服务于新型电力系统数字化转型的数字孪生技术和工程实践

0. 引言

深入贯彻习近平生态文明思想，准确、全面贯彻新发展理念，构建新发展格局。深入推动能源消费革命、供给革命、技术革命。加快构建清洁低碳、安全高效的能源体系，促进经济社会发展全面绿色转型。推动“碳达峰、碳中和”健康有序发展。

“源网荷储”构建的新型电力系统呈现出新特征，其一，源网荷储协同互动更频繁，电源和负荷不确定性增大，电缆、变压器等设备运行工况更复杂，安全稳定运行不利因素增多，对配电网控制与优化能力要求更高；其二，为提升配网承载能力，需要对电磁-温度-流体-结构-湿度等多物理场耦合特性进行分析，实现设备性能非线性与饱和阈值快速计算。诚然，新型电力系统依赖于电力系统数字化，结果数据不影响结果，状态数据影响结果，只有实时掌握状态演变数据才能实现物理空间与数字空间的全映射，才能保障安全可靠的能源供给。为此，在南方电网数字化转型的战略布局下，深圳供电局以配电网业务为落脚点，通过实际工程案例开展数字孪生技术的实践活动，为实体经济向数字服务型实体经济转型开展探索之路。

1. 数字孪生组成和辨识

1.1 数字孪生组成

由于数字孪生概念较为抽象，且目前仍没有公认的定义，因此不同人对该概念的理解不同，产生诸多认识问题。通过工程实践应用，从其功能特征划分，可分为数字孪生体、物理-数字孪生系统、数字孪生技术三部分，具体描述如下：

数字孪生体：特指在数字空间与物理空间形成的一一对应的模型。

物理-数字孪生系统：是指物理空间和数字空间内在同步映射、推演与互动的闭环信息物理系统，物理空间的变化能在数字空间显示，数字空间的变化能在物理空间体现。

数字孪生技术：设计物理空间的数字孪生体架构、基于数字孪生体的仿真、分析、预测和控制决策相关技术。是指物理空间的演变过程能够通过数字空间实时显现，且数字空间的量变到质变推演过程能够在物理空间展现。

1.2 数字孪生辨识

当前数字孪生项目众多，在没有评价标准体系环境下，如何辨识“数据孪生项目”尤为重要。例如在绿色能源发展过程中，要重点识别绿色能源的属性、能效、可持续性，要建立完善的评级、评价机制，应用科技手段建立人工智能与物理数据识别的绿色能源鉴别测评系统，防范刷绿和涂绿现象发生。为此，在数字化发展进程中，绝不是在设备现场上传视频图像和设备表征数据就视为“数据孪生”，同样要防范“充数和伪数”现象发生。

新型电力系统“数字孪生”具有完整的组合形态，有着系统性的数据应用与能效耦合的密切联系。具体呈现以下几个特征：可观测性——通过泛在传感网络将新型电力系统中的实时数据采集并传输到虚拟镜像之中，形象地、实时地将这些数据进行展示。可预测性、可假设性、可解释性——通过先进建模技术和高性能仿真计算工具，经过不断纠偏、修正、校验过程实现的镜像功能，是数字孪生技术解决实际问题、支撑电网业务的共同基础，因此也可以将其统一概括为“可计算性”。可互动性——数字孪生技术解决实际问题、创造价值的途径，也是数字孪生体时刻与实际系统保持同步的前提，使物理系统与数字孪生体形成“闭环”。

在示范工程项目的实践中，归纳出数字孪生的五个特征，可以做为评价数字孪生项目的五个指标：

可互动性：可以连接数学模型和物理实体，一方面实现最优决策的下达和执行，另一方面收集物理反馈并更新数学模型和决策指令。

可预测性：利用物理/数学的建模技术以及最新的传感器数据，可以实现对设备未来状态的预测，从而实现基于状态的运营维护。

可假设性：允许运营者对数字模型输入不同假设条件，以模拟现实工作中不切实际的情况，从而获得某些极端情况下设备的真实反映。

可解释性：可以让运营者理解单个设备或系统的行为，并从数学模型出发对设备或系统行为做出合理解释。

可观测性：让运营者从数字角度看到设备以及大规模系统的运行演变状态，从而实现对设备以及大规模系统的实时监控和高效管理。

2. 构建新型电力系统数字孪生的关键技术

数字孪生虽然在不同文献中的定义不尽相同，但其技术的核心几乎都指向建模和仿真。为此，下面重点针对新型电力系统中的数字孪生建模和仿真技术进行介绍。

2.1 数据和知识共同驱动的融合建模技术

依据数字孪生“可观测性、可预测性、可解释性”等特征要求，同时受新型电力系统环境中物理实体的复杂性影响，难以获取纯机理模型。在构建能源电力系统的数字孪生模型时，需考虑机理与数据共同驱动的信息物理能源网络与数字空间融合建模。如图1所示

图1 机理和数据共同驱动的融合建模

融合建模的步骤主要包含以下三步：

①通过泛在传感网络获得海量系统状态数据，并基于统计和学习构建数据驱动的相关性模型；

②基于人造物理系统的基本物理原理，通过数字建模，形成能源电力系统偏微分代数模型；

③将系统机理模型和数据挖掘所得相关性模型融合，形成能源电力系统数字孪生分析模型，支撑多种应用。

2.2 高性能仿真技术

根据上文所述的数字孪生的“可预测性、可假设性、可解释性、可互动性”特征可知，构建新型电力系统数字孪生还需要高性能仿真技术。需要特别强调的是这里所指的“仿真”，不能先入为主的认为是电气学科中传统的潮流计算、机电暂态仿真、电磁暂态仿真等，而应该是多物理场、多时间尺度、多概率的全生命周期仿真。对于不同的应用侧重，也需要采用不同形式的仿真分析工具：

在电网运行方面，海量电力电子设备接入系统增大了系统的复杂度和维数，新能源渗透率的不断提高将引入大量不确定性。为此，需要高性能仿真工具，实现大规模系统海量复杂运行场景的高效分析；

在设备运行方面，需要通过大量数字仿真模拟进行设备故障溯因，需要通过在线多物理场仿真开展设备状态评估与预测性维修，以及需要通过数模混合仿真工具设计并验证设备设计和性能。所以，亟需高效一体化的数字模拟和数模混合仿真分析工具；

多物理场和场路耦合仿真方面，由于配电网中综合能源系统的接入，系统中将同时包含冷、热、电、气等多种形式的能源，需要采用多物理场及场路耦合仿真工具，对含综合能源的电力系统进行分析。

3. 服务于新型电力系统数字化转型的数字孪生实践

基于上述的数字孪生技术，深圳供电局立足于企业数字化转型，以配电网业务作为抓手，使用高性能仿真平台CloudPSS为建模仿真内核，开展了一二次设备融合、配电网设备资产管理等多个数字孪生项目研究，获得了宝贵的数字孪生项目实践经验，并取得了初步成效。

以基于数字孪生的配电网设备资产管理项目为例，该项目设计了基于数字孪生中的全生命周期管理理念，即：

从①规划：设备仿真推演，设备接入运行规划，到②入场：设备外挂通信设置，入场后自动化接入，完成设备数字化交付，到③运行：建立设备健康度评价模型，监测设备实时运行状态，到④故障：基于运行状态进行故障识别，根据故障报警信息开展故障诊断，到⑤维护：风险设备预测性检修，故障设备针对性维护，到⑥退役：报废设备退役离场，对新设备接入预先规划。如图2所示

图2 全生命周期管理

在配电网资产设备的全生命周期管理实践中，以数字孪生评价体系为“骨架”，构建了多个数字孪生应用场景，涵盖五大特征：

1）可互动性——配电设备数字化交付应用；

2）可预测性——设备健康度评价应用；

3）可解释性——配电设备智能运维应用；

4）可假设性——配电网电能质量治理；

5）可观测性——配电网全景观测应用。

项目首先构建了数字化交付应用；在完成数字化交付后，根据实际需求，生成不同的数字孪生体，进一步构建数字孪生应用，完成基于数字孪生的衍生业务应用；最终，研发了3D数字孪生系统平台，实现可视化交互和智能化协同。其核心内容如下：

1）配网设备数字化交付应用

配网设备数字化交付应用通过嵌入式芯片、智能网关等硬件设备以及在线软件应用实现设备接入的自动识别、设备资产信息的自动写入、设备模型信息（包括仿真模型、3D结构模型等）的自动上传以及传感器数据的自动注册识别等。该应用中，数字交付芯片技术与射频识别技术（RFID）相融合，设备在现场安装时，即可将设备信息自动识别并上传至数字交付平台。数字化交付解决了人工录入、电子化移交、台帐管理等数据质量方面的实际痛点，避免了重复性的录入设备信息以及设备安装后是否启用的状态不明确等问题。如图3所示

图3 数字交付软硬件原型系统

数字化交付应用是数字孪生系统“可互动性”的重要一环，实现了现场设备状态在数字空间的实时映射。

2）电缆数字化健康度评价应用

通过对运行电缆导体温度的采集、分析，并与运行电流、电压、环境温度、时空等参数组成数据链形成演变数据，为电缆运维提供精准的状态评估和调控方法。依据智能电缆生命周期规律和数字孪生技术，建立电热耦合仿真模型，实现动态阈值、风险预警、区域调荷、故障定位导航、自动巡检等功能。同时采用模型类比探究存量电缆生命周期评判方法，实现电缆寿命演变过程的可视化，将指导存量电缆安全运行，大幅提高电缆使用性能和资产利用率。如图4所示

图4 (a)电缆状态全景监测；(b)导体温度与电流、时间的对应关系

电缆健康度评价应用是数字孪生系统“可预测性、可假设性、可解释性”的具体表现，实现了现场设备状态与数字空间的实时镜像。

3）数字孪生的配电网全景监测平台

通过数字孪生的增强交互能力，结合仿真技术以及数字空间三维模型生成技术，开发了变电站、电缆、配电设备的三维可视化全景监测平台。该平台集三维空间测量、三维空间分析、数字化交付等功能于一体，支撑起配电网运检智能分析决策系统应用。随着数字孪生技术迭代，其应用空间广阔。如图5所示

图5 基于数字孪生的三维可视化平台

三维全景监测平台应用是数字孪生系统“可视化”的关键技术体现，通过现场设备状态与数字空间的实时影像，实现了透明电网的精准运检。

综上，基于数字孪生的配电网设备资产管理项目所研发的数字孪生平台连接多种业务系统，形成了信息共享和交互的渠道，可以提高电网数字化水平、提升资产运营收益、提升运维效率，降低停电损失、提高资产管理水平。

4. 结束语

数字化是新型电力系统建设的核心内容，数字孪生是数字化应用的价值体现。随着IDC广泛应用，数字孪生不仅是电能、设备、电磁等数据的应用，也将融合环境、能耗、金融、碳资产等数据，形成满足环境条件要求的高能效、低碳排的安全运行方式指引。总之，数据已成为重要生产要素和无形资产，数据孪生是数字服务经济的必经环节，将广泛应用于各行各业，数据孪生技术的深度发展与应用，为南方电网在服务经济领域开拓新思路、拓展新市场、提供新途径。