1.引言

电力数字孪生（digital twin of power systems，PSDT）是电力系统在数字孪生背景下的衍生产物，与传统意义上的电力系统仿真不同，数字孪生体具备独立于物理实体的模拟推演能力，根据现实状态的变化不断修正，通过双向数据交互保持与物理实体间状态同步运行，并预测物理实体发展趋势，筛选最优控制策略，在时间、空间尺度上孪生体与物理实体实现动态耦合、同步共生。在以数字化、网络化、智能化为核心的“工业4.0”背景下，数字孪生以其深度融合新一代信息技术与数字模型的理念引发工业界和学术界的关注。通过物理对象与虚拟模型的交互，数字孪生能够刻画物理对象的多维属性、实际行为和状态，分析物理对象的未来发展趋势，实现对物理对象的监控、仿真、预测、优化等功能服务。数字孪生作为一项新兴并迅速发展的数字信息化技术，为推进电网建设全方位感知提供了新的思路为满足人民美好生活用电需求提供坚强保障。

2.电力行业的数字孪生架构

电力行业数字孪生建立了电力系统物理实体与虚拟电力系统同生共存、虚实交融的电力行业形态。电力行业数字孪生技术架构从专业、过程与全寿命周期三个维度介绍了电力数字孪生对象及其之间的关系。电力系统数字孪生的三维结构及各维度所包含的主要组成部分如图1所示。

图1 电力数字孪生技术架构

其中，专业维度包括发电、输电、变电、配电、用电、储能及调度；过程维度包括感知层、通信层、数据层、算法层、模型层、能力层、应用层；全寿命周期维度包括规划、设计、制造、建设、运维、退役。

3.电力数字孪生过程维度及其关键技术

3.1感知层

感知层作为设备与上层之间的纽带，确保上层深层次感知电力装备运行状态，同时将上层应用控制指令下发至设备，驱动设备执行上层指令，并将控制结果反馈至上层。该层所涉及的关键技术主要包括数据感知技术、雾计算技术等,云-边-端协同多源数据感知技术路线如图2所示。

图2 云-边-端协同多源数据感知技术

3.2通信层

通信层支持感知层设备与上层在数据交互、指令下达、指令执行结果反馈等环节的信息传输。感知层与上层传输的信息需要通信层支撑。通信层应支持感知层各类设备的数据格式与通信协议，确保感知层所感知的数据可以准确无误的传输至上层；同时通信层应支持感知层设备的控制协议，确保上层控制指令可以正确调控设备。该层所涉及的关键技术为分布式实时通讯技术,分布式实时通讯技术路线如图3所示。

图3 分布式实时通讯技术

3.3数据层

数据层将感知层所感知的数据通过通信层接收并存储，形成数据中心，对算法层提供数据服务。针对电力信息中存在非结构数据的特点，数据层采用多源异构数据融合技术进行数据处理,多源异构数据融合技术原理如图4所示。

图4 多源异构数据融合技术

3.4算法层

算法层通过获取数据层处理后的数据，针对不同目标，集成相应的算法，实现对数据的分析。算法层具备算法集成、算法框架搭建及算法管理等功能。该层涉及的关键技术包括各种编程语言实现基础库的调用技术。

3.5 模型层

模型层作为数字孪生技术框架的核心，既包括外观上的孪生模型，又包括能够分析感知层获取的数据进而对数据源设备的工作原理进行孪生。外观孪生模型称为几何模型，工作原理的孪生模型称为机理模型。机理模型可由仿真分析或机器学习获得。该层所涉及的关键技术包括混合建模技术与复杂系统的高效仿真技术等。

3.6能力层

能力层也称服务层，针对模型层的功能进行接口封装或服务提炼，是数字孪生技术框架中服务能力的体现，是为应用层中针对生产维度或全寿命周期维度提供服务的基础服务群。该层具备实时感知、虚实互动等功能，所涉及的关键技术包括虚实迭代技术等，虚实迭代技术如图5所示。

图5 虚实迭代技术

3.7应用层

应用层针对不同生产维度和全寿命周期维度对应用场景提供服务，从规划设计维度、智能制造维度、设备运行与检修等维度提供定制化的应用服务。该层涉及的关键技术包括智能决策技术等，智能决策优化技术路线见图6所示。

图6 智能决策优化技术

4.数字孪生下的电能生产、传输、使用及存储

建立电力系统数字孪生模型，一方面，有利于实现孪生空间的自治，有利于孪生电网的建设与发展；另一方面，也为电力系统物理实体的安全运行提供基础保证。电力系统发、输、变、配、用的各个环节都有相应的数字孪生体与之对应，这是数字孪生下电力生产的必然发展。

4.1发电

在发电领域，数字孪生可还原发电厂的生产实景，可在电厂实体空间中观察各类生产经营业务、搜索各类信息，实现对电厂的规划、建设以及对电网影响的分析，根据物理电厂建立相应的虚拟电厂模型，并通过软件模拟电厂生产中，人、事、物在真实环境下的行为。对发电厂可能造成的异常及事故进行预警，并给出切实可应对措施。

4.2输电

基于5G物联网的数字孪生智能输电线路运检应用系统，实现虚拟全景交互、故障自诊断与推演、安全监管、智能辅助决策处置等。实现输电线路全息模型多维展示、运检人员及智能设备管理、设备状态远程运维、智能作业辅助、人员作业安全防护、作业情况及设备状态综合评估等功能，满足输电线路后台远程运维，作业实时安全监护，智能运检应用等需求，提高工作效率，降低作业成本。

4.3变电

基于数字孪生技术的智慧变电站，以“数字孪生”技术理念为抓手，结合人工智能算法、大数据分析、IOT等技术助力变电站数字化转型升级，确保变电设备全生命周期管理更加专业、日常巡检工作更加智能高效，综合变电设备参数、试验报告、运行状况等资料，建立与实体装置高度相似的模型，实现对变电站全寿命周期的管制，确保故障预警、诊断、处理更加及时、专业，预防变电站故障发生，及时解决运维问题，以切实提升运维工作效率，减少人力、物力投入，夯实能源互联网基础，实现变电站设备智能化、运维管理精益化与业务数字化。

4.4配电

配电数字孪生体，由架空线路、杆塔、电缆、变压器、开关、无功补偿设备等配电装置的虚拟数字模型构成。通过全面大量实时数据，配电数字孪生体可以反映配电网单一设备及其整体在全生命周期内的变化，从而实现与实体配电网信息、动作的交互，同时也可以支持应用系统实现数据智能分析、动态决策及互感协作等。

4.5用电

用电数字孪生系统通过地理信息系统数据、电网拓扑数据、电力用户信息、用电数据与负荷信息，结合用户、行业、时间等多维信息进行用户用电行为分析。用电数字孪生体结合新型电力系统建立用电模型，实现用电负荷在地图实例化、动态化、多形态可视化的展示，解决用电实体的不确定性及供电实体配电的复杂性。用电数字孪生体是数字信息时代的产物，同时联动发电、输电、变电、配电领域数字孪生的应用成果，使电力生产实现完整闭环。

4.6储能

为构建新能源比重逐步增加的新型电力系统，需强推“新能源 储能”、支持分布式新能源合理配置的储能系统。同时，还应大力发展源网荷储一体化及多能互补。通过源源互补、源网协调、网荷互动、网储互动与源荷互动提高电力系统功率动态平衡的能力，是构建新型电力系统的重要发展路径。

4.7调度等支撑体系

数字孪生调度系统可以解决目前调度自动化不完善、“大电网”安全调度难度大等技术难题，通过建立数字孪生新型电力调度系统，准确预测突发情况，提高发电、用电环节的调节能力、电网侧资源的配置能力，以及各类能源的互通性与灵活性，降低电网耗能水平，提升整体效率。随着可再生能源接入电网运行，大容量负荷迅速增加，电网规模不断扩大，电力系统运行方式日益复杂，电力调度工作面临着严峻挑战。目前电力系统的调控工作仍依赖于人工方式，缺少专业的辅助分析决策工具，无法高效、最优化统筹安排各种资源，抗风险能力不足，亟待数字孪生技术来实现电网变化的实时识别、预警、辅助决策、风险评估预防等能力。数字孪生技术将进一步探索在电力调度领域的发展，实现基于数字孪生的的实时仿真系统，赋能新型电力系统调度建设与运行管理。通过数据全域标识、状态精准感知、数据实时分析、模型科学决策、智能精准执行，实现电力调度系统的模拟、监控、诊断、预测与控制，提高电力调度系统物质资源、智力资源、信息资源的配置效率。

5.数字孪生下的电力全生命周期

5.1规划阶段

电网规划应同步规划建设数字孪生电网，电网中实体设备须在数字孪生电网中建立唯一孪生体，孪生体与实体设备可实现信息交互与共享；数字孪生电网具备的全息模拟、动态监控、实时诊断、精准预测等功能，可通过数字孪生电网与实体电网的交互接口，完成实体电网的监控、诊断、预测和控制，实现电网虚实互动、孪生并行及以虚控实。

5.2设计阶段

根据数字孪生电网建设规划，完成各项功能设计，建立变电站、输电线路、配电网及实体设备的孪生模型，将实体设备孪生体配置在数字孪生电网中，实体电网与数字孪生电网一一对应。在设计时，数字孪生电网与实体电网具备交互接口，可实现二者的信息交互与共享。实体电网、设备与数字电网、孪生体具备隔离能力，以避免模拟操作的影响。

5.3制造阶段

企业应根据实体企业生产制造工艺流程建立生产设备的孪生体模型，各生产要素（设备、试验、图纸、材料、流程、工艺、环境、服务等）在实体和孪生体模型中满足同一约束条件，可以通过感知、测量、控制设备实现设备实体与孪生体模型的信息交互、数据共享；可以通过孪生体模型中数据、参数的调整，实现实体设备的调整。在设备出厂时，实体设备的孪生体模型提供采购方。实体设备应配备物联网标签，作为实体设备与孪生体间的联系纽带。

5.4建设阶段

企业应同步规划建设数字孪生电网，在数字孪生电网中全面导入各种实体设备的孪生体模型、数据、图纸，将工程建设过程中的项目建设施工、设备安装调试、竣工验收以及投运转资等信息，包括安全、质量、进度、成本、技术、风险等以结构化数据固化到设备孪生体，并建立各种设备间的相互关系，配套建设所需的感知、测量、控制设备的硬件及软件，实体电网设备与数字孪生体模型同步建成，实体电网与数字孪生电网同步验收、投运。

5.5运行阶段

数字孪生电网与实体电网虚实同步运行，企业应将实体设备运行检测、维护检修、应急抢修等业务过程信息同步至数字孪生电网孪生体，实体设备感知、测量、控制设备获取信息与孪生体模型数据共享；数字孪生电网以实际业务需求为导向，可模拟实体运行（孪生模型应具备隔离能力），提供适时态势感知、未来研判预演。孪生模型应具备修正、控制能力，通过电网数字孪生模型与实体电网的交互接口，调整孪生模型完成实体设备控制、状态修正、数据调整，实现数字孪生电网与实体电网的虚实融合。

5.6退役（再利用）

同步在数字孪生电网中完成其数字孪生体退役，通过孪生体汇聚信息辅助开展退役设备技术鉴定工作。鉴定结果为报废设备同步完成其数字孪生体存档工作，再利用设备须在使用时应同步完成其数字孪生体对应关系调整，同时存档对应关系。

6结束语

在新形势、新机遇、新挑战下，开发数字孪生技术体系已成为电力发展的必由之路。推动电力行业数字孪生关键技术攻关，构建电力行业数字孪生产业生态，能够促进新能源广泛应用方面的技术和产业升级，可为能源数字经济的可持续发展奠定坚实的技术基础。目前，虽然电力行业数字孪生仍处于非连续的单点应用阶段，但是随着物联网、大数据及云计算等技术的迅速发展与深度融合，电力行业数字孪生在智能化、互动化方面的优势已初露端倪，必将在未来取得实质性突破。

来源: 电力行业数字孪生技术:徐波、杨国锋等著