数字孪生技术将对电力系统运行管理带来重要影响

国电中星了解到：近日，国家提出加快新型基础设施建设，“5G+云+AI”等先进信息技术与工业互联网融合所形成的新型工业生产和服务体系，使其成为支撑第四次工业革命的基础设施。全力推动数字技术与传统电网深度融合发展，提出了“数字孪生变电站”建设方案，并将位于临港地区的110千伏博艺站作为首个试点项目。

所谓“数字孪生”，是以数字化方式为物理对象创建的虚拟模型，来模拟其现实环境中的行为，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。

“孪生”的两个变电站，一个是存在于现实中的实体变电站，负责实际供配电，一个则存在于数字和虚拟世界之中，对实体变电站的运行状况实时监控，及时发现潜在的故障，从而做到及时修理，防患于未然。

试点实施后，浦东供电公司在打造的三维变电站模型基础上，融入实体变电站运行中的动态信息。得益于数字孪生技术，变电站内的设备模型都清晰显示，能够随时查看设备状态、关键状态量、遥信遥测数据以及环境数据等重要信息，甚至是试验报告也可随时读取。

随着110千伏博艺站数字孪生变电站的正式移交运行，变电站不仅能在设备出现异常情况时实现“双向互动”“循环复诊”，还能利用人工智能分析等核心技术，对动态数据以及历史数据进行研判分析，实时诊断、分析和告知设备的健康状态以及异常发展趋势，输出差异化、精细化的检修策略，由预防性检修转向预测性检修。

更加“智慧”的是，依托数字孪生的基础技术，变电站内还加装了“主动防御系统”，通过感应系统对风险区域和风险作业进行分级、主动提醒，对人员误入危险施工区域等情况进行报警。

与此同时，孪生站模型内可显示全部作业人员工种、作业内容、位置等信息，做到现场所有工作实时监控、主动提醒、及时防御、可追溯。由此，实体变电站有了一座“拷贝不走样”的数字变电站来保驾护航。

令人期待的是，未来数字孪生将成为每一座变电站的标配。借助数字孪生平台的开放性和扩展性，浦东供电公司下一步将以点带面逐步拓展数字孪生系统的支撑范围，比如站外排管、电缆、架空线等设备也可纳入其中，打造一个数字孪生的能源互联网，实现各类设施的全要素数字化再现，电力能源设施、地下管线的三维建模，从规划建设、运维管理到客户服务的全过程智能化管理。

数字孪生是什么

孪生，即双胞胎；数字孪生，顾名思义，就是数字形式的双胞胎。

在“数字孪生”中，双胞胎中的一个是存在于现实世界的实体，小到零件，大到工厂，简单如螺丝，复杂如人体的结构。

而双胞胎中的另一个则只存在虚拟和数字世界之中，是利用数字技术营造的与现实世界对称的镜像。

如果以家用电脑为例，Word文档和打印出来的文稿就是“数字孪生”。若以导航软件为例，城市中的实体道路和软件中的虚拟道路也是“数字孪生”。

此外，这个数字孪生体，不仅是对现实实体的虚拟再现，还可以模拟对象在现实环境中的行为。因此可以说，数字孪生是将物理对象以数字化方式在虚拟空间呈现，模拟其在现实环境中的行为特征。

数字孪生有什么用

数字孪生可以通过设计工具、仿真工具、物联网、虚拟现实等各种数字化的手段，将物理设备的各种属性映射到虚拟空间中，形成可拆解、可复制、可转移、可修改、可删除、可重复操作的数字镜像。

这极大的加速了操作人员对物理实体的了解，激发模拟仿真、批量复制、虚拟装配等设计活动。

过去，在没有数字化模型帮助之下，制造一件产品要经历很多次迭代设计。

现在，采用了数字化模型的设计技术，就可以在虚拟的三维数字空间轻松地修改部件和产品的每一处尺寸和装配关系，这使得几何结构的验证工作和装配可行性的验证工作大为简单，大幅度减少了迭代过程中物理样机的制造次数、时间，以及成本。

此外，数字孪生还可以通过采集有限的物理传感器指标的直接数据，借助大样本库，通过机器学习推测出一些原本无法直接测量的指标。

由此实现对当前状态的评估、对过去发生问题的诊断，以及对未来趋势的预测，并给予分析的结果，模拟各种可能性，提供更全面的决策支持。

例如，针对大型设备运行过程中出现的各种故障特征，可以将传感器的历史数据通过机器学习训练出针对不同故障现象的数字化特征模型，并结合专家处理的记录，将其形成未来对设备故障状态进行精准判决的依据，形成自治化的智能诊断和判决。

随着物联网技术、人工智能和虚拟现实技术的不断发展，更多的工业产品、设备具备了智能的特征。在这样的背景下，数字孪生技术正直接影响着智慧城市、人工智能、安防、物联网等未来发展。

数字孪生的起源及演变

数字孪生是通过数字化的手段，在虚拟世界中构建一个和物理世界中的对象一模一样的主体，以此来实现对物理实体的了解、分析和优化。从概念到应用，数字孪生已经走过了十几年的发展历程。

数字孪生这一概念出现于2002年，由Grieves教授在美国密歇根大学发表的一次关于产品生命周期管理的演讲中首次提出。

他认为，通过利用物理设备的数据，人们可以在虚拟（信息）空间构建一个可以表征该物理设备的虚拟主体和子系统，并且这种联系不是单向和静态的，而是在整个产品的生命周期中都联系在一起。

后来，美国国防部将数字孪生技术引入航天飞行器的健康维护中，并在美国国家航空航天局（NASA）的阿波罗计划中应用。

实际上，自从有了计算机辅助设计等数字化的“创作”手段，就已经有了数字孪生的源头。工程设计中计算机仿真手段的出现就让数字虚体和物理实体走得更近，让数字虚体更像物理实体。

随着数字技术的不断发展，以及人们多年来在数字世界里做设计和仿真，虚拟和现实越来越对应、融合，数字虚体越来越赋能物理实体系统。

而数字孪生技术就是以数字化方式为物理对象创建的虚拟模型，来模拟物理实体在现实环境中的行为。

数字孪生从概念成为技术，是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，也是在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。

数字孪生在能源方面的应用

当前，物联网、大数据、人工智能等新一代信息技术的迅速发展对推动制造业数字化、网络化、智能化进程起到关键作用。随着工业互联网不断向应用层面推进，数字孪生被赋予了新的生命力。

工业互联网延伸了数字孪生的价值链条和生命周期，凸显出数字孪生在模型、数据、服务方面的优势和能力，打通了数字孪生应用和迭代优化的现实路径，正成为数字孪生的孵化床。

充分运用物联网、人工智能和区块链等先进技术，打造数字孪生模型，可以为智慧城市、智慧制造、智能变电站等提供新的建设思路和方法。

在国际上，美国通用电气公司借助数字孪生这一概念，提出物理机械和分析技术融合的实现途径，目前已将成果应用于机器人制造。

德国西门子公司将数字孪生技术用于机械设备设计和工厂规划排产。

法国达索公司利用数字孪生技术帮助包括宝马、特斯拉在内的汽车公司进行产品外形仿真，利用仿真数据设计产品，使产品减少空气阻力。

在国内，数字孪生技术的应用正处于起步阶段，但已在能源基础设施建设中得到应用。

我国一些能源企业在基础设施建设中设计了完全沉浸式的数字孪生模型，从而实现工程设计可视化，并可以确定潜在的障碍和问题，提升工作效率。

在电力行业中，数字孪生技术也在变电、配电领域实现了应用。

在第六届世界互联网大会上，新投运的乌镇“互联网之光”博览会新展馆10千伏配电房运用数字孪生技术，构建了与真实场景无缝匹配的虚拟场景。

坐落于中新天津生态城旅游区的110千伏游乐港智能变电站全息模型于2019年6月建设完成，为数字孪生变电站建设打下基础。

数字孪生变电站建设完成后，运维人员将通过“孪生”变电站轻松获取并分析处理各类运行数据，实现对变电站的全域和全生命周期管理。

将对电力系统运行管理带来重要影响

电力物联网是电力系统各个环节万物互联、人机交互，实现人与人、人与物、物与物之间的实时交互及高效协同。

而数字孪生在数字空间构建了一套表征对象在设计、研发、运行、迭代过程中的虚拟体，犹如物联网中各种实体对象的“基因”，是实现人机协同的重要桥梁与技术，可以说是电力物联网和电力数字化转型升级的底层逻辑。

同时，数字孪生技术也将对电力系统结构、运行逻辑、交易方式、商业模式、技术体系与管理机制带来重要影响。

在电力物联网建设的具体场景中，数字孪生技术可应用于支撑虚拟现实下电网的智能规划及优化设计、精准电网故障模拟云测仿真、虚拟电厂、智能设备监控、电力机房调控、变电站设备监控等业务。

以数字孪生电力机房应用为例，当前，巡检以人工巡检为主，实时性差，效率较低。

在数字孪生技术的支撑下，把人工智能、物联网和三维可视化等技术应用到机房的环境监测和调控中，构建起机房生产运行虚拟环境，可以实时监控机房温度等环境因素。

一旦发生预警，系统将及时自动调节，当故障恢复后，机房服务器设备及环境控制设备自动启动，并将环境因素调节至理想状态，保障电力机房安全稳定运行。

目前，国网信息通信产业集团有限公司正依托人工智能、物联网、云计算等方面的技术优势，形成多个数字孪生科研项目储备。

其中，“基于数字孪生模型的机房运行环境监测及一站式调控的关键技术研究与应用”项目即将实现试点应用。

未来，国家电网有限公司经营区域内分布广泛、数量众多的电力机房和变电站都将成为数字孪生节点部署的选择。

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