清研智谈 | 数字孪生电网时代扑面而来，怎么看？怎么办？
2023年1月5日，随着江苏全息数字电网建成落地，数字孪生电网“虚拟”照进“现实”，这是国内首个全息数字电网，也是世界首次对亿千瓦级负荷大电网进行全息数字化呈现。随后，国家能源局3月28日发布的《关于加快推进能源数字化智能化发展的若干意见》，明确提出“推动实体电网数字呈现、仿真和决策，探索人工智能及数字孪生在电网智能辅助决策和调控方面的应用，提升电力系统多能互补联合调度智能化水平。”
数字孪生电网时代已然开启！
何谓数字孪生电网？
众所周知，数字孪生技术是一种以数字化方式建立实体物体或系统的三维模型，通过模拟、预测实体物体或系统运行状态，实现对其运行情况的可视化管理、控制的技术，具有高保真性、可扩展性、互操作性、实时性、闭环性等特征。数字孪生电网，就是针对复杂的电网场景，通过创造虚拟空间来模拟运行生产过程，识别和分析如何更高效、更安全地完成工作。
“数字孪生电网”（DTG，Digital Twin Grid）概念由工业4.0研究院于2021年率先提出，其定义为基于数字孪生基础设施的电网数字化转型方法，通过在数字空间建设电网、环境、人员和业务四要素，实现数据驱动的全局、全生命周期的数字孪生体，从而达到不断改善的应用目的。根据相关应用实践，目前数字孪生电网的功能主要包括四方面，即监测电网实时状态、诊断电网异常原因、预测电网发展趋势、优化电网运营策略，由设备、单元、系统三个层级构成。
当电网“邂逅”数字孪生技术，必将绽放智慧的火花
从电力行业特征来看，数字孪生技术在发、输、变、配、用、储等全流程均有巨大应用潜力。
从发电环节看
从发电环节看，数字孪生技术可应用于短期新能源发电功率预测，故障识别、诊断等。针对火力发电，通过搭建数字化运营平台，对发电厂进行工厂式精细化的数字化管理，进而提升企业对整个发电厂业务的数字化管理能力。针对光伏发电，通过建立光伏电池的数字模型，对光伏电池性能进行模拟和分析，以更好了解光伏电池性能，提高光伏发电效率和可靠性。针对风力发电，通过对发电场实时监测、分析，及时发现并解决风机故障，从而有效提高风力发电场运行效率，更好管理和调度风力发电场。
从输电环节看
从输电环节看，输变电设备是电网最基础、最重要的组成部分，通过构造与实体输变电设备一致的数字输变电设备，能够深入挖掘电网数据资产价值，实现智能运维、精准作业和远程协作等。作为物理电力设备运行的理想输出，可参考感知电力设备运行状态，直观显示故障位置、类型及严重程度，从而有效指导电力设备故障检修与维护；实时反映工程建设成果并开展竣工结算，通过数字孪生技术生成竣工交付成果，可进行项目施工质量复核，为业主后期运维提供丰富可靠的信息，提升项目竣工结算效率与准确性。
从配电环节看
从配电环节看，借助数字孪生，可提升配电网台区运维管理水平，引领和带动电力行业智能化、数字化发展。基于配电网台区数字孪生，可便捷准确获取各类档案信息及运营指标，实现对配电网台区状态的快速准确评价；根据配电网变压器容量、负载情况及电能传输路径上供电线路的允许载流量和负载情况，可计算接入点的可开放容量；精准反映电网台区设备参数和用户信息，快速定位线损台区，提升线损定位水平；实时反映运行状态，准确研判故障范围及故障地点，有效提升抢修工作效率、缩短停电时间；预测配电网台区迎峰度夏、迎峰度冬期间负载率，提前发现过载风险设备。
从用电环节看
从用电环节看，通过建立综合能源系统数字孪生、供电系统数字孪生，可提高能源管理水平。通过对能源系统中数据、流程、设备等信息的模拟，帮助能源系统实现精细化管理，提高能源生产效率、降低能源消耗、减少能源浪费；通过对能源系统中数据的分析、建模，自动优化能源系统运行策略，实现能源系统的智能优化，实时监测能源系统运行状态，发现或预测潜在故障和风险，以便及时采取相应预防或应对措施，提高能源系统的安全性和可靠性。
从储能环节看
从储能环节看，数字孪生技术可对智慧储能电站的运营管理和优化提供支持。在智慧储能电站设计和建设阶段，可对电站进行仿真分析，预测电站的性能、能耗、成本等指标，提高电站效益和经济性；通过对电站各个设备实时监控、预测和诊断，及时发现和解决故障，提高电站的可靠性和稳定性；可对智慧储能电站进行虚拟仿真实验，帮助电站运营人员进行决策。
综上，将数字孪生技术引入电网，实现物理电网的同步映射，将彻底改变现有观察、分析、控制电网的方式，两者有机结合，有望为未来电网进化升级奏响新的强音。
机遇背后即是挑战
诚然，数字孪生电网建设并非一蹴而就，目前仍面临多方面困难和挑战，具体来看：
一是数据协调困难。数字孪生电网的核心是数据驱动，然而当前电网企业数字化转型过程中，最典型的问题就是各系统、各部门之间数据信息相互独立且分散；其次，由于数据来源多样化，导致数据格式各异、难以标准化；另外，还存在数据表达能力不足、缺乏数据交互、难以还原真实场景等顽疾。因此，数字孪生与电网的“邂逅”，首先要解决的就是“数据孤岛”问题。
二是技术协同问题。数字孪生电网技术架构包括物理空间、数字空间和信息处理三部分，实现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，需要综合运用5G、物联网、云计算、模拟仿真、AI等多种技术。然而，目前这些技术的协同发展并不成熟，且数字孪生后的平台模型标准化滞后。
三是数据建模困难。数字孪生电网建模需要考虑天气、市场需求、设备状态、地形、季节等诸多因素，仿真模拟计算模型拟合难度较高，其中任一因素的变化都可能导致建模失真，耦合出精准的模型较为困难。此外，由于可再生能源间歇性特性，容易导致数据出现大幅度波动，合成精度较高的有效模型存在巨大挑战。
四是实时映射挑战。数字孪生将赋予电力系统模型自我演进、终身学习的新能力，理想状态下，电力系统模型是能够实现真实物理对象准确、实时映射，但这对模型仿真与数据分析处理效率实时要求较高,需要计算设备或硬件具有强大的计算能力。
开源社区加速数字孪生电网建设
2021年，开源首次被写入“十四五”规划，明确提出支持数字技术开源社区等创新联合体发展。根据诺贝尔经济学奖获得者让·梯若尔（Jean Tirole）的观点，开源社区是让开发者以代码方式披露自己的创新，有助于参与者之间建立信任，共同推进技术专业化分工，从而实现技术快速成熟。从开源社区的目标来看，应围绕基础性和杀手级应用开源，前者可奠定新技术发展路径，后者可吸引更多开发者参与，而数字孪生电网开源社区的建设恰恰遵循了这一原则。
立足国内，工业4.0研究院于2020年底提出“数字孪生+”战略，要求加强理论研究、关键技术攻关和开源社区建设。经深入研究，在兼顾利益相关者介入可能性和数字孪生电网持续有机发展的情况下，该机构设计了包含六大模块的开源社区。
放眼国际，美国数字孪生电网协会设计了一套开源社区方式，建立了数据交换、流动和分享的机制，能够为数字孪生电网的应用提供便利。同时，正与开源项目团队协作，加速推进数字孪生电网开源社区的运行。此开源社区围绕共性技术基础，共建立了四方面能力，即客户和市场、系统管理、获取和控制、资产管理。
由此可见，数字孪生电网开源社区建设至关重要，正如数字孪生战场实验室研究员吴海军所说，“它是加速行业技术协作的关键方法，缺少这样的平台，难以真正实现各种技术的统一”。
万丈高楼平地起，数字孪生电网目前仍有不少理论和技术上的挑战，未来需要更多主体共同参与，携手突破现有技术限制，通过引入更多新一代数字技术，实现电力行业技术生态的创新发展。
撰稿 | 冀方燕 清研集团能源电力部研究员
编辑 | 孙雪
审核 | 陈泽玺
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