“元宇宙”：数字孪生电网

在23年前，科幻电影《黑客帝国》为我们恢宏震撼的展现了一个虚拟和现实相映照的世界，两个世界中有一个相同的自己，仿佛是一对虚实世界的“双胞胎”。如今，这个概念已经从技术和应用层面走入现实世界，这就是数字孪生（Digital Twin）。

随着“双碳”、构建新型电力系统等目标的提出，具有随机性、间歇性、波动性特征的分布式能源比例将快速增长，储能装置、V2G 等交互式能源设施以及其他多种能源基础设施接入，使得电力系统呈现出结构更加复杂、设备更加繁多、技术更加庞杂的趋势。

数字孪生电网应运而生。

什么是数字孪生电网？

数字孪生电网集合数字孪生技术与新型电力系统的优秀技能，可以通过虚拟现实交互激活电网、设备的多源数据，特别是运行时空大数据，通过数据挖掘，提供高维、量化、多层次的视角辅助运营调控相关决策虚实结合，实现电网虚拟、现实空间的实时动态映射。

数字孪生电网是基于数字孪生基础设施的电网数字化转型方法，通过在数字空间建设电网、环境、人员和业务四要素，实现数据驱动的全局、全生命周期的数字孪生体，从而达到不断改善的应用目的。

数字孪生电网主要功能

数字孪生电网可以监测电网实时状态、诊断电网异常原因、预测电网发展趋势、优化电网运营策略。

监测电网实时状态

数字孪生电网可以实时反映开关通断、设备负载、用户负荷、新能源出力等电网运行状态，还可以实时反映电网的异常信息、故障信息，以便工作人员全面实时地监测电网状态。

诊断电网异常原因

数字孪生电网可以实现电网电压异常、电能质量异常、电费异常等各类异常的溯因分析，准确研判出导致异常的原因，以便工作人员制定相应的改进措施。

预测电网发展趋势

数字孪生电网可以准确预测新能源出力、电力用户用电负荷、电气设备负载情况，还可以预测设备故障、客户投诉等，以便工作人员制定相应的应对措施。

优化电网运营策略

数字孪生电网还可以优化设备检修频率、电力设施配置、联络开关投切、相间负荷调整等运营策略，进而为工作人员提供科学的决策支撑。

数字孪生电网的构成

数字孪生电网体系架构由设备级数字孪生、单元级数字孪生、系统级数字孪生三个层级所构成。

设备级数字孪生

设备级数字孪生指电网中单个设备的数字孪生，如数字孪生变压器、数字孪生断路器、数字孪生隔离开关等。

单元级数字孪生

单元级数字孪生是指电网中由多个设备所组成的功能单元的数字孪生，如数字孪生变电站、数字孪生微电网、数字孪生输电线路等。

系统级数字孪生

系统级数字孪生是指电网中由多个功能单元所组成的系统的数字孪生，如数字孪生区域电网、数字孪生省级电网、数字孪生市级电网等。

国网数字孪生电网的应用案例

设备级：数字孪生开关站

国网雄安新区供电公司构建了与雄安市民服务中心开关站虚实同态的数字孪生开关站：在三维模型的基础上引入监控视频流，实现虚实结合，全方位掌握开关站的现场环境信息。在三维模型上加载设备档案信息以及实时运行数据，实现电气设备运行状态的远程实时监测。

具有VR端、PC端两种虚拟巡检模式,可供工作人员灵活选择。基于数字孪生开关站开展远程虚拟巡检，可实时举握电力设备的现场环境和运行状况，能有效减少巡检工作的人力、物力以及时间成本，同时还可解决快速查看现场以及重要保电任务中部分关键电力场所无法直接值守的问题。

单元级：数字孪生微电网

国网雄安新区供电公司基于GIS、BIM、倾斜摄影以及电力物联网等技术,在雄安新区王家寨构建了数字孪生微电网,实现了对该微电网的全景监测、状态评价等功能。通过数字孪生微电网的全景监测功能,可准确掌握微电网各设备的运行状态,从而实现虚拟巡视功能,在提升运维效率的同时降低人力成本投入。

系统级：数字孪生综合能源系统

为提升雄安市民服务中心综合能源系统的运维效率，国网雄安新区供电公司依托自主研发的城市智慧能源管理系统（CIEMS),结合BIM、物联网、大数据等技术,构建了数字孪生综合能源系统。数字孪生综合能源系统能够快速定位故障设备，并依托建筑三维模型进行展示,还能够自动生成抢修工单,将故障影响范围、维修建议等信息推送给工作人员。

数字挛生综合能源系统还能够基于各建筑的用能数据,对其进行能效分析，进而为能源的精益化管理提供科学依据。另外，数字孪生综合能源系统还能够对区域内的用能负荷进行预测,并根据预测结果制定合理的机组启停策略,以达到节能减排、降本增效的目的。

从电力行业的特征来看，数字孪生在电网发、输、变、配、用全流程都有应用潜力。未来数字孪生技术将更多应用智能电网、数字电网的建设中，在电网设备状态诊断与与预测、生产业务调试、电网发展规划、电网运行分析与控制等方面有更多应用实践。数字孪生技术在实际应用中，或许能更系统地引入人的概念，增强人对数字孪生体的感知控制能力，最终在真实物理空间和虚拟数字空间搭建“信息-物理-人”交互的系统，创造电网的“元宇宙”。