0引言
當前，新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革席卷全球，隨著大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)、人工智能、區(qū)塊鏈(即大云物移智鏈)等新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，數(shù)字經(jīng)濟正不斷地改變著人類的生產(chǎn)和生活方式。
在數(shù)字信息化的時代背景下，推進電網(wǎng)狀態(tài)全面感知、企業(yè)業(yè)務(wù)全程在線、運營數(shù)據(jù)全面連接，成為實現(xiàn)電網(wǎng)穩(wěn)定運行和企業(yè)機制提升，建設(shè)高數(shù)字化、高智能化能源互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的有效途徑。通過數(shù)字孿生電網(wǎng)體系的構(gòu)建，使電網(wǎng)運行、管理和服務(wù)由實入虛，并通過在虛擬空間的建模、仿真、演繹和操控，以虛控實，加強了電網(wǎng)自我感知、自我決策和自我進化能力，支撐電網(wǎng)各項業(yè)務(wù)數(shù)字化運營，對傳統(tǒng)作業(yè)模式和運營模式產(chǎn)生了革命性變化，開辟了新型數(shù)字化智能電網(wǎng)的建設(shè)和管理模式，推動了電網(wǎng)數(shù)字化和智能化轉(zhuǎn)型，是建設(shè)能源互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的必然階段和必要途徑。
與工業(yè)制造領(lǐng)域相比，電力系統(tǒng)規(guī)模更龐大、復(fù)雜程度更高、同時數(shù)據(jù)采集分析和反饋實時性要求更高，因此目前數(shù)字孿生技術(shù)尚未在電力行業(yè)全面開展。隨著近年來電網(wǎng)數(shù)字化、智能化進程的不斷發(fā)展，已開展數(shù)字化模型和系統(tǒng)研究建設(shè)工作。在調(diào)度部門廣泛使用的D5000智能電網(wǎng)調(diào)度控制系統(tǒng)可實現(xiàn)電力系統(tǒng)調(diào)度計劃、調(diào)度管理、實時監(jiān)控和預(yù)警等功能，是電網(wǎng)側(cè)數(shù)字化應(yīng)用的重要體現(xiàn)。設(shè)備側(cè)開展基于人工智能、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)的設(shè)備狀態(tài)評估、故障預(yù)警模型構(gòu)建以及智能運檢管控系統(tǒng)的構(gòu)建，可實現(xiàn)電網(wǎng)設(shè)備、運檢裝備和運檢人員的全面感知與狀態(tài)分析。此外，在工程領(lǐng)域應(yīng)用的建筑信息模型(building information mod-eling,BIM)近幾年也在電網(wǎng)建設(shè)中逐漸探索和應(yīng)用，通過建立變電站3維模型并引入基建項目管理，實現(xiàn)項目設(shè)計管理、施工管理和進度管理。這些模型和系統(tǒng)的應(yīng)用雖然未完全實現(xiàn)跨專業(yè)互通共享和數(shù)據(jù)指導(dǎo)決策的功能，但可作為數(shù)字孿生電網(wǎng)體系的基礎(chǔ)模型，為數(shù)字孿生電網(wǎng)構(gòu)建，推進數(shù)字電網(wǎng)與物理電網(wǎng)虛實融合，實現(xiàn)以數(shù)據(jù)驅(qū)動電網(wǎng)運行奠定理論和模型基礎(chǔ)。
本文基于以上研究基礎(chǔ)，介紹了數(shù)字孿生的含義、體系架構(gòu)、特征及關(guān)鍵技術(shù)，并針對電網(wǎng)特點概述了數(shù)字孿生電網(wǎng)的內(nèi)涵，形成了數(shù)字孿生電網(wǎng)的框架，闡釋了數(shù)字孿生電網(wǎng)的運行模式，最后分別從設(shè)備層、電網(wǎng)層、業(yè)務(wù)層和運營管理層4個層面提出了數(shù)字孿生電網(wǎng)典型應(yīng)用及展望，為數(shù)字孿生電網(wǎng)的建設(shè)提供了理論支撐和指導(dǎo)思路。
1數(shù)字孿生
數(shù)字孿生概念模型最早是由Grieves M.教授2003年在美國密歇根大學(xué)的產(chǎn)品全生命周期管理課程上提出，這一概念模型當時被稱作“鏡像空間模型”，后來在其著作中被正式定義為“數(shù)字孿生”，并指出數(shù)字孿生體系包含物理空間實體、虛擬空間的虛擬產(chǎn)品、以及物理空間和虛擬空間之間的數(shù)據(jù)信息交互接口3個方面內(nèi)容。2011年，美國國家航空航天局將數(shù)字孿生技術(shù)首次應(yīng)用于飛行器維護和質(zhì)量監(jiān)測。同年，美國空軍研究實驗室提出飛機結(jié)構(gòu)壽命預(yù)測的數(shù)字孿生概念模型。在此之后，隨著人工智能、虛擬現(xiàn)實、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展，實現(xiàn)了數(shù)字孿生技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域設(shè)備建模仿真、設(shè)計制造、出廠試驗、運行管控、故障診斷和資產(chǎn)管理等全壽命周期過程的廣泛應(yīng)用。
1.1數(shù)字孿生的含義
利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射。該映射是以數(shù)字化方式為物理實體對象創(chuàng)建虛擬模型，用于模擬其在現(xiàn)實環(huán)境中的行為。通過實測、仿真和數(shù)據(jù)分析來實現(xiàn)針對物理實體對象狀態(tài)的實時感知、診斷及未來預(yù)測，通過數(shù)字孿生模型間的互相學(xué)習(xí)來進化模型自身，并通過優(yōu)化指令調(diào)控物理實體對象的行為。
1.2數(shù)字孿生體系的架構(gòu)
數(shù)字孿生體系包括現(xiàn)實物理域、數(shù)字孿生體、測量與控制實體、用戶域和跨域功能實體共5層內(nèi)容，如圖1所示。
圖1數(shù)字孿生體系架構(gòu)
1.3數(shù)字孿生體系的特征
數(shù)字孿生體系不僅僅是形成現(xiàn)實物理域中物理實體對象的鏡像，更重要的是與物理實體對象實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸，一方面要接受現(xiàn)實物理域的實時信息，另一方面反過來驅(qū)動現(xiàn)實物理域，實現(xiàn)物理實體對象的先知先覺。由此可知，數(shù)字孿生體系具有以下特征：
1）互動性。是指數(shù)字虛擬對象間及其與物理實體對象之間的實時動態(tài)互動。數(shù)字孿生的目標是預(yù)測和優(yōu)化，并將優(yōu)化結(jié)果反饋給物理實體對象，指導(dǎo)其決策；物理實體對象的新狀態(tài)信息也需要實時傳遞給數(shù)字孿生體，對其進行迭代更新和修正。
2）演繹性。是指通過數(shù)字孿生體中的建模仿真，在虛擬空間中對物理實體對象的狀態(tài)進行反演、前推和動態(tài)預(yù)測。數(shù)字孿生中的建模和仿真不僅是物理實體對象的數(shù)字化模型，還要根據(jù)過去和當前狀態(tài)，通過在模型中融入物理數(shù)學(xué)規(guī)律和機理來計算、分析和預(yù)測物理實體對象的未來狀態(tài)。
3）共享性。是指數(shù)字孿生體系中的數(shù)據(jù)實現(xiàn)共享。數(shù)字孿生體系要求使用單一源的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與形態(tài)，通過統(tǒng)一的標準化的數(shù)據(jù)，在單個或多個數(shù)字孿生體之間形成數(shù)據(jù)共享和交換，進而實現(xiàn)仿真與分析無縫協(xié)同。
4）社會性。是指數(shù)字孿生體能夠自發(fā)從海量實物連接數(shù)據(jù)中提取知識，自主演化和升級，并反過來指導(dǎo)物理實體對象的操作與運行。依托于人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈、大數(shù)據(jù)分析、云計算等技術(shù)，數(shù)字孿生具備“社會性”思考能力，并能夠?qū)崿F(xiàn)“數(shù)據(jù)驅(qū)動”的目標。
2數(shù)字孿生電網(wǎng)體系
2.1數(shù)字孿生電網(wǎng)的內(nèi)涵
數(shù)字孿生電網(wǎng)是物理維度上的實體電網(wǎng)和信息維度上的虛擬電網(wǎng)同生共存、虛實交融的電網(wǎng)未來發(fā)展形態(tài)。數(shù)字孿生電網(wǎng)是在數(shù)字空間創(chuàng)造一個與物理實體電網(wǎng)匹配對應(yīng)的數(shù)字電網(wǎng)，通過全息模擬、動態(tài)監(jiān)控、實時診斷、精準預(yù)測反映物理實體電網(wǎng)在現(xiàn)實環(huán)境中的狀態(tài)，進而推動電網(wǎng)全要素數(shù)字化和虛擬化、全狀態(tài)實時化和可視化、電網(wǎng)運行管理協(xié)同化和智能化，實現(xiàn)物理電網(wǎng)與數(shù)字電網(wǎng)協(xié)同交互、平行運轉(zhuǎn)。
數(shù)字孿生電網(wǎng)的本質(zhì)是電網(wǎng)級數(shù)據(jù)閉環(huán)賦能體系，通過數(shù)據(jù)全域標識、狀態(tài)精準感知、數(shù)據(jù)實時分析、模型科學(xué)決策、智能精準執(zhí)行，實現(xiàn)電網(wǎng)的模擬、監(jiān)控、診斷、預(yù)測和控制，提高電網(wǎng)的物質(zhì)資源、智力資源、信息資源配置效率和運作狀態(tài)，開辟新型數(shù)字化智能電網(wǎng)建設(shè)和運行管理模式。
在電網(wǎng)建設(shè)方面，與物理電網(wǎng)同步規(guī)劃建設(shè)數(shù)字電網(wǎng)，規(guī)劃階段開始建模，建設(shè)階段不斷導(dǎo)入數(shù)據(jù)，運營階段依托數(shù)字電網(wǎng)模型和全量數(shù)據(jù)管理物理電網(wǎng)。對已建成并運行多年的電網(wǎng)，通過物聯(lián)網(wǎng)設(shè)施的全面部署和對電網(wǎng)進行數(shù)字建模，可以構(gòu)建數(shù)字孿生電網(wǎng)并進行管理。
在電網(wǎng)運行管理方面，數(shù)字電網(wǎng)與物理電網(wǎng)兩個主體虛實互動、孿生并行、以虛控實。通過物聯(lián)感知和信息傳輸，實現(xiàn)由實入虛，再通過科學(xué)決策和智能控制由虛入實，實現(xiàn)對物理電網(wǎng)的運行管理優(yōu)化。優(yōu)化后的物理電網(wǎng)和數(shù)字電網(wǎng)不斷進行虛實迭代，持續(xù)優(yōu)化，逐步形成深度學(xué)習(xí)自我優(yōu)化的內(nèi)生發(fā)展模式，實現(xiàn)電網(wǎng)運行的自主管理。
2.2數(shù)字孿生電網(wǎng)的框架
數(shù)字孿生電網(wǎng)總體架構(gòu)布局由智能基礎(chǔ)設(shè)施、智能信息中樞和智慧應(yīng)用場景構(gòu)成，如圖2所示。
圖2數(shù)字孿生電網(wǎng)總體框架
2.3數(shù)字孿生電網(wǎng)的運行模式
數(shù)字孿生電網(wǎng)是在各種場景下，整合全域感知、歷史積累、運行監(jiān)測等多元異構(gòu)數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多尺度的仿真過程，集成設(shè)備管理、電網(wǎng)調(diào)度運行、電力服務(wù)等應(yīng)用，共同構(gòu)建與現(xiàn)實電網(wǎng)同生共存、虛實交融的復(fù)雜系統(tǒng)，反映現(xiàn)實電網(wǎng)運行全過程，其運行模式如圖3所示。
圖3數(shù)字孿生電網(wǎng)運行模式
2.4數(shù)字孿生電網(wǎng)構(gòu)建的關(guān)鍵技術(shù)
1）數(shù)字化標識技術(shù)
2）智能化傳感技術(shù)
3）設(shè)備物聯(lián)管理技術(shù)
4）數(shù)據(jù)資源匯集技術(shù)
5）數(shù)字孿生模型構(gòu)建技術(shù)
3數(shù)字孿生電網(wǎng)典型應(yīng)用及展望
數(shù)字孿生電網(wǎng)需要物理實體電網(wǎng)與其數(shù)字鏡像融合來實現(xiàn)其各種功能和應(yīng)用，如圖4所示。通過將物理實體電網(wǎng)中傳感器數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)以及相關(guān)派生數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)中臺，并將匯集的數(shù)據(jù)輸入數(shù)字鏡像模型，通過數(shù)據(jù)分析、仿真計算對模型進行迭代更新，實時顯示更新的電網(wǎng)信息，實現(xiàn)對物理實體電網(wǎng)的可視化反映。數(shù)字孿生不僅能夠反映實時信息，同時具有主動預(yù)測的功能，通過一系列可重復(fù)、可變參數(shù)、可加速的仿真實驗，來預(yù)測電網(wǎng)或設(shè)備未來發(fā)展趨勢。并基于預(yù)測結(jié)果，依托物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享和運營數(shù)據(jù)全面接入，對電網(wǎng)運維策略等進行優(yōu)化，完成協(xié)同運維功能，同時在企業(yè)運營管理方面提供指導(dǎo)決策，進而實現(xiàn)電網(wǎng)全價值鏈協(xié)同。
根據(jù)數(shù)字孿生電網(wǎng)總體框架中描述的在設(shè)備層、電網(wǎng)層、業(yè)務(wù)層和運營管理層的潛在應(yīng)用場景，可實現(xiàn)以下典型應(yīng)用（具體見結(jié)論部分）。
圖4數(shù)字孿生電網(wǎng)實現(xiàn)方式與典型應(yīng)用
4結(jié)論
本文介紹了數(shù)字孿生的含義、體系架構(gòu)和特征，基于數(shù)字孿生技術(shù)提出數(shù)字孿生電網(wǎng)的概念、內(nèi)涵、構(gòu)建框架、運行模式及關(guān)鍵技術(shù)，并根據(jù)電力行業(yè)的特點提出數(shù)字孿生電網(wǎng)可實現(xiàn)的典型應(yīng)用場景：
1）在設(shè)備層，基于數(shù)字孿生，可實現(xiàn)設(shè)備現(xiàn)場及遠程友好互動、設(shè)備自主狀態(tài)管理與缺陷診斷、設(shè)備全壽命周期管理、設(shè)備集群化管理與決策，為設(shè)備智能化監(jiān)測、自主化運檢及決策等相關(guān)業(yè)務(wù)提供支撐，能夠有效提高工作效率和決策的準確性。
2）在電網(wǎng)層，基于數(shù)字孿生，可實現(xiàn)電網(wǎng)運行風(fēng)險評估個性化支持、考慮設(shè)備狀態(tài)的電網(wǎng)自動化調(diào)度及預(yù)測性調(diào)度、電網(wǎng)全壽命周期管理、電網(wǎng)在線分析與決策，進而指導(dǎo)電網(wǎng)進行自主規(guī)劃決策。
3）在業(yè)務(wù)層，基于數(shù)字孿生，依托數(shù)據(jù)中臺的同步建設(shè)，可實現(xiàn)配電臺區(qū)批量業(yè)務(wù)處理、運檢業(yè)務(wù)支撐、負荷分類預(yù)測、全息培訓(xùn)等業(yè)務(wù)。打破了專業(yè)壁壘和部門屏障，實現(xiàn)了各專業(yè)數(shù)據(jù)和各部門業(yè)務(wù)協(xié)同，為規(guī)劃、建設(shè)、運檢、調(diào)度、安監(jiān)等各專業(yè)提供業(yè)務(wù)支撐。
4）在運營管理層，基于數(shù)字孿生，可實現(xiàn)資產(chǎn)管理優(yōu)化、運營風(fēng)險管理服務(wù)、企業(yè)投資決策服務(wù)、三網(wǎng)融合服務(wù)以及電網(wǎng)全價值鏈協(xié)同，對于指導(dǎo)企業(yè)數(shù)字化、智能化運營管理和決策具有重要意義。
通過數(shù)字孿生技術(shù)在設(shè)備層、電網(wǎng)層、業(yè)務(wù)層和運營管理層可實現(xiàn)的典型應(yīng)用，為數(shù)字孿生電網(wǎng)建設(shè)提供了理論支撐和建設(shè)思路，為電網(wǎng)數(shù)字化、智能化發(fā)展提供了新途徑。
