數字孿生技術將對電力系統運行管理帶來重要影響

國電中星了解到：近日，國家提出加快新型基礎設施建設，“5G+云+AI”等先進信息技術與工業互聯網融合所形成的新型工業生產和服務體系，使其成為支撐第四次工業革命的基礎設施。全力推動數字技術與傳統電網深度融合發展，提出了“數字孿生變電站”建設方案，并將位于臨港地區的110千伏博藝站作為首個試點項目。

所謂“數字孿生”，是以數字化方式為物理對象創建的虛擬模型，來模擬其現實環境中的行為，從而反映相對應的實體裝備的全生命周期過程。

“孿生”的兩個變電站，一個是存在于現實中的實體變電站，負責實際供配電，一個則存在于數字和虛擬世界之中，對實體變電站的運行狀況實時監控，及時發現潛在的故障，從而做到及時修理，防患于未然。

試點實施后，浦東供電公司在打造的三維變電站模型基礎上，融入實體變電站運行中的動態信息。得益于數字孿生技術，變電站內的設備模型都清晰顯示，能夠隨時查看設備狀態、關鍵狀態量、遙信遙測數據以及環境數據等重要信息，甚至是試驗報告也可隨時讀取。

隨著110千伏博藝站數字孿生變電站的正式移交運行，變電站不僅能在設備出現異常情況時實現“雙向互動”“循環復診”，還能利用人工智能分析等核心技術，對動態數據以及歷史數據進行研判分析，實時診斷、分析和告知設備的健康狀態以及異常發展趨勢，輸出差異化、精細化的檢修策略，由預防性檢修轉向預測性檢修。

更加“智慧”的是，依托數字孿生的基礎技術，變電站內還加裝了“主動防御系統”，通過感應系統對風險區域和風險作業進行分級、主動提醒，對人員誤入危險施工區域等情況進行報警。

與此同時，孿生站模型內可顯示全部作業人員工種、作業內容、位置等信息，做到現場所有工作實時監控、主動提醒、及時防御、可追溯。由此，實體變電站有了一座“拷貝不走樣”的數字變電站來保駕護航。

令人期待的是，未來數字孿生將成為每一座變電站的標配。借助數字孿生平臺的開放性和擴展性，浦東供電公司下一步將以點帶面逐步拓展數字孿生系統的支撐范圍，比如站外排管、電纜、架空線等設備也可納入其中，打造一個數字孿生的能源互聯網，實現各類設施的全要素數字化再現，電力能源設施、地下管線的三維建模，從規劃建設、運維管理到客戶服務的全過程智能化管理。

數字孿生是什么

孿生，即雙胞胎；數字孿生，顧名思義，就是數字形式的雙胞胎。

在“數字孿生”中，雙胞胎中的一個是存在于現實世界的實體，小到零件，大到工廠，簡單如螺絲，復雜如人體的結構。

而雙胞胎中的另一個則只存在虛擬和數字世界之中，是利用數字技術營造的與現實世界對稱的鏡像。

如果以家用電腦為例，Word文檔和打印出來的文稿就是“數字孿生”。若以導航軟件為例，城市中的實體道路和軟件中的虛擬道路也是“數字孿生”。

此外，這個數字孿生體，不僅是對現實實體的虛擬再現，還可以模擬對象在現實環境中的行為。因此可以說，數字孿生是將物理對象以數字化方式在虛擬空間呈現，模擬其在現實環境中的行為特征。

數字孿生有什么用

數字孿生可以通過設計工具、仿真工具、物聯網、虛擬現實等各種數字化的手段，將物理設備的各種屬性映射到虛擬空間中，形成可拆解、可復制、可轉移、可修改、可刪除、可重復操作的數字鏡像。

這極大的加速了操作人員對物理實體的了解，激發模擬仿真、批量復制、虛擬裝配等設計活動。

過去，在沒有數字化模型幫助之下，制造一件產品要經歷很多次迭代設計。

現在，采用了數字化模型的設計技術，就可以在虛擬的三維數字空間輕松地修改部件和產品的每一處尺寸和裝配關系，這使得幾何結構的驗證工作和裝配可行性的驗證工作大為簡單，大幅度減少了迭代過程中物理樣機的制造次數、時間，以及成本。

此外，數字孿生還可以通過采集有限的物理傳感器指標的直接數據，借助大樣本庫，通過機器學習推測出一些原本無法直接測量的指標。

由此實現對當前狀態的評估、對過去發生問題的診斷，以及對未來趨勢的預測，并給予分析的結果，模擬各種可能性，提供更全面的決策支持。

例如，針對大型設備運行過程中出現的各種故障特征，可以將傳感器的歷史數據通過機器學習訓練出針對不同故障現象的數字化特征模型，并結合專家處理的記錄，將其形成未來對設備故障狀態進行精準判決的依據，形成自治化的智能診斷和判決。

隨著物聯網技術、人工智能和虛擬現實技術的不斷發展，更多的工業產品、設備具備了智能的特征。在這樣的背景下，數字孿生技術正直接影響著智慧城市、人工智能、安防、物聯網等未來發展。

數字孿生的起源及演變

數字孿生是通過數字化的手段，在虛擬世界中構建一個和物理世界中的對象一模一樣的主體，以此來實現對物理實體的了解、分析和優化。從概念到應用，數字孿生已經走過了十幾年的發展歷程。

數字孿生這一概念出現于2002年，由Grieves教授在美國密歇根大學發表的一次關于產品生命周期管理的演講中首次提出。

他認為，通過利用物理設備的數據，人們可以在虛擬（信息）空間構建一個可以表征該物理設備的虛擬主體和子系統，并且這種聯系不是單向和靜態的，而是在整個產品的生命周期中都聯系在一起。

后來，美國國防部將數字孿生技術引入航天飛行器的健康維護中，并在美國國家航空航天局（NASA）的阿波羅計劃中應用。

實際上，自從有了計算機輔助設計等數字化的“創作”手段，就已經有了數字孿生的源頭。工程設計中計算機仿真手段的出現就讓數字虛體和物理實體走得更近，讓數字虛體更像物理實體。

隨著數字技術的不斷發展，以及人們多年來在數字世界里做設計和仿真，虛擬和現實越來越對應、融合，數字虛體越來越賦能物理實體系統。

而數字孿生技術就是以數字化方式為物理對象創建的虛擬模型，來模擬物理實體在現實環境中的行為。

數字孿生從概念成為技術，是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，也是在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應的實體裝備的全生命周期過程。

數字孿生在能源方面的應用

當前，物聯網、大數據、人工智能等新一代信息技術的迅速發展對推動制造業數字化、網絡化、智能化進程起到關鍵作用。隨著工業互聯網不斷向應用層面推進，數字孿生被賦予了新的生命力。

工業互聯網延伸了數字孿生的價值鏈條和生命周期，凸顯出數字孿生在模型、數據、服務方面的優勢和能力，打通了數字孿生應用和迭代優化的現實路徑，正成為數字孿生的孵化床。

充分運用物聯網、人工智能和區塊鏈等先進技術，打造數字孿生模型，可以為智慧城市、智慧制造、智能變電站等提供新的建設思路和方法。

在國際上，美國通用電氣公司借助數字孿生這一概念，提出物理機械和分析技術融合的實現途徑，目前已將成果應用于機器人制造。

德國西門子公司將數字孿生技術用于機械設備設計和工廠規劃排產。

法國達索公司利用數字孿生技術幫助包括寶馬、特斯拉在內的汽車公司進行產品外形仿真，利用仿真數據設計產品，使產品減少空氣阻力。

在國內，數字孿生技術的應用正處于起步階段，但已在能源基礎設施建設中得到應用。

我國一些能源企業在基礎設施建設中設計了完全沉浸式的數字孿生模型，從而實現工程設計可視化，并可以確定潛在的障礙和問題，提升工作效率。

在電力行業中，數字孿生技術也在變電、配電領域實現了應用。

在第六屆世界互聯網大會上，新投運的烏鎮“互聯網之光”博覽會新展館10千伏配電房運用數字孿生技術，構建了與真實場景無縫匹配的虛擬場景。

坐落于中新天津生態城旅游區的110千伏游樂港智能變電站全息模型于2019年6月建設完成，為數字孿生變電站建設打下基礎。

數字孿生變電站建設完成后，運維人員將通過“孿生”變電站輕松獲取并分析處理各類運行數據，實現對變電站的全域和全生命周期管理。

將對電力系統運行管理帶來重要影響

電力物聯網是電力系統各個環節萬物互聯、人機交互，實現人與人、人與物、物與物之間的實時交互及高效協同。

而數字孿生在數字空間構建了一套表征對象在設計、研發、運行、迭代過程中的虛擬體，猶如物聯網中各種實體對象的“基因”，是實現人機協同的重要橋梁與技術，可以說是電力物聯網和電力數字化轉型升級的底層邏輯。

同時，數字孿生技術也將對電力系統結構、運行邏輯、交易方式、商業模式、技術體系與管理機制帶來重要影響。

在電力物聯網建設的具體場景中，數字孿生技術可應用于支撐虛擬現實下電網的智能規劃及優化設計、精準電網故障模擬云測仿真、虛擬電廠、智能設備監控、電力機房調控、變電站設備監控等業務。

以數字孿生電力機房應用為例，當前，巡檢以人工巡檢為主，實時性差，效率較低。

在數字孿生技術的支撐下，把人工智能、物聯網和三維可視化等技術應用到機房的環境監測和調控中，構建起機房生產運行虛擬環境，可以實時監控機房溫度等環境因素。

一旦發生預警，系統將及時自動調節，當故障恢復后，機房服務器設備及環境控制設備自動啟動，并將環境因素調節至理想狀態，保障電力機房安全穩定運行。

目前，國網信息通信產業集團有限公司正依托人工智能、物聯網、云計算等方面的技術優勢，形成多個數字孿生科研項目儲備。

其中，“基于數字孿生模型的機房運行環境監測及一站式調控的關鍵技術研究與應用”項目即將實現試點應用。

未來，國家電網有限公司經營區域內分布廣泛、數量眾多的電力機房和變電站都將成為數字孿生節點部署的選擇。

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