效率和可靠性。数字化运营需要通过数字孪生技术和物联网技术实现对数字配电网的实时监测和管理，实现数字配电网内各设备和系统之间的协同和管理，提高数字配电网的效率和可靠性。③优化协同机制。数字配电网需要优化协同机制，实现数字配电网内各设备和系统之间的协同和管理，提高数字配电网的效率和可靠性。