張海濤，范榮琴，趙 剛

（國(guó)網(wǎng)巢湖市供電公司，安徽 巢湖 238000）

1 數(shù)字孿生技術(shù)的研究?jī)r(jià)值

隨著自動(dòng)化、信息化技術(shù)在電力行業(yè)的廣泛應(yīng)用，電網(wǎng)運(yùn)行控制、生產(chǎn)管理、運(yùn)行維護(hù)以及各種營(yíng)銷與運(yùn)營(yíng)工作的效率逐步提高，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息也越來越龐大。電力企業(yè)在實(shí)際管理與決策過程中，需及時(shí)、準(zhǔn)確地對(duì)具有一致性、完整性、可用性以及準(zhǔn)確性等特征的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行科學(xué)處理。例如，工作人員獲取的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)多為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。此時(shí)，為確保數(shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù)在時(shí)序數(shù)據(jù)庫的研究中獲得有效應(yīng)用，工作人員必須解決時(shí)間聚合等問題，做好時(shí)序數(shù)據(jù)的對(duì)比分析工作。另外，基于復(fù)雜時(shí)間和空間電力設(shè)備的數(shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù)的已有研究，對(duì)傳統(tǒng)的分析模式進(jìn)行全面升級(jí)，進(jìn)一步改善電網(wǎng)建設(shè)效果，是絕大多數(shù)研究者共同關(guān)注的重要內(nèi)容[1]。換而言之，對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)展開系統(tǒng)分析，在當(dāng)前仍有一定的現(xiàn)實(shí)意義。物理-數(shù)字模型交互方式如圖1 所示。

圖1 物理-數(shù)字模型交互方式

2 需求分析

在高質(zhì)量發(fā)展和建設(shè)新型電力系統(tǒng)的要求下，以數(shù)字化轉(zhuǎn)型為目標(biāo)的電力企業(yè)對(duì)數(shù)字化服務(wù)水平提出了更高的要求，電網(wǎng)數(shù)字孿生是新型電力系統(tǒng)數(shù)字化服務(wù)體系發(fā)展的關(guān)鍵支撐和重要方向。在“雙碳”目標(biāo)要求下，國(guó)家電網(wǎng)有限公司（以下簡(jiǎn)稱國(guó)家電網(wǎng)）提出加快建設(shè)新型電力系統(tǒng)。在新型電力系統(tǒng)“雙高”特點(diǎn)下，數(shù)字賦能建設(shè)面臨新的發(fā)展需求，主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)。

（1）加強(qiáng)感知終端建設(shè)。目前，區(qū)域內(nèi)感知設(shè)備數(shù)量較少，采集信息種類不全，感知設(shè)備智能化水平不高，需統(tǒng)籌開展覆蓋“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”各環(huán)節(jié)的感知體系建設(shè)，形成三維立體、覆蓋全城區(qū)的感知布局，為“配網(wǎng)一張圖”的實(shí)現(xiàn)奠定據(jù)基礎(chǔ)。

（2）完善信息傳輸網(wǎng)絡(luò)。目前，區(qū)域內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋不足，需結(jié)合實(shí)際需求，按照國(guó)家電網(wǎng)物聯(lián)體系和數(shù)據(jù)中心布局及網(wǎng)絡(luò)建設(shè)要求，提升網(wǎng)絡(luò)覆蓋面，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)數(shù)據(jù)整合與共享，為設(shè)備側(cè)電力物聯(lián)網(wǎng)提供高可靠、高安全和高帶寬的信息傳輸通道。

（3）建設(shè)數(shù)字孿生配網(wǎng)。在加快構(gòu)建新型電力系統(tǒng)、積極推動(dòng)經(jīng)濟(jì)綠色低碳轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展的過程中，要求配網(wǎng)具備全面感知、協(xié)同優(yōu)化、預(yù)測(cè)預(yù)警以及科學(xué)決策等特性。

（4）強(qiáng)化業(yè)務(wù)應(yīng)用建設(shè)。目前，由于缺乏物理層和孿生層的直接映射關(guān)系，在業(yè)務(wù)層面無法實(shí)現(xiàn)仿真、聯(lián)動(dòng)、智能分析等應(yīng)用，對(duì)新型電力系統(tǒng)中新能源和傳統(tǒng)能源的消納協(xié)同、多能互補(bǔ)等方面無法實(shí)時(shí)感知與精細(xì)調(diào)控，業(yè)務(wù)支撐能力有限。需圍繞智慧城區(qū)配網(wǎng)和“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”協(xié)同互動(dòng)示范點(diǎn)，結(jié)合業(yè)務(wù)需求，開發(fā)靈活高效的業(yè)務(wù)應(yīng)用，通過數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的提升和創(chuàng)新。

（5）鞏固信息安全保障。新業(yè)態(tài)、新業(yè)務(wù)使國(guó)家電網(wǎng)有限公司網(wǎng)絡(luò)更加互聯(lián)與開放，現(xiàn)有信息安全防護(hù)體系將難以滿足新型數(shù)字業(yè)務(wù)共享互聯(lián)發(fā)展需求。因此，需要提升信息安全防護(hù)能力，提高整體安全防護(hù)水平，參與建設(shè)覆蓋物聯(lián)體系、網(wǎng)絡(luò)通信和采集終端等的整體防護(hù)架構(gòu)，提升終端接入、通信通道等安全防護(hù)能力，支撐構(gòu)建全場(chǎng)景安全聯(lián)動(dòng)防護(hù)體系[2]。

3 電力設(shè)備數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化現(xiàn)狀

（1）電力設(shè)備數(shù)據(jù)收集不全面或數(shù)字化程度不高。主要表現(xiàn)如下：一是，電力設(shè)備的外部施加應(yīng)力如自然環(huán)境、運(yùn)行工況等數(shù)據(jù)收集不全面或數(shù)字化程度不高；二是，電力設(shè)備內(nèi)部特性數(shù)據(jù)（結(jié)構(gòu)尺寸等）和內(nèi)部特性（材料性能等）數(shù)據(jù)收集不全面或數(shù)字化程度不高；三是，電力設(shè)備的外部可觀測(cè)數(shù)據(jù)如開關(guān)管理人員五官感知、試驗(yàn)檢測(cè)和在線監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)收集不全面或數(shù)字化程度不高。

（2）電力設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化程度不夠。主要表現(xiàn)如下：一是，通過數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）系統(tǒng)收集了部分的電力設(shè)備運(yùn)行工況數(shù)據(jù)，但由于網(wǎng)絡(luò)安全問題，大部分運(yùn)行工況數(shù)據(jù)還不能通過網(wǎng)絡(luò)共享；二是，電力設(shè)備通過在線監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)收集一部分電力設(shè)備外部可觀測(cè)數(shù)據(jù)和自然環(huán)境，但電力設(shè)備全生命周期各個(gè)環(huán)節(jié)的大量人機(jī)交互終端、設(shè)計(jì)工具、測(cè)試以及試驗(yàn)裝置所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)未能通過網(wǎng)絡(luò)化收集；三是，電力設(shè)備數(shù)據(jù)共享的安全性問題未徹底解決，電力設(shè)備數(shù)據(jù)共享的機(jī)制未解決，電力設(shè)備與社會(huì)公共知識(shí)數(shù)據(jù)、公共氣象數(shù)據(jù)未能較好地通過網(wǎng)絡(luò)化進(jìn)行收集。

（3）電力設(shè)備的內(nèi)部狀態(tài)不夠透明。電力設(shè)備的內(nèi)部狀態(tài)不能在數(shù)字空間全面、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)更新。主要表現(xiàn)如下：即使通過物聯(lián)網(wǎng)等收集了電力設(shè)備的外部施加應(yīng)力數(shù)據(jù)和電力設(shè)備的外部可觀測(cè)數(shù)據(jù)，也由于缺乏有效的狀態(tài)評(píng)估模型，內(nèi)部狀態(tài)不能在數(shù)字空間準(zhǔn)確、及時(shí)地實(shí)時(shí)更新或者更新不全，造成電力設(shè)備的內(nèi)部狀態(tài)無法實(shí)現(xiàn)全面、實(shí)時(shí)的“可觀測(cè)”，進(jìn)而無法有效地實(shí)現(xiàn)其預(yù)期的“可控制”和“自動(dòng)化”等功能[3]。

4 數(shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用

4.1 分布式一致性算法

分布式一致性算法可以確保分布式系統(tǒng)中的任何數(shù)據(jù)或計(jì)算口徑的一致性。對(duì)于高性能的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫而言，只有始終保持?jǐn)?shù)據(jù)信息的一致性，才能在全面更新之后，不影響用戶訪問數(shù)據(jù)信息?；诖耍夹g(shù)人員在對(duì)處理任何分布式數(shù)據(jù)庫時(shí)，都必須遵循一致性、可用性、分區(qū)容錯(cuò)性（Consistency Avaliablity Partition tolerance，CAP）原理，即在一個(gè)分布式系統(tǒng)中，一致性、可用性、分區(qū)容錯(cuò)性這3 個(gè)要素最多只能同時(shí)實(shí)現(xiàn)2 個(gè)，無法3 者兼顧。其主要原因是分布式系統(tǒng)以互聯(lián)網(wǎng)為支撐，由多臺(tái)相互關(guān)聯(lián)的機(jī)器共同組成，在網(wǎng)絡(luò)分區(qū)過程中發(fā)生網(wǎng)絡(luò)通信故障等問題的概率相對(duì)較高。因此，在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)分析環(huán)節(jié)，為切實(shí)提高數(shù)據(jù)信息的可用性，技術(shù)人員應(yīng)采用副本備份的方式，并合理調(diào)整全部的副本數(shù)據(jù)，保障數(shù)據(jù)信息的一致性與可靠性。

4.2 三維物理模型

數(shù)字孿生電網(wǎng)三維模型包括城區(qū)配網(wǎng)各組成元素（變電站、變壓器、輸電線路、綜合能源站以及新能源設(shè)備等）的三維模型，還包括區(qū)域內(nèi)地形地貌、園區(qū)（景區(qū)）建筑的三維模型。三維模型可以直觀地展示電網(wǎng)的周邊環(huán)境、外貌特征、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等信息，還可以通過三維模型展示區(qū)域內(nèi)電網(wǎng)的檔案類數(shù)據(jù)、量測(cè)類數(shù)據(jù)以及各種模型的分析計(jì)算結(jié)果，從而幫助工作人員更為直觀地監(jiān)測(cè)電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)[4]。

4.3 數(shù)字電力設(shè)備的質(zhì)量特性

在引言中已經(jīng)明確了數(shù)字電力設(shè)備的概念，但未明確數(shù)字電力設(shè)備的功能和性能，即數(shù)字電力設(shè)備的質(zhì)量特性。在梳理電力設(shè)備發(fā)展過程中可以發(fā)現(xiàn)，電力設(shè)備的質(zhì)量特性可以分為專用質(zhì)量特性和通用質(zhì)量特性。專用質(zhì)量特性隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展而發(fā)展，而通用質(zhì)量特性隨著電力設(shè)備全生命周期業(yè)務(wù)需求的發(fā)展而發(fā)展。隨著數(shù)字電網(wǎng)的發(fā)展，電網(wǎng)要求能夠?qū)崟r(shí)地獲取電力設(shè)備的數(shù)字化狀態(tài)，對(duì)電力設(shè)備提出了專用質(zhì)量特性要求，數(shù)字電力設(shè)備的核心功能為自身狀態(tài)的數(shù)字映射，即實(shí)時(shí)獲得電力設(shè)備自身狀態(tài)的數(shù)字化信息。因此，描述數(shù)字電力設(shè)備的專用質(zhì)量特性指標(biāo)分別為以下3 個(gè)，即數(shù)字化顆粒度、數(shù)字映射誤差、數(shù)字映射時(shí)間。數(shù)字化顆粒度指能夠映射設(shè)備的空間層級(jí)，如類別級(jí)、設(shè)備級(jí)、單元級(jí)、元件級(jí)、部件級(jí)、零件級(jí)以及材料級(jí)等；數(shù)字映射誤差即電力設(shè)備在物理空間與數(shù)字空間之間偏差；數(shù)字映射時(shí)間指在物理空間的實(shí)體發(fā)生變化后，在相關(guān)觀測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好開始到在電力設(shè)備數(shù)字孿生體在數(shù)字空間同步更新的時(shí)間。數(shù)字電力設(shè)備同樣存在通用質(zhì)量特性，與傳統(tǒng)電力設(shè)備一致。數(shù)字電力設(shè)備的專用質(zhì)量特性技術(shù)指標(biāo)跟具體電力設(shè)備的應(yīng)用場(chǎng)景和需求密切相關(guān)。例如：數(shù)字化顆粒度，對(duì)于某些電力設(shè)備需要的是設(shè)備級(jí)，有些電力設(shè)備需要的是材料級(jí)，其還與電力設(shè)備的性能相關(guān)，如要求數(shù)字化僅為設(shè)備級(jí)的絕緣性能、材料級(jí)的機(jī)械性能等；數(shù)字映射誤差，對(duì)于大部分電力設(shè)備用戶均希望能夠?qū)崟r(shí)識(shí)別設(shè)備內(nèi)部狀態(tài)變量分別處于正常、注意、異常以及嚴(yán)重的狀態(tài)，有些場(chǎng)景可僅需要識(shí)別正常和嚴(yán)重狀態(tài)，這些均跟數(shù)字映射誤差有著密切的聯(lián)系；數(shù)字映射時(shí)間，受電力設(shè)備觀測(cè)周期和觀測(cè)時(shí)間的影響，對(duì)于電力設(shè)備暫態(tài)過程的觀測(cè)要求觀測(cè)連續(xù)、觀測(cè)時(shí)間短，對(duì)電力設(shè)備的數(shù)字映射時(shí)間要求較高，而電力設(shè)備緩慢劣化過程，對(duì)電力設(shè)備的數(shù)字映射時(shí)間要求不高[5]。

4.4 電力業(yè)務(wù)控制

電力企業(yè)在分析電力數(shù)據(jù)，對(duì)時(shí)序數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理的過程中，必須全面結(jié)合自身業(yè)務(wù)場(chǎng)景，明確衡量業(yè)務(wù)開展效果的標(biāo)準(zhǔn)與指標(biāo)。隨著廠站端控制類業(yè)務(wù)、企業(yè)級(jí)運(yùn)營(yíng)監(jiān)控類業(yè)務(wù)的增長(zhǎng)需求，電力企業(yè)有必要通過運(yùn)用可視化分析、數(shù)據(jù)計(jì)算量化技術(shù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)更好地維持日常業(yè)務(wù)的順利開展。例如，部分電力企業(yè)選擇基于地理信息系統(tǒng)綜合分析電網(wǎng)設(shè)施的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)排查電網(wǎng)設(shè)施的安全隱患，掌握相關(guān)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的變化情況，進(jìn)而采取針對(duì)性的處理措施。技術(shù)人員在完善接線圖中變電站的位置及配套設(shè)施等信息的同時(shí)，及時(shí)補(bǔ)充電纜隧道、輸電線路走廊等的狀態(tài)信息。未來，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，電力企業(yè)有望通過控制傳感器、遠(yuǎn)程操控電力設(shè)備等方式，實(shí)現(xiàn)可視化技術(shù)在各種電力場(chǎng)景中的有效運(yùn)用。需要注意的是，技術(shù)人員在規(guī)劃可視化組態(tài)軟件時(shí)，應(yīng)全面分析電力行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)以及各類電力系統(tǒng)的特征，并加大電力行業(yè)圖庫的內(nèi)容建設(shè)、合理調(diào)整數(shù)據(jù)信息的展示形式，促使時(shí)序數(shù)據(jù)可視化分析的操作更加便捷，分析結(jié)果更加科學(xué)、全面，電力系統(tǒng)的運(yùn)行更加穩(wěn)定。

4.5 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型

數(shù)字孿生電網(wǎng)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型指基于歷史樣本數(shù)據(jù)，通過機(jī)器學(xué)習(xí)的方式所訓(xùn)練出的數(shù)學(xué)計(jì)算模型。數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型對(duì)“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”、分布式微網(wǎng)及新能源消納業(yè)務(wù)會(huì)起到很好的支撐作用?；陔娋W(wǎng)的歷史樣本數(shù)據(jù)，通過數(shù)字孿生電網(wǎng)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型，可以發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)的潛在風(fēng)險(xiǎn)、發(fā)展趨勢(shì)，還可以對(duì)電網(wǎng)的內(nèi)部元素進(jìn)行特征分類和關(guān)聯(lián)強(qiáng)度研判。

5 結(jié) 論

圍繞數(shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù)及其在電力行業(yè)中的應(yīng)用展開分析。電力企業(yè)要想實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生技術(shù)的最大化利用，就必須從數(shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù)的特征點(diǎn)等多個(gè)角度入手，合理運(yùn)用相關(guān)算法與分析技術(shù)。只有這樣，電力企業(yè)才有可能提高數(shù)字孿生技術(shù)的運(yùn)行穩(wěn)定性，豐富數(shù)據(jù)分析技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景，穩(wěn)步提升自身信息化發(fā)展水平。