基于数字孪生的数字电网应用的探讨

苟浩亮，袁金丽

摘要：基于数字孪生技术结合电网现有运行管理模式的创新与完善，满足电网数字化发展需求，所谓的数字孪生智慧电网是基于传感器技术，将物理电网映射到数字空间中，在数字空间中形成物理电网的镜像，依据全域数据信息，在充分融合电网设备运行的关联关系、变化态势等本质规律的基础上，通过对历史问题的分析和当前状态平台的评估，实现对物理电网的全面感知和发展趋势预测，推动电网智能化建设进程。

关键字：数字孪生；数字化电网；数字化转型；数字技术

1、数字孪生理论阐述

数字孪生的本质就是在信息世界对物理世界的等价映射，通过大数据分析、人工智能等新一代信息技术在虚拟世界的仿真分析和预测，以最优的结果驱动物理世界的运行。

数字孪生是指充分利用物理模型、传感器、运行历史等数据，集成多学科、多尺度的仿真过程，它作为虚拟空间中对实体产品的镜像，反映了相对应物理实体产品的全生命周期过程。数字孪生本身具备多源异构数据融合、数据驱动精确映射、智慧分析协助决策等特性。

2、数字电网模型分析

数字孪生技术在电网中的研究与应用，通过对现有技术路线的查阅，本文将从以下几部分进行探讨：

2.1数字电网内涵

数字世界是通过数字技术完成对现实世界的虚拟映射，所以，同样把这个概念衍生到电网行业。数字孪生电网借助人工智能、虚拟现实等信息技术实现对物理电网在信息维度的孪生，形成虚实交融的电网形态。

数字电网是由物理电网、孪生电网以及支撑技术形成，通过全息模拟、数据全域标识、状态精准感知、数据实时分析、模型科学决策、智能精准执行等反映物理电网运行状态，采用系统自我进化方式、决策精准执行方式、数据实时分析能力等，实现对电网的运行状态的实时精准监测、虚拟场景可视、协同化管理、精准辅助决策、研判预警的数字化智能电网建设和运行管理新模式，形成电网级数据闭环赋能体系，促使电网规划、电网建设以及服务中存在的各类问题可以得到更好解决，提升信息资源利用率，提高电网的物质资源、智力资源、信息资源配置效率和运作状态，用全新的开辟新型数字化智能电网建设和运行管理模式。

在数字电网中，拥有海量的数据信息，包括了电网基础台账、运行数据等，数据庞大而繁杂，通过对智能传感、人工智能、大数据分析等技术的应用，可实现电网复杂数据、信息的耦合运行关系的深度解析，实现物理电网运营的可视化。利用智能化方式实现对运营物理电网的行科学管理，以便于完成电网作业模式、企业管理方式的转变。

2.2数字电网特点

在数字孪生背景下，数字电网在继承了数字技术自身的特点外，结合行业特性衍生出了更加符合自身的特性和优点。通过对现有基于数字孪生技术的数字电网理论的分析总结，在原电网信息化的基础上，利用全业务在线监测及态势感知，结合传感器技术的应用，对业务数据的监测、分析、研判，实现物理电网的实时动态的状态监测与全面感知在虚拟环境的同步映射，使得全系数字化的精准表达得到充分保障；具备孪生交互的特点，全域数字世界中，在实现全息虚拟映射场景建设的基础上，使得电网运行管理能够由实入虚，通过虚拟电网实现对电网复杂特性的学习解释、建模仿真等，给用户以沉浸式体验；虚实迭代，通过物联感知、物理世界实体新要素、人工智能等，以保证虚拟电网的修正模型与物理电网在时空上的一致性，进一步辅以仿真计算的方式，可实现针对物理电网的变化潜在的风险隐患问题进行全面预警，并通过自动研判提供科学可靠的预防防范措施与解决方案。

3. 基于数字孪生的数字电网的架构及关键技术

3.1架构理论

数字孪生电网是通过基于数字孪生基础设施的实现的电网数字化转型后的新模型，通过对数字空间赋予电网、环境、人员和业务四要素，建设由数据驱动的覆盖全局、全生命周期的数字孪生体，达到不断完善的应用目的。根据数字孪生电网的定义，工业4.0研究院设计了数字孪生电网的参考架构，分为三部分：数字孪生基础设施、数字孪生体平台和数字孪生体应用。《数字孪生电网白皮书》指出从孪生电网工程实现来讲，应建立一个物理世界和数字空间对应的数字孪生基础设施，主要包括电网、环境、人员和业务四大要素，进一步实现数据驱动的全局、全生命周期的数字孪生体，达到不断改善的应用目的。

跟电网行业通常采用的平台和模型高度耦合模式不同，数字孪生电网强调开放架构，实现了数字孪生模型的基础设施化，平台主要承担能力建设和提供功能。

数字电网主要包括物理电网、感知层、传输层、数据层、平台层和应用层，物理电网即物理世界，感知层和传输层共同构建了数字孪生交互通道，数据层完成了物理电网的数字化建模和数据处理，平台层承载着孪生电网所在的数字世界。各层之间相互协同，共同支撑数字电网各项业务、服务和应用。

数字孪生电网需要物理实体电网与其数字镜像融合来实现其各种功能和应用。通过将物理实体电网中传感器数据、历史数据以及相关派生数据上传到数据中台，并将汇集的数据输入数字镜像模型，通过数据分析、仿真计算对模型进行迭代更新，实时显示更新的电网信息，实现对物理实体电网的可视化反映。数字孪生不仅能够反映实时信息，同时具有主动预测的功能，通过一系列可重复、可变参数、可加速的仿真实验，来预测电网或设备未来发展趋势。并基于预测结果，依托物联网数据共享和运营数据全面接入，对电网运维策略等进行优化，完成协同运维功能，同时在企业运营管理方面提供指导决策，进而实现电网全价值链协同。

3.2数字电网技术体系及关键技术

3.2.1技术体系

目前，数字电网技术体系依据数字电网的理论模型，分为物理系统、信息系统、业务系统。根据数字电网技术体系架构设计，物理系统由“发、输、变、配、用”专业组成，业务系统包括了电网规划、工程建设、调度交易、电网运维、安全生产等；信息系统分为基础设施层、技术平台层、中台层、应用层，由下而上，相辅相成。

3.2.2关键技术

数字孪生技术架构包括物理空间、数字空间和信息处理三个部分，基于物联网和虚拟仿真的底层技术，实现了真实空间和虚拟空间之间的双向数据交换、指挥控制和虚拟现实联动，以满足这些需求，所涉及的关键技术有智能传感技术、异构通信技术、数字模型技术、数据中心技术、人工智能技术。

以高精度、高灵敏度的传感监测系统是实现数字孪生的基础，利用5g等新型异构网络技术实现高速、大容量、低延迟接入，从而保证物理电网中海量传感器的接入要求和虚拟电网中精确控制指令的传输要求。通过数字模型技术电网数字模型反映物理电网的要素构成、运行动态和决策影响，依靠数据中心技术实现数字孪生模型的构建和自优化依赖，确保整个区域内的全量电网、数据的安全存储和高效读取，运用人工智能技术和机器学习、深度学习等机器智能算法识别物理电网的自组织隐序和隐模式，推理学习复杂的操作规律和未知关系，实现辅助决策能力。

3. 结束语：

本文是在电网数字化转型的时代背景下，基于数字孪生技术阐述了数字电网的概念和特征，研究了数字孪生电网体系主流的架构和关键制程技术。数字电网作为有物理电网、孪生电网及支撑技术所构建的电网生态系统，具备着全息复制、数字孪生性、良好交互性、虚实迭代等特征，以全域感知为前提，物联网技术为支撑，实现业务数字化运行管理的目标。

参考文献：

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