2023年1月5日，隨著江蘇全息數字電網建成落地，數字孿生電網“虛擬”照進“現實”，這是國內首個全息數字電網，也是世界首次對億千瓦級負荷大電網進行全息數字化呈現。隨后，國家能源局3月28日發布的《關于加快推進能源數字化智能化發展的若干意見》，明確提出“推動實體電網數字呈現、仿真和決策，探索人工智能及數字孿生在電網智能輔助決策和調控方面的應用，提升電力系統多能互補聯合調度智能化水平。”

數字孿生電網時代已然開啟！

何謂數字孿生電網？

眾所周知，數字孿生技術是一種以數字化方式建立實體物體或系統的三維模型，通過模擬、預測實體物體或系統運行狀態，實現對其運行情況的可視化管理、控制的技術，具有高保真性、可擴展性、互操作性、實時性、閉環性等特征。數字孿生電網，就是針對復雜的電網場景，通過創造虛擬空間來模擬運行生產過程，識別和分析如何更高效、更安全地完成工作。

“數字孿生電網”（DTG，Digital Twin Grid）概念由工業4.0研究院于2021年率先提出，其定義為基于數字孿生基礎設施的電網數字化轉型方法，通過在數字空間建設電網、環境、人員和業務四要素，實現數據驅動的全局、全生命周期的數字孿生體，從而達到不斷改善的應用目的。根據相關應用實踐，目前數字孿生電網的功能主要包括四方面，即監測電網實時狀態、診斷電網異常原因、預測電網發展趨勢、優化電網運營策略，由設備、單元、系統三個層級構成。

當電網“邂逅”數字孿生技術，必將綻放智慧的火花

從電力行業特征來看，數字孿生技術在發、輸、變、配、用、儲等全流程均有巨大應用潛力。

從發電環節看

從發電環節看，數字孿生技術可應用于短期新能源發電功率預測，故障識別、診斷等。針對火力發電，通過搭建數字化運營平臺，對發電廠進行工廠式精細化的數字化管理，進而提升企業對整個發電廠業務的數字化管理能力。針對光伏發電，通過建立光伏電池的數字模型，對光伏電池性能進行模擬和分析，以更好了解光伏電池性能，提高光伏發電效率和可靠性。針對風力發電，通過對發電場實時監測、分析，及時發現并解決風機故障，從而有效提高風力發電場運行效率，更好管理和調度風力發電場。

從輸電環節看

從輸電環節看，輸變電設備是電網最基礎、最重要的組成部分，通過構造與實體輸變電設備一致的數字輸變電設備，能夠深入挖掘電網數據資產價值，實現智能運維、精準作業和遠程協作等。作為物理電力設備運行的理想輸出，可參考感知電力設備運行狀態，直觀顯示故障位置、類型及嚴重程度，從而有效指導電力設備故障檢修與維護；實時反映工程建設成果并開展竣工結算，通過數字孿生技術生成竣工交付成果，可進行項目施工質量復核，為業主后期運維提供豐富可靠的信息，提升項目竣工結算效率與準確性。

從配電環節看

從配電環節看，借助數字孿生，可提升配電網臺區運維管理水平，引領和帶動電力行業智能化、數字化發展?；谂潆娋W臺區數字孿生，可便捷準確獲取各類檔案信息及運營指標，實現對配電網臺區狀態的快速準確評價；根據配電網變壓器容量、負載情況及電能傳輸路徑上供電線路的允許載流量和負載情況，可計算接入點的可開放容量；精準反映電網臺區設備參數和用戶信息，快速定位線損臺區，提升線損定位水平；實時反映運行狀態，準確研判故障范圍及故障地點，有效提升搶修工作效率、縮短停電時間；預測配電網臺區迎峰度夏、迎峰度冬期間負載率，提前發現過載風險設備。

從用電環節看

從用電環節看，通過建立綜合能源系統數字孿生、供電系統數字孿生，可提高能源管理水平。通過對能源系統中數據、流程、設備等信息的模擬，幫助能源系統實現精細化管理，提高能源生產效率、降低能源消耗、減少能源浪費；通過對能源系統中數據的分析、建模，自動優化能源系統運行策略，實現能源系統的智能優化，實時監測能源系統運行狀態，發現或預測潛在故障和風險，以便及時采取相應預防或應對措施，提高能源系統的安全性和可靠性。

從儲能環節看

從儲能環節看，數字孿生技術可對智慧儲能電站的運營管理和優化提供支持。在智慧儲能電站設計和建設階段，可對電站進行仿真分析，預測電站的性能、能耗、成本等指標，提高電站效益和經濟性；通過對電站各個設備實時監控、預測和診斷，及時發現和解決故障，提高電站的可靠性和穩定性；可對智慧儲能電站進行虛擬仿真實驗，幫助電站運營人員進行決策。

綜上，將數字孿生技術引入電網，實現物理電網的同步映射，將徹底改變現有觀察、分析、控制電網的方式，兩者有機結合，有望為未來電網進化升級奏響新的強音。

機遇背后即是挑戰

誠然，數字孿生電網建設并非一蹴而就，目前仍面臨多方面困難和挑戰，具體來看：

一是數據協調困難。數字孿生電網的核心是數據驅動，然而當前電網企業數字化轉型過程中，最典型的問題就是各系統、各部門之間數據信息相互獨立且分散；其次，由于數據來源多樣化，導致數據格式各異、難以標準化；另外，還存在數據表達能力不足、缺乏數據交互、難以還原真實場景等頑疾。因此，數字孿生與電網的“邂逅”，首先要解決的就是“數據孤島”問題。

二是技術協同問題。數字孿生電網技術架構包括物理空間、數字空間和信息處理三部分，實現真實空間和虛擬空間之間的雙向數據交換、指揮控制和虛擬現實聯動，需要綜合運用5G、物聯網、云計算、模擬仿真、AI等多種技術。然而，目前這些技術的協同發展并不成熟，且數字孿生后的平臺模型標準化滯后。

三是數據建模困難。數字孿生電網建模需要考慮天氣、市場需求、設備狀態、地形、季節等諸多因素，仿真模擬計算模型擬合難度較高，其中任一因素的變化都可能導致建模失真，耦合出精準的模型較為困難。此外，由于可再生能源間歇性特性，容易導致數據出現大幅度波動，合成精度較高的有效模型存在巨大挑戰。

四是實時映射挑戰。數字孿生將賦予電力系統模型自我演進、終身學習的新能力，理想狀態下，電力系統模型是能夠實現真實物理對象準確、實時映射，但這對模型仿真與數據分析處理效率實時要求較高,需要計算設備或硬件具有強大的計算能力。

開源社區加速數字孿生電網建設

2021年，開源首次被寫入“十四五”規劃，明確提出支持數字技術開源社區等創新聯合體發展。根據諾貝爾經濟學獎獲得者讓·梯若爾（Jean Tirole）的觀點，開源社區是讓開發者以代碼方式披露自己的創新，有助于參與者之間建立信任，共同推進技術專業化分工，從而實現技術快速成熟。從開源社區的目標來看，應圍繞基礎性和殺手級應用開源，前者可奠定新技術發展路徑，后者可吸引更多開發者參與，而數字孿生電網開源社區的建設恰恰遵循了這一原則。

立足國內，工業4.0研究院于2020年底提出“數字孿生+”戰略，要求加強理論研究、關鍵技術攻關和開源社區建設。經深入研究，在兼顧利益相關者介入可能性和數字孿生電網持續有機發展的情況下，該機構設計了包含六大模塊的開源社區。

放眼國際，美國數字孿生電網協會設計了一套開源社區方式，建立了數據交換、流動和分享的機制，能夠為數字孿生電網的應用提供便利。同時，正與開源項目團隊協作，加速推進數字孿生電網開源社區的運行。此開源社區圍繞共性技術基礎，共建立了四方面能力，即客戶和市場、系統管理、獲取和控制、資產管理。

由此可見，數字孿生電網開源社區建設至關重要，正如數字孿生戰場實驗室研究員吳海軍所說，“它是加速行業技術協作的關鍵方法，缺少這樣的平臺，難以真正實現各種技術的統一”。

萬丈高樓平地起，數字孿生電網目前仍有不少理論和技術上的挑戰，未來需要更多主體共同參與，攜手突破現有技術限制，通過引入更多新一代數字技術，實現電力行業技術生態的創新發展。

撰稿 | 冀方燕 清研集團能源電力部研究員

編輯 | 孫雪

審核 | 陳澤璽

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