数字孪生技术在交直流配电网的应用研究

汤清权，陈冰，邓文扬,江金群

(1.智慧能源工程技术研究中心(华南理工大学 电力学院)，广东 广州 510641；2.广州市奔流电力科技有限公司，广东 广州 510635)

当前，以云计算、大数据、人工智能等新技术为代表的信息化浪潮席卷全球，也推动着数字孪生(digital twin，DT)技术的发展，影响着配电网规划、建设与发展[1]。数字孪生的理念可追溯到1969年，其明确概念则普遍认为是在2003年由美国密歇根大学的Michael Grieves教授提出，当时被称为“与物理产品等价的虚拟数字化表达”。在2003—2005年间，数字孪生一直被称为“镜像的空间模型”，2006—2010年被称为“信息镜像模型”。美国空军研究实验室与NASA在2011年开展合作，提出了飞行器的数字孪生体概念，数字孪生才有了明确的定义。

数字孪生是以数字化的方式创建物理实体的虚拟模型，借助数据模拟物理实体在现实环境中的行为，通过虚实交互反馈、数据融合分析、决策迭代优化等手段，为物理实体增加或扩展新的能力。作为充分利用模型、数据、智能并集成多学科的技术，数字孪生面向产品全生命周期过程，发挥连接物理世界和信息世界的桥梁和纽带作用，提供更加实时、高效、智能的服务[2]。

随着工业4.0、智能制造等技术和发展战略的不断出台，数字孪生技术逐步成为智能制造的基本要素，得到了普遍关注。洛克希德马丁公司于2017年11月将数字孪生列为2018年未来国防和航天工业顶尖技术之首[3]；英国国家基础设施委员会于2017年12月发布《数据的公共利益报告》，提出创建1个与国家基础设施相对应的数字孪生体，并于2019年1月启动相关计划[4]。

数字孪生技术的快速发展也影响着配电网规划、建设与管理。通过在计算机上映像叠加1个虚拟配电网，充分利用现有配电网中较完善的数据采集和通信等基础设施，形成虚实结合、孪生互动的配电网发展新形态。

在国内，数字孪生技术在电网基础设施建设中已得到应用。2019年6月，天津滨海新区中新天津生态城的110 kV游乐港智能变电站完成全息模型建设，迈出数字孪生技术应用的第1步[5]。2019年10月18日，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 kV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；运维人员通过“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[6]。2020年7月1日，位于上海临港地区的110 kV博艺变电站作为首个试点项目交付使用，能够随时查看该变电站的设备状态、关键状态量、遥信遥测数据以及环境数据等重要信息，甚至随时读取试验报告[7]。

目前，国内在柔性直流配电及交直流混合配电方面取得了重大的进展，建成了一系列示范工程[8-9]。2018年9月，贵州大学建成国内首个中压五端柔性直流配电示范工程，该工程融合交流配电网、直流微电网、交流微电网、分布式电源和电动汽车充电站为一体的柔性交直流互联配电网[10]。2018年12月，世界上规模最大的多端交直流混合柔性配电网互联工程在广东珠海成功投运，该工程采用柔性中低压直流配电结构，由3个柔性直流换流站和1个直流微电网构成，并作为国际首个多电压等级交直流混合配电网示范工程，致力于打造“基础设施智能化、信息流动充分化、生产消费互动化”的能源互联网生态圈，构建具有广泛示范意义的“互联网+”智慧能源新模式，形成了柔性直流配电技术标准规范，填补了国内外的空白[11]。

目前，交直流配电网的建设开展虽然较多，但随着配电网的数字化转型，交直流配电网数字孪生系统将具有巨大的应用空间。基于此，本文宏观分析发展交直流配电网的优势，在技术层面分析交直流配电网数字孪生系统发展的可能性；主要探讨数字孪生在交直流配电网的主要作用及其在配电网运营管理、数字化代运维和新能源消纳3个方面的价值；提出交直流配电网数字孪生的应用架构，分析交直流配电网数字孪生系统应用的关键技术；最后对未来交直流配电网数字孪生系统的前景进行展望。

1 面向交直流配电电网的数字孪生技术的需求分析

1.1 宏观需求分析

随着分布式电源的发展，越来多的分布式电源接入配电网中[11]，但是光伏电源、储能单元产生的电能大部分为直流电，常用的电气设备及大型直流负荷，如计算机、空调设备、制冷设备、电动汽车等大部分设备在直流电状态下工作，直接采用直流供电，减少变流环节，提高配电的电能利用率及经济性。直流配电网在供电容量、线路损耗、电能质量、无功补偿以及适于范围等方面都明显优于交流配电网[8]。但是目前，一方面交流配电技术成熟，市场成熟，另一方面，柔性直流配电技术仍处于起步阶段，在实际应用中仍有问题待进一步的研发解决，例如根据城市发展规划和资源特点如何利用好柔性直流配电网的技术优势，如何保证整个系统的稳定运行，柔性直流配电网的运行方式进一步细化等；因此，本文认为发展交直流配电网是交流配电网向直流配电网过渡的一个阶段。现阶段国内交直流示范工程方面取得较大进展。2019年12月26日，张北柔性变电站及交直流配电网科技示范工程完成全部试验和试运行考验，标志着世界首个基于柔性变电站的交直流配电网正式投入商业运行[12]。

1.2 技术需求分析

为落实《关于推进“互联网+”智慧能源发展的指导意见》，有效促进能源和信息深度融合，推动能源领域结构性改革，国家能源局提出“互联网+”智慧能源战略，借助现代信息技术提供互联互通、透明开放、互惠共享的信息网络平台，打破现有能源“产、输、配、用”之间的不对称信息格局，推进能源生产与消费模式革命，重构能源行业生态[13]。该战略的落地实施要求能源系统实施数字化深度转型，运用新的技术手段助力数字化转型成为亟需[14-15]。全球最具权威的IT研究与顾问咨询公司Gartner连续在2016和2017年将数字孪生列为当年十大战略科技发展趋势[16]。

当前云计算、物联网、人工智能、5G等多项技术快速发展，交直流配电网中每时每刻产生的海量数据以及目前交直流配电网在运营、检修、维护及优化等各方面的需求，都加速了建设交直流配电网数字孪生系统的脚步。

2 交直流配电网数字孪生系统的主要特征和价值体现

交直流配电网数字孪生系统通过对设备的精细化物理建模及数据密集接入，对物理世界进行虚拟化和透明化，其主要特征表现在：数据双向互动——这是交直流配电网数字孪生系统最主要的特征，设备和系统之间数据可以实时更新和双向互动，系统获取设备运行状态并通过数据分析指导交直流配电网的运维；设备全生命周期管理——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，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应实体装备的全生命周期过程；配电网全域可视化管理——通过建立交直流数字孪生系统，交直流配电网全域清晰化呈现，管理者可以更直观地了解交直流配电网整体运行状态，并通过数据采集、多元融合及大数据分析，给出交直流配电网运行优化措施供管理者参考。

交直流配电网数字孪生系统的主要价值体现以下3个方面：

a)配电网运营管理及优化运行。交直流配电网数字孪生系统可实现对区域配电网的管理从传统的扁平化管理到立体式管理，从万物互联到万物可管再到万物可视。基于对配电网状态的深度感知，数字孪生系统利用大数据、人工智能等技术，实现交直流配电网的精益化管理，并对交直流配电网的运行优化建议，实现源储荷的协调运行。

b)新能源预测及消纳。相较于传统交流配电网，交直流配电网接入大量清洁可再生能源[17]，数字孪生系统中对区域内接入的负荷及光伏、风力发电机、储能均能进行数字化物理建模，通过各种小微传感器采集设备运行状态及环境数据，通过光纤、5G等通信方式传输至系统[18]；结合后台历史数据、天气预报等数据信息，以及大数据分析技术，可更加精确地预测新能源出力，实现区域内源储荷协调，助力园区内清洁能源消纳。

c)数字化代运维。通过对设备精细化建模及感知设备运行状态[19-20]，从数据寻找到数据主动展示。在设备出现异常情况时可实现“双向互动”和“循环复诊”，还能利用人工智能分析、大数据分析等核心技术，对动态数据以及历史数据进行实时诊断、分析并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。以“数据驱动”为核心的设备状态评价体系，可实现设备的精确运维、设备检修精确决策、现场作业精确研判、故障抢修精确处置[20]。

3 交直流配电网数字孪生架构及关键技术

交直流配电网数字孪生系统架构如图1所示。系统通过各种量测装置、传感器，摄像头等设备采集物理世界交直流配电网的数据图像信息至数据采集处理平台，平台利用人工智能、大数据分析等技术对收集到的图像及数字信息进行处理，实现以虚控实、反向作用、精益运维[21]。交直流配电网通过数字化物理建模，数据实时双向互动，实现数字孪生系统全域感知，由实到虚，镜像感知。

图1 交直流配电网数字孪生系统架构Fig.1 Framework of AC-DC distribution network digital twins system

数字孪生系统的应用需要结合多学科、多技术[22]，交直流配电网数字孪生系统从顶层设计到底层应用过程中的关键技术包含了数字化物理建模、5G技术、物联网技术、大数据分析技术以及人工智能技术。

3.1 数字化物理建模技术

交直流数字孪生系统的首要基础是对现实世界中交直流配电网的可视化，其中的关键技术就是对配电网内设备的数字化物理建模。对设备的精细化建模是对于系统设备进行状态监测，从而实现状态诊断。文献[23]提出离散数字孪生、复合数字孪生及组织数字孪生等概念，通过对关键设备进行离散数字化建模，建立设备数字孪生库，然后根据设备结构通过复合组织对关键设备进行数字化建模。

3.2 5G技术

交直流配电网数字孪生系统要实现对物理世界交直流配电网的实时(准实时)感知，需要高速率、低延时的5G网络支持[24-25]。交直流配电网中设备种类及数量较多，5G应用中的网络切片技术根据不同业务应用对用户数、宽带的要求，将物理网络切成多张相互独立的逻辑网络，实现端到端的数据传输[26]。

文献[27]指出，在坚强智能电网的深化建设与泛在电力物联网的快速发展中，第5代移动通信技术因具有高带宽、高容量、高可靠性、低延时、低功耗的特点，将成为引领和支撑电力系统技术创新、实现万物互联的关键技术。电力系统自身运行的特点以及对通信的要求决定了5G通信技术在继电保护、实时通信等特定领域能够发挥关键作用。

3.3 大数据分析

美国AutoGrid公司利用数据采集与监视控制系统(supervisory control and data acquisition，SCADA)和其他智能电表采集结构化和非结构化数据(包括居民用电、工业用电、建筑群用电数据等)，建立能量数据平台，能够全面分析多维动态综合的配电网特征，用于指导需求侧响应、动态电价变化匹配、电动汽车管理、资产监测和停电监测、用电客户分区、电压优化和可再生能源接入问题[28-29]。这一平台已经在美国部分地区电力公司得到应用[29]。

交直流配电网数字孪生系统中接入丰富的设备状态量测装置、小微传感器和摄像头等信息采集设备，交直流配电网大数据覆盖了配电变压器、配电变电站、配电开关站、电表、电能质量等配用电自动化和信息化数据，以及用户数据和社会经济等数据。文献[30]利用大数据分析技术估计电力运行数据的最大似然值等信息，设计新的电力运行数据异常检测示警方法，从根本上提高检测准确率。文献[31]指出配电网中大数据技术涵盖整个数据处理的过程，从数据采集传输到数据存储辨识，到数据挖掘处理，再到数据支撑的决策制订，最后到技术应用与推广；因此交直流配电网数字孪生系统中数据量庞大，利用大数据分析技术可以充分发挥数据价值，挖掘交直流配电网的潜力，保证交直流配电网的清洁高效运行。

3.4 物联网技术

物联网是指通过各种信息传感器、射频识别技术、全球定位系统、红外感应器、激光扫描器等各种装置与技术，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程[32]，采集设备及外界各种需要的信息，通过各类可能的网络接入，实现物与物、物与人的泛在连接，以及对物品和过程的智能化感知、识别和管理[33-35]。

物联网技术是实现交直流配电网数字孪生系统的关键一环，文献[36]利用电力物联网技术，研制了配电设备智能诊断分析系统，及时预警低压故障并确定故障位置，并能实现电缆终端头的接触式测温；文献[37]利用物联网技术在配电网中的应用和大数据平台的数据分析功能，实现了配电网的故障断线识别。因此物联网技术也是实现交直流配电网精益化管理及其高级功能实现的基础。

3.5 人工智能技术

传统交流配电网中人工智能技术在运维调度方面已有所应用[38]，而在交直流配电网数字孪生系统中，基于系统庞大、准确、实时的数据量，丰富的视频图像等，可为交直流配电网在需求预测、智能调度、电网改建、设备维护、设备检修等方面发挥作用[39]。

文献[40]从信息化管理、设备巡视、设备检修和故障抢修4个方面对配电网运维业务进行分析，提出配电网智能化运维的整体思路，并设计了配电网设备全生命周期管理、配电网线路智能化巡检、配电网设备主动运维及配电网故障智能化诊断4个具体方案，为全面实现配电网智能化发展提供了新的思路。文献[41]为提高配电网项目的定量管理能力，指出需要进行配电网项目关键指标智能化提取，由此提出基于神经网络训练(neural network training，NNT)的配电网项目关键指标智能化提取模型；结合NNT深度学习算法进行配电网项目关键指标特征提取过程中的自适应学习和误差补偿，实现单位造价、铁塔比例、人力运距、负载率、供电半径、末端电压合格率、物资限价等关键指标的智能化验证和问题预警。

4 数字孪生对透明电网的支撑以及未来发展的建议

4.1 数字孪生对透明电网的支撑

2018年9月7日，在2018盐城绿色智慧能源大会上，中国工程院院士李立浧提出了“透明电网”的概念[42]，而交直流配电网数字孪生系统在一定程度上体现了“透明电网”的理念，将现实世界中的交直流配电网在计算机中数字虚拟化，并建立两者的深度融合，实现双向实时互动。

未来成熟的交直流配电网数字孪生系统将具备交直流配电网状态全面感知、信息深度透明、设备灵活可控、运行高度智能、维护简单便捷、隐私充分保护、风险有力趋零等功能；同时可通过自身对物理世界交直流配电网的深度感知，为电网管理者在宏观分析、顶层分析、基建决策等方面提供参考，为用户在用户用电体验、用户用电决策等方面提供帮助。

4.2 对策建议

交直流配电网中接入大量分布式能源、电动汽车等负荷，交直流配电网数字孪生系统对区域内设备及负荷进行数字化映射，通过5G、大数据处理、边缘计算等技术进行更为精确的负荷预测等，以保证交直流配电网的经济高效运行。然而交直流配电网数字孪生系统的应用发展过程中，仍有以下问题需要解决：

a)加强顶层设计，制订交直流配电网数字孪生系统架构。交直流配电网数字孪生系统集成多学科、多前沿技术，且系统内涉及众多设备电气、环境等数据信息采集，数据量较大，因此需明确系统层级架构，如数据接入层、数据库管理层、数据库处理层、系统功能层及系统展示层，便于交直流配电网数字孪生系统后期管理及高级功能开发。

b)建立数字孪生应用标准，培育产业数字生态。电网或相关企业应在早期建立数字孪生应用标准，有利于数字孪生的推广应用，培育产业数字生态。其中数字孪生应用标准包括数字孪生系统的开发所依赖的工具与平台、设备虚拟实体建模标准、通信协议标准、信息安全标准、系统评测标准等；同时高校应注重培养相关应用型人才，为后续产业健康发展提供支撑。

c)建设示范工程，推广交直流配电网数字孪生系统。通过建设交直流配电网数字孪生系统示范工程，宣传交直流配电网数字孪生系统应用成果。电网公司一方面可向社会、企业及高校宣传交直流配电网数字孪生系统，调动科研工作者及高校师生积极性，使更多的群体参与到数字孪生的研究建设当中；另一方面交直流配电网数字孪生系统仍处于早期阶段，可通过建设相关示范工程为后续的工程的系统架构设计、标准制订及高级功能开发等奠定基础。

5 总结与展望

本文总结了交直流配电网数字孪生系统的主要特性、价值体现及相关关键技术，并对交直流配电网数字孪生系统的建设提出相应的对策建议。目前，交直流配电网数字孪生系统的建设仍处于起步探索阶段，但随着大数据、人工智能、物联网等为代表的新一代技术的快速发展，未来成熟的交直流配电网数字孪生系统可实现能量流与信息流的深度融合，数据的双向实时互动，现实与虚拟的互相支撑，深挖交直流配电网数据价值，实现交直流配电网的深度智能化、透明化，从而形成新型能源生态系统，具有灵活性、开放性、交互性、经济性、共享性等特性，使交直流配电网运行更加智能、安全、可靠、绿色、高效。