数字孪生技术让电网更智慧

【CPEM全国电力设备管理网】

来源：国家电网报／王紫雷＆国际能源研究中心

12月2日，在上海电网500千伏五角场变电站内，上海电力检修公司运检人员应用变电站数字孪生系统巡检设备。突然，系统报警界面提示出现PF1-3风机故障，运检人员迅速点击故障定位按钮，系统以三维图像显示出该风机的具体位置，并提供相关的回路信息。收到检修人员上报信息后，上海电力检修公司迅速开展抢修。

变电站数字孪生技术以数字化方式为物理对象创建虚拟模型，模拟变电站在不同运行环境下的状态。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；另一个则存在于虚拟世界中，实时监测实体变电站的运行情况，并通过各类智能技术实现对设备的评估和诊断。上海电力经研院落实国家电网有限公司科技强企工程要求，推进实施数字化转型工程，探索构建数字孪生系统，助推电网基础设施管理体系和管理能力现代化发展。

多维聚合提供运维检修新体验

2017年12月，500千伏五角场地下变电站投运。站内有一万多个主控、辅控信息点。运检人员陈佳说：想要定位辅助设备并找到关联回路只能通过翻阅竣工图查询，要是监控系统能展示变电站所有信息该多好。过去，变电站监控系统只能以图表和文字形式展现遥信、遥测、遥控等信息。通过远程系统直观掌握变电站设备、环境、消防、技防等相关信息，是变电站运检人员长久以来的愿望。

为了给变电站运维工作提供更强大的支撑，2018年3月，数字孪生系统的雏形——变电站全景监视平台在500千伏五角场变电站率先应用。该平台应用数字孪生技术建立虚拟变电站三维模型，接入变电站内主控、辅控、安防等设备的探测点，实时感知采集各类状态信息。该变电站站内的4000多个采集点、19141个信息点通过监控数据与三维数字模型的联动，实时反映实体变电站运行状态。不仅如此，数字孪生技术的二三维联动使该平台具备地形浏览、设备查询、设备告警等功能。运检人员不再需要去变电站现场，便可掌握站内各要素的运行状态。同时，平台也为变电站实现不间断设备巡视提供了可靠的支持，通过对设备异常及时告警延长了设备使用寿命。

上海电力经研院数字化团队创新思维，通过建立标准化代码规则，完成模型、信息、图形的一体化自动关联方案，提高数据关联匹配的效率和质量。目前，500千伏五角场变电站全景监视平台已被列为上海市建筑信息模型技术应用试点项目。

智慧大脑构建电网管理新模式

经过不断优化升级，数字孪生系统的功能越来越完善，但仅能看到变电站的实时信息对运维管理水平的提升还十分有限。为此，上海电力经研院依托状态感知、智能决策分析等技术，在数字孪生系统中构建变电站运维辅助大脑——专家知识库和状态判别模块，实现了对设备状态的快速分析、诊断判别和风险预测，进一步提升输变电工程的可视化、精细化管理水平和智能决策能力。

11月27日，110千伏博艺变电站数字孪生系统在10千伏馈203线合闸时发出控制回路断线异常的告警，而后又立马复归，线路恢复正常。数字孪生系统判断其原因为控制回路断线发生误报，建议增加位置继电器判断延时。

面对这样的异常误报，数字孪生系统是如何判断出来的呢？

原来，开关在合闸过程中，位置继电器的触点切换不同步，中间会有几十毫秒跳闸与合闸位置继电器都闭合的情况，系统会误报控制回路断线。这种异常情况经常表现为分合闸时提示控制回路断线异常后又立马复归。像这样的误报在变电站运行中十分常见，如果每个误报都要人员去现场勘查确认，将耗费大量的人力、物力和财力，成本太高。上海电力经研院数字化团队成员刘鑫解释道，数字孪生系统已将这一系列状态数据储存于专家知识库中，遇到告警便能及时调用和判断，向运检人员提供判断结果并给出建议。

变电站规划、设计、设备生产、施工、运维、检修等各阶段对系统信息数据的需求不尽相同，这也对数字孪生系统数据的统一性提出要求。针对这一问题，上海电力经研院数字化团队开展了输变电工程全寿命周期多源异构数据的统一性研究，编制了上海电网电网工程数字化交付标准等相关标准，为打通全过程的多元信息模型提供标准化模式及技术支撑。

新基建开拓数字孪生新空间

通过几年的试点、推广和技术演变，目前上海电网已部署了20多个孪生子站系统，并将在2021年正式上线数字孪生变电主站系统，实现子站数据的再聚合，为智能决策提供大数据支撑。

今年5月份，上海市政府发布上海市推进新型基础设施建设行动方案（2020-2022年）通知，要求将数字孪生等新技术全面融入城市生产生活，新型基础设施成为上海经济高质量发展和城市高效治理的重要支撑。目前数字孪生系统可以为变电站的规划、设计、施工、运检提供辅助信息参考，进一步扩大应用面是当前数字孪生技术的发展方向。

上海电力经研院在大数据、人工智能、工业互联网等新基建领域全面攻坚核心技术，采用云-网-端架构推动数字孪生系统升级，使数字孪生系统应用在个人电脑、移动设备、可穿戴设备等多种前端设备中，实现现实世界与数字世界之间的动态链接和双向传输。

未来，运检人员通过佩戴数字孪生眼镜即可实时查看变电站各类设备状态，并通过5G网络接入专家知识库接收规范作业指导，完成变电站巡检工作。

上海电力经研院将进一步寻求合作、开发机会，结合变电站数字孪生技术发展，将数字孪生理念、系统关键技术及设备向供水、供气、供热等公共事业及其他行业推广，提供数据增值服务。

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。

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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。

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数字孪生有什么用

首先，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，最终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 。

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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。
数字孪生这一概念最早出现于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。

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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。

05

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最佳选择。

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