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隨著經濟社會數(shù)字化轉型的持續(xù)推進，數(shù)字孿生逐漸成為產業(yè)各界關注的熱點技術。數(shù)字孿生起源航天軍工領域，近年來持續(xù)向智能制造、智慧城市等垂直行業(yè)拓展，讓數(shù)據(jù)信息、場景變得流程化、可視化、立體化，有效地促進數(shù)字經濟發(fā)展。
數(shù)字孿生（Digital Twin）又稱數(shù)字映射，是物理實體的數(shù)字版“克隆體”，它是對實體對象的動態(tài)仿真，含有“全生命周期實時/準實時”“雙向交互”的特征。
圖1 物理實體與數(shù)字孿生體
近年來，國內外在電力數(shù)字孿生建設方面進行了工程實踐。本文節(jié)選自《新型電力系統(tǒng)數(shù)字孿生技術及實踐》，簡單介紹一些具有代表性的案例，覆蓋配電網、變電站等領域，其中，配電網屬于系統(tǒng)級數(shù)字孿生，而變電站屬于設備級數(shù)字孿生。
新加坡國家電網數(shù)字孿生
一、項目介紹
新加坡首個電網數(shù)字孿生項目是以建設一個更光明、更可持續(xù)的未來能源系統(tǒng)為目標，電網數(shù)字孿生的建立將有助于增強新加坡的電網韌性，確保電網的可靠性，并支持更清潔能源的應用。該項目由新加坡的能源市場管理局（EMA）、新加坡電網公司（SP）以及科學和技術政策和計劃辦公室(S&TPPO)共同支持。
二、實施方案
新加坡電網數(shù)字孿生將包括兩個數(shù)字孿生體。
（1）電網資產數(shù)字孿生
電網資產數(shù)字孿生的目的是優(yōu)化SP的電網資產（如變電站、變壓器、開關設備和電纜）的規(guī)劃、運行和維護。電網資產孿生體能夠遠程監(jiān)控和分析資產的狀況和性能，并及早識別電網運營中的潛在風險，這使得SP能夠明智地做出相應的更新和維護計劃。電網資產數(shù)字孿生由EMA資助，由SP和南洋理工大學（NTU）聯(lián)合承擔的5個研究課題，并由SP-NTU聯(lián)合實驗室負責電力資產管理和電網運行等項目的研發(fā)。該聯(lián)合實驗室是SP和南洋理工大學于2020年聯(lián)合成立的機構。
（2）電網數(shù)字孿生
電網數(shù)字孿生項目的目的是評估電動汽車、分布式能源對電網的影響，使用一種稱為多能系統(tǒng)建模（Multi Energy System Modelling & Optimisation ，MESMO) 的先進軟件框架來建立。MESMO是新加坡集成交通能源模型項目（Singapore Integrated Transport Energy Model，SITEM)采用的主要仿真技術。電網數(shù)字孿生能夠為SP提供分布式能源、新型負荷對電網影響的評估并分析在不同場景下所需的電網提升措施。電網數(shù)字孿生是新加坡科技研究局（A*STAR）的科學署（Agency for Science）的高性能計算研究所（Institute of High Performance Computing ，IHPC）和它的技術合作伙伴TUMCREATE Ltd共同開發(fā)的。該項目由公共部門科學部（Public Sector Science）資助。
三、實施效果
電網數(shù)字孿生全面部署后，將為SP更好地規(guī)劃、運行和維護電網從而更有效地進行實際工作提供有效支撐。電網數(shù)字孿生的主要好處包括改進電網規(guī)劃分析和電網資產的遠程監(jiān)測，從而在進行設備檢修時節(jié)省人力資源。由于電網數(shù)字孿生提供了一個更全面準確的電網模型，有助于針對不同需求進行合理的電網規(guī)劃，適應電動汽車充電設施、太陽能光伏系統(tǒng)和儲能系統(tǒng)廣泛接入后的各種運行情況。
雄安變電站數(shù)字孿生
一、項目介紹
針對雄安新區(qū)電網設備規(guī)模快速增長，傳統(tǒng)運檢模式下需要配置大量運檢人員的問題，雄安新區(qū)建設了變電站數(shù)字孿生，利用實時感知數(shù)據(jù)和三維展示技術，構建了變電站數(shù)字孿生，實現(xiàn)了變電站遠程巡檢、在線診斷和全壽命周期管理。該系統(tǒng)已在220kV劇村變電站投入應用。
二、實施方案
雄安新區(qū)變電站數(shù)字孿生采用了4層架構：感知層、網絡層、平臺層、應用層，如圖2所示。
感知層（變電站端）采用標準化傳感技術，對變電站主設備及環(huán)境量進行全面采集，從而實現(xiàn)變電站主設備狀態(tài)和環(huán)境全面感知。感知層由各類物聯(lián)網傳感器和網絡節(jié)點組成，分為傳感器層與數(shù)據(jù)匯聚層兩部分，實現(xiàn)傳感信息采集和匯聚。
網絡層由電力無線專網、電力APN通道、電力光纖網等通信通道及相關網絡設備組成，為電力設備物聯(lián)網提供高可靠性、高安全性、高帶寬的數(shù)據(jù)傳輸通道。
平臺層利用公司一體化“國網云”、全業(yè)務統(tǒng)一數(shù)據(jù)中心、物聯(lián)管理中心等平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享交互。物聯(lián)管理平臺實現(xiàn)物聯(lián)網各類傳感器及網絡節(jié)點裝備的管理、協(xié)調與監(jiān)控，承擔數(shù)據(jù)獲取、狀態(tài)分析和實時預警等任務，對物聯(lián)網邊緣計算算法進行遠程配置，實現(xiàn)多源異構物聯(lián)網數(shù)據(jù)的開放式接入和海量數(shù)據(jù)存儲。
應用層實現(xiàn)實時監(jiān)視、統(tǒng)計分析、三維視頻融合、作業(yè)管理、虛擬巡視、模擬演練等功能。這些功能被融合在全景監(jiān)視、統(tǒng)計分析、環(huán)境監(jiān)視、作業(yè)管理、缺陷管理、實時告警、設備管理、技術監(jiān)督８個子模塊中，如圖2所示。
雄安新區(qū)變電站數(shù)字孿生通過多維感知、遠程巡檢來獲取變電站運行數(shù)據(jù)；采用統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型SG-CIM實現(xiàn)數(shù)據(jù)融合；應用大數(shù)據(jù)分析、人工智能技術等技術建立模型；通過三維圖形引擎、3Ｄ GIS對變電站狀態(tài)進行直觀展示。
圖2 雄安變電站數(shù)字孿生架構
三、功能和效益
雄安新區(qū)劇村變電站的數(shù)字孿生具有三維建模功能，三維可視化展示效果良好。數(shù)字孿生可對變電站設備和運行環(huán)境進行全方位三維展現(xiàn)，并可以推演天氣變化趨勢。數(shù)字孿生展現(xiàn)變電設備、作業(yè)人員、巡檢機器人、巡檢無人機的地理位置，實現(xiàn)對上述設備、設施和人員的快速定位；根據(jù)設計的智能巡檢路線，對巡檢機器人和無人機進行三維可視化導航，實現(xiàn)快捷路徑設置便于高效作業(yè)。
劇村變電站的數(shù)字孿生，基于大數(shù)據(jù)和人工智能算法，實現(xiàn)平臺與機器人巡檢系統(tǒng)對接，實時調取巡檢任務，在數(shù)字孿生變電站內直觀展示機器人巡檢路線，對接機器人實時畫面和熱成像畫面。通過虛擬巡檢與站端機器人“空地結合”的巡檢方式，可以真正實現(xiàn)對室內變電站設備的全面檢測。采用先進的ＡＩ攝像頭，通過對設備進行圖像識別，自動對圖像進行智能分析，可精確分析設備狀態(tài)、作業(yè)操作動態(tài)、周邊環(huán)境狀況等。通過構建三維數(shù)字孿生場景和設備的高精度內外部結構模型，開發(fā)設備部件級拆解系統(tǒng)，實現(xiàn)設備檢修過程仿真、設備部件信息仿真、設備拆解演練仿真、仿真設備知識講解。
基于變電站數(shù)字孿生的運維模式，可有效提升設備運維精益化管理水平，減少現(xiàn)場作業(yè)頻度，降低現(xiàn)場作業(yè)誤操作風險；通過對設備狀態(tài)的精準評估，可延長設備壽命周期，實現(xiàn)資產增值。
數(shù)字孿生技術作為一種前沿技術，從起源階段到發(fā)展階段，逐漸滲透到各行各業(yè)，包括電力行業(yè)。在電力行業(yè)中，數(shù)字孿生技術的應用已經取得了顯著的成果，如智能電網建設、新能源集成、能源調度和電力市場運行等方面。在未來發(fā)展趨勢中，數(shù)字孿生技術將實現(xiàn)更高精度的數(shù)字模型、更廣泛的應用領域、更強大的人工智能支持、更緊密的跨領域融合和更豐富的應用場景，為各行各業(yè)帶來更高效的數(shù)據(jù)分析和優(yōu)化解決方案。
《新型電力系統(tǒng)數(shù)字孿生技術及實踐》
本書圍繞新型電力系統(tǒng)數(shù)字孿生技術與實踐展開編寫，在分析數(shù)字孿生基本概念的基礎上，詳細闡釋了電力數(shù)字孿生的技術體系以及數(shù)字孿生在新能源發(fā)電預測、設備狀態(tài)評估和故障診斷、電力系統(tǒng)高保真仿真分析中的應用，并結合典型案例為具體工作的開展提供可行性參考，完整呈現(xiàn)新型電力系統(tǒng)數(shù)字孿生技術的認知探索與實踐總結。本書可供從事能源領域系統(tǒng)態(tài)勢感知相關工作的人員，以及數(shù)據(jù)技術、數(shù)據(jù)科學領域的研究人員閱讀參考。
作者：江蘇省電力試驗研究院有限公司，ISBN：978-7-111-74184-8
頁數(shù)：248，定價：129.00
出版社：機械工業(yè)出版社
撰? 稿? 人：楊健亭
責任編輯：李馨馨
審? 核? 人：曹新宇
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