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数字孪生技术在电网工程中的应用研究

摘要：传感技术、云计算、大数据技术、人工智能技术的快速发展，为数字孪生的落地应用奠定了基础，数字孪生与电网智能化、数字化发展相契合，在电网工程中得到广泛应用。数字孪生（DigitalTwin，DT）技术通过利用电网运行中的信息数据流.虚拟电网来实时感知和监测物理实体电网运行状态，进而对电网的运管调控制定出超前虚拟预测决策.在数字化时代，数字孪生技术为智能电网运营发展提供了一种新途径和新思路。本文就数字孪生技术在电网工程中的应用进行研究，以供参考。

关键词：数字化转型；电网工程；数字孪生；智能辅控

引言

伴随着电力需求的不断增加，造成电网规模持续扩张，以及电力设备数量的不断增多。首先站内相应的运行后台子系统数量也逐渐增多，各系统之间不断出现业务交叉冗余。目前缺少统一的管理平台承接各子系统间的信息传输与数据调用。其次，虽然电网智能化工程中改造了大量智能化设备，但也意味着指数性上涨的数据量需要在系统中不断的流通与反馈。由于目前电网设备的网络化程度仍然不足，并且数据传输需要横跨不同安全等级的生产大区。

1数字孪生技术

数字孪生（DigitalTwin,DT）技术是在2000年左右为了解决工程问题而被提出的，并被逐渐认为是实现智能制造和工业4.0最具有发展空间与需求的先进技术之一。从2017年开始，在Gartner每年发布的“十大战略技术趋势”的报告中，“数字孪生”就一直位列榜单。其以真实状态的物理模型为基础，在虚拟空间中利用计算机语言进行模型搭建以及数据分析，有效地将生活中的可视化现象与虚拟进行结合，将监视数据与机器学习算法进行结合，形成了从数据层面的可操作性能力。其主要包含3个部分：反应真实空间中的物理产品、虚拟空间中的虚拟模型以及将两者联系在一起的数据纽带。来自真实空间的数据将被实时收集，通过通信链接发送给虚拟模型，交由其处理。调整后的信息或者过程将被发送回现实空间，用于决策支持，从而形成了闭环的控制。相比于其他数字化系统，数字孪生系统具有的优势主要体现在：（1）现实与虚拟模型相互独立，使孪生虚拟空间具有一定的鲁棒性；（2）独立的虚拟空间可以提供现实空间无法实现的模拟场景；（3）由数据纽带相互连接的两个空间，为实时数据的交互提供了基础；（4）具有与虚拟空间交互的能力；（5）模块化的架构与数据存储能力，为大数据应用与智能化算法模块提供了框架基础。这些优势极大地响应了目前电网中场景模拟、远动操作、无人巡检等需求，因此各研究开始探索数字孪生技术在电网工程中的应用。

2数字孪生技术在电网工程中的应用

2.1电网运营系统结构框架

状态感知层由各种传感器组成，主要负责采集人、设备和环境数据，并将数据传递给对应数据库.模型协同层以状态感知层采集到的数据为基础，实现虚拟数字电网和物理实体电网数据的存储、处理和管理，主要功能是对比分析虚拟数字电网和物理实体电网两个主体之间的状态差异，以及分析差异产生的原因，进而对虚拟数字电网进行实时修正和优化处理，使其与物理实体电网保持一致性.决策层由多个运营管理子系统组成，在子系统中，根据各自功能选取对应的数据，并对这些数据进一步处理，提取相关信息.而管理控制层主要是实现人机交互功能。

2.2实景建模方法技术特征

实景建模技术直接通过数字摄影生成真实的三维模型，基于现实条件下得到的三维表现可用于设计建模和施工建模。模型的精度不再取决于圆锥、圆柱、立方体等几何对象的组装深度，而是取决于项目的任务目标、相片质量、拍摄距离、拍摄方式。由于模型通过数字摄影生成，生成的真实的三维模型有极其丰富的三维环境。并且能够采集尽可能多的细节，不再只关注选定特征，还能够在三维模型中进行地理定位，比如楼的高度信息和设备的空间距离等。实景建模也可用于规划建设项目、道路状况建模以完成对道路状况的检测、地下管线建模以完成对地下管线的检测和维修，还可以用于矿山的体积测量，可以测量山体表面积、体积、长度、经纬度高程等。

2.3安防管控

基于安防类与智能控制类数据，可实现人员入站作业的全流程安防管控。首先基于深度学习算法，对工作类人员进行与虚拟模型的身份录入绑定、人脸识别与验核以及智能锁具的授权。其次在人员进站工作过程中，利用虚拟模型对工作位置、行进路线进行展示与记录，并可以实时调用其所在位置录像，并对人员作业的安全规范措施以及行为进行识别与告警显示。

2.4电网运营系统数字孪生架构

（1）资产管理优化方面。通过对电力设备的精细化DT模型构建，对设备DT模型进行虚实迭代优化，并虚拟滚动预测电力设备运行状态，实时反馈到物理实体来指导运维人员对电力设备在全寿命周期各阶段给出资产管理建议（运维、返厂维修、报废等），进而辅助电网企业实现资产管理优化.（2）运营风险管理方面。基于DT模型，可实现自主故障诊断和预测，在电网