數(shù)字孿生技術(shù)在數(shù)字電網(wǎng)中的應(yīng)用研究

張振麗

（蘭州博文科技學(xué)院 電信工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730101）

黨和國(guó)家高度重視數(shù)字化轉(zhuǎn)型，在國(guó)家戰(zhàn)略的指引和新興技術(shù)的帶動(dòng)下，勢(shì)必加速推進(jìn)傳統(tǒng)能源、制造產(chǎn)業(yè)向著信息化、數(shù)字化和智能化方向轉(zhuǎn)型升級(jí)。隨著領(lǐng)先企業(yè)商業(yè)模式向能源領(lǐng)域滲透，用戶(hù)需求日趨多元化、關(guān)鍵技術(shù)日益成熟、信息傳播形成的破窗效應(yīng)，要求電網(wǎng)企業(yè)必須與時(shí)俱進(jìn)，充分利用數(shù)字化技術(shù)，探索新的商業(yè)模式，提升客戶(hù)體驗(yàn)，增加企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力。近年來(lái)，數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用越來(lái)越廣泛，其受關(guān)注程度上升到國(guó)家高度。

1 數(shù)字電網(wǎng)

數(shù)字電網(wǎng)主要是以云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)端互聯(lián)網(wǎng)、人工智能和區(qū)塊鏈等各種新一代數(shù)字化技術(shù)作為發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力，以移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)作為關(guān)鍵制造要素，以現(xiàn)代電力網(wǎng)絡(luò)和能源網(wǎng)絡(luò)與新時(shí)代的信息網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合為基礎(chǔ)，通過(guò)先進(jìn)的數(shù)字技術(shù)和能源公司在業(yè)務(wù)、管理上進(jìn)行了深度的融合，不斷提高數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的水平。它將物理電網(wǎng)的人、事、物在數(shù)字世界進(jìn)行重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)能源流、價(jià)值流、信息流的高度融合。

數(shù)字電網(wǎng)是對(duì)事物的全周期進(jìn)行數(shù)字化處理，基于實(shí)體化電網(wǎng)的物理世界上同構(gòu)虛擬化電網(wǎng)的數(shù)字世界，并且在數(shù)字世界中采集其數(shù)字信息，最終構(gòu)建新的運(yùn)行模式，優(yōu)化了物理世界的運(yùn)行模式與管理手段。物理世界與數(shù)字世界兩大平行系統(tǒng)虛實(shí)交互，數(shù)字世界驅(qū)動(dòng)了物理世界高度智能化，物理世界可以依托于數(shù)字世界而衍生出可逆性的再生價(jià)值。數(shù)字化電網(wǎng)給我們帶來(lái)了更多新的技術(shù)特點(diǎn)和新的應(yīng)用場(chǎng)景，它們對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的推動(dòng)作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了技術(shù)的范疇，更加強(qiáng)調(diào)“數(shù)”。數(shù)字電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 數(shù)字電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

2 數(shù)字電網(wǎng)特征

數(shù)字電網(wǎng)具有本體安全、綠色消納、平臺(tái)賦能、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、開(kāi)放共享和價(jià)值創(chuàng)造6大主要特征。

（1）本體安全：采用新型的數(shù)字化技術(shù)，構(gòu)建了覆蓋整個(gè)電網(wǎng)全生命周期的數(shù)字孿生式電網(wǎng)，并有效賦予電網(wǎng)智能化及穩(wěn)定地運(yùn)行；建立了分級(jí)防護(hù)，逐級(jí)驗(yàn)收認(rèn)證的網(wǎng)絡(luò)可信度高的安全防護(hù)體系，為用戶(hù)提供了統(tǒng)一、可靠的網(wǎng)絡(luò)安全保障。

（2）綠色消納：利用新型的數(shù)字化技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)能源的效力及電力系統(tǒng)供電負(fù)荷的精確預(yù)判，實(shí)現(xiàn)對(duì)分布式能源就地平衡的供應(yīng)，提高數(shù)字電網(wǎng)對(duì)能源的消納能力。

（3）平臺(tái)賦能：基于平臺(tái)化、中臺(tái)化理念打造一體化的、覆蓋內(nèi)部生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理的數(shù)字業(yè)務(wù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)字化，全面支撐不斷豐富的業(yè)務(wù)創(chuàng)新和場(chǎng)景化新需求。

（4）數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)：以企業(yè)全環(huán)節(jié)及能源產(chǎn)業(yè)鏈上下游的數(shù)據(jù)為生產(chǎn)要素，通過(guò)數(shù)字化技術(shù)，運(yùn)用到企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)過(guò)程中，不斷做出正向的反饋，促進(jìn)業(yè)務(wù)優(yōu)化及流程再造。

（5）開(kāi)放共享：以縱向連接電力產(chǎn)業(yè)鏈，橫向集結(jié)能源生態(tài)鏈為基礎(chǔ)通過(guò)數(shù)字化技術(shù)推動(dòng)能源生態(tài)系統(tǒng)利益相關(guān)的開(kāi)放共享，驅(qū)動(dòng)能源行業(yè)全要素、全產(chǎn)業(yè)鏈、全價(jià)值鏈協(xié)同優(yōu)化，深度互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)設(shè)施共享、數(shù)據(jù)共享、成果共享。

（6）價(jià)值創(chuàng)造：以電網(wǎng)設(shè)備重資產(chǎn)為生產(chǎn)要素，通過(guò)傳輸能量流實(shí)現(xiàn)對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量的支撐；以電力數(shù)據(jù)輕資產(chǎn)為生產(chǎn)要素。

數(shù)據(jù)在虛擬終端上真實(shí)地映射了物理對(duì)象狀態(tài)、位置等信息，從而實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品數(shù)字化，通過(guò)挖掘數(shù)據(jù)價(jià)值實(shí)現(xiàn)用戶(hù)差異化服務(wù)、支撐政府決策，指數(shù)級(jí)地放大數(shù)據(jù)價(jià)值，繁榮數(shù)字經(jīng)濟(jì)和數(shù)字生態(tài)。

3 數(shù)字孿生技術(shù)

數(shù)字孿生是指由具有多種功能的物理終端產(chǎn)生的數(shù)字化“孿生雙胞胎”，它使用了智能傳感器、大數(shù)據(jù)分析、實(shí)時(shí)通信、人工智能等互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在虛擬終端搭建了一個(gè)與物理終端實(shí)時(shí)映射的“孿生”個(gè)體。

通過(guò)數(shù)字孿生，可以實(shí)現(xiàn)：（1）全面監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，分析系統(tǒng)在非常規(guī)條件下的各種性能，如惡劣工作環(huán)境、存在加工誤差、沖擊載荷工況等；（2）利用數(shù)字孿生體模型進(jìn)行虛擬化測(cè)試，縮短了測(cè)試和分析的時(shí)間，降低了測(cè)試與分析的成本，并可以根據(jù)虛擬化測(cè)試結(jié)果優(yōu)化試驗(yàn)參數(shù)；（3）實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵部件的可預(yù)測(cè)性維護(hù)和維修等。數(shù)字孿生結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 數(shù)字孿生結(jié)構(gòu)圖

數(shù)字孿生并不局限于單純的數(shù)值仿真或者機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)。相對(duì)于傳統(tǒng)的數(shù)值仿真方法，數(shù)字孿生系統(tǒng)與真實(shí)設(shè)備同步運(yùn)行，所有數(shù)據(jù)都采自于真實(shí)設(shè)備，能夠?qū)崟r(shí)反映真實(shí)設(shè)備的動(dòng)態(tài)變化；當(dāng)真實(shí)設(shè)備發(fā)生變化時(shí)，數(shù)字孿生系統(tǒng)也有同步的表征，并向真實(shí)設(shè)備下達(dá)運(yùn)維檢修策略，提供智慧決策支撐；當(dāng)數(shù)字孿生系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，真實(shí)設(shè)備也可能存在異常，實(shí)現(xiàn)提前預(yù)警。

數(shù)字孿生技術(shù)的使用便捷和方便創(chuàng)新、更全面的智能故障診斷分析和預(yù)測(cè)能力、提高效率和生產(chǎn)力、全景可視化等優(yōu)勢(shì)，將有力推進(jìn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

數(shù)字孿生技術(shù)體系涵蓋感知控制、數(shù)據(jù)集成、模型構(gòu)建、模型互操作、業(yè)務(wù)集成和人機(jī)交互6大核心技術(shù)。

數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域包括電力領(lǐng)域、航空航天、汽車(chē)制造、船舶航運(yùn)、城市管理、智慧農(nóng)業(yè)、建筑建設(shè)、安全急救、健康醫(yī)療及環(huán)境保護(hù)等。

4 數(shù)字電網(wǎng)平臺(tái)架構(gòu)圖

基于數(shù)字孿生的數(shù)字電網(wǎng)架構(gòu)從下到上由物理電網(wǎng)、感知層、傳輸層、數(shù)據(jù)層、平臺(tái)層和應(yīng)用層組成，如圖3所示。物理電網(wǎng)主要是指由清潔發(fā)電、智能變電、輸電、配電及多樣用電所組成的電力系統(tǒng)；感知層和傳輸層兩者構(gòu)建共同完成數(shù)字孿生的交互通信通道；數(shù)據(jù)層主要包括數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)管理等，可完成物理電網(wǎng)的數(shù)字化建模仿真和數(shù)據(jù)處理；平臺(tái)層主要包括數(shù)字建模、協(xié)同計(jì)算、精準(zhǔn)控制等，可完成建模仿真及故障的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)；應(yīng)用層主要包括企業(yè)運(yùn)營(yíng)、客戶(hù)服務(wù)、電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)、數(shù)字金融和數(shù)字生態(tài)等。每層之間相互配合，支撐數(shù)字電網(wǎng)中各項(xiàng)業(yè)務(wù)、服務(wù)和應(yīng)用的順利開(kāi)展。

圖3 數(shù)字電網(wǎng)架構(gòu)圖

基于數(shù)字孿生的智能電網(wǎng)技術(shù)要點(diǎn)主要包括業(yè)務(wù)數(shù)字運(yùn)營(yíng)、電力智慧大腦、電網(wǎng)數(shù)字建模、數(shù)據(jù)中心技術(shù)、異構(gòu)通信技術(shù)和智能傳感技術(shù)。業(yè)務(wù)數(shù)字運(yùn)營(yíng)即實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)資源配置自動(dòng)優(yōu)化和自動(dòng)導(dǎo)航，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化運(yùn)營(yíng)管理；電力智慧大腦是完成智能決斷、自我優(yōu)化、虛實(shí)迭代的控制中心；電網(wǎng)數(shù)字建模反映了物理電網(wǎng)的系統(tǒng)構(gòu)成、運(yùn)行狀況，是虛擬數(shù)字電網(wǎng)與實(shí)體數(shù)字電網(wǎng)之間轉(zhuǎn)換的基石；數(shù)據(jù)中心技術(shù)是數(shù)據(jù)的處理、融合、管理、服務(wù)中心，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全存儲(chǔ)和管理、分析、讀取，為平臺(tái)的優(yōu)化決策提供精確的數(shù)據(jù)；異構(gòu)通信技術(shù)指在通信系統(tǒng)架構(gòu)下，支持虛擬數(shù)字電網(wǎng)與實(shí)體數(shù)字電網(wǎng)映射、兩者交互、共同優(yōu)化，可實(shí)現(xiàn)物理電網(wǎng)的全周期數(shù)字化和全過(guò)程實(shí)時(shí)化；實(shí)時(shí)的智能傳感技術(shù)對(duì)虛擬電網(wǎng)與物理電網(wǎng)的全息復(fù)制和動(dòng)態(tài)調(diào)整至關(guān)重要。根據(jù)數(shù)字電網(wǎng)架構(gòu)搭建的數(shù)字電網(wǎng)平臺(tái)架構(gòu)如圖4所示。

圖4 數(shù)字電網(wǎng)平臺(tái)架構(gòu)圖

5 數(shù)字電網(wǎng)的影響

數(shù)字電網(wǎng)的發(fā)展將帶來(lái)以下影響：（1）給傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的理論技術(shù)體系與研究方法帶來(lái)基礎(chǔ)性變革；（2）給傳統(tǒng)電網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)與技術(shù)模式帶來(lái)顛覆性變化；（3）將全面構(gòu)筑基于先進(jìn)信息化與數(shù)字化技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)體系；（4）在能源生產(chǎn)環(huán)節(jié)，將顯著提升新能源發(fā)電的可觀、可控能力和消納利用水平；（5）在能源供給環(huán)節(jié)，泛布全網(wǎng)的傳感終端將顯著提升電網(wǎng)透明化水平，全域覆蓋的信息通信網(wǎng)絡(luò)將支撐海量物聯(lián)終端形成廣泛連接，支撐實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)層面電網(wǎng)狀態(tài)、設(shè)備狀態(tài)、管理狀態(tài)的全景透明；（6）在能源消費(fèi)環(huán)節(jié)，數(shù)字電網(wǎng)將構(gòu)建起更加靈活和柔性的用戶(hù)能源配給平臺(tái)。

6 結(jié)束語(yǔ)

數(shù)字電網(wǎng)將充分利用小微傳感器、邊緣計(jì)算、電力物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)手段，構(gòu)建具備云-邊協(xié)同、海量數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)分析及高度智能化決策等能力的電網(wǎng)平臺(tái)。數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)涉及數(shù)值建模與仿真、機(jī)器學(xué)習(xí)以及將信息連接起來(lái)的物聯(lián)網(wǎng)、云平臺(tái)等領(lǐng)域。今后，數(shù)字孿生技術(shù)將與人工智能、云計(jì)算、5G等新一代技術(shù)結(jié)合在一起，采用“云-網(wǎng)-端”的結(jié)構(gòu)來(lái)推動(dòng)數(shù)字孿生系統(tǒng)升級(jí)，使數(shù)字孿生系統(tǒng)應(yīng)用在個(gè)人電腦、移動(dòng)設(shè)備、可穿戴設(shè)備等多種前端設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界與數(shù)字世界之間的“動(dòng)態(tài)鏈接”和“雙向傳輸”。數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域與范疇還在不斷發(fā)展，電力領(lǐng)域數(shù)字孿生的探索已經(jīng)開(kāi)始。最終將在電力系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)廣泛的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。