数字孪生电网基本内涵及关键技术.docx

数字挛生电网基本内涵及关键技术将数字李生技术引入到电网，可以实现物理电网的同步映射。随着物联网、大数据、人工智能等技术的日臻成熟，数字李生将会在电网领域得到普遍应用，并在电网规划、建设、运营等环节发挥强有力的支撑作用。一、数字学生简介1、数字李生的起源“李生”的概念起源于美国国家航空航天局(NASA)的“阿波罗计划”，即构建两个相同的航天飞行器，其中一个发射到太空执行任务，另一个留在地球上用于反映太空中航天器在任务期间的工作状态,从而辅助工程师分析处理太空中出现的紧急事件。当然，这里的两个航天器都是真实存在的物理实体。2003年前后，关于数字李生(Digita1.Twin)的设想首次出现于Grieves教授在美国密歇根大学的产品全生命周期管理课程上。在该设想中数字李生的基本思想已经有所体现，即在虚拟空间构建的数字模型与物理实体交互映射，忠实地描述物理实体全生命周期的运行轨迹。直到2010年,“Digit到TWin”一词在NASA的技术报告中被正式提出，并被定义为“集成了多物理量、多尺度、多概率的系统或飞行器仿真过程”»2011年，美国空军探索了数字挛生在飞行器健康管理中的应用，并详细探讨了实施数字李生的技术挑战。2012年，NASA与美国空军联合发表了关于数字李生的论文，指出数字季生是驱动未来K行器发展的关键技术之一。在接下来的几年中，越来越多的研究将数字季生应用于航空航天领域，包括机身设计与维修、飞行器能力评估、S行器故障预测等。近年来，数字孳生得到越来越广泛的传播。同时，得益于物联网、大数据、云计第、人工智能等新一代信息技术的发展，数字乎生的实施已逐渐成为可能。现阶段，除了航空航天领域，数字季生还被应用于电力、船舶、城市管理、农业、建筑、制造、石油天然气、健康医疗、环境保护等行业。特别是在智能制造领域，数字挛生被认为是一种实现制造信息世界与物理世界交互融合的有效手段。2、数字学生的基本概念（1）标准化组织的定义数字李生是具有数据连接的特定物理实体或过程的数字化表达,该数据连接可以保证物理状态和虚拟状态之间的同速率收敛，并提供物理实体或流程过程的整个生命周期的集成视图，有助于优化整体性能。（2）学术界的定义数字李生是以数字化方式创建物理实体的虚拟实体，借助历史数据、实时数据以及算法模型等，模拟、验证、预测、控制物理实体全生命周期过程的技术手段。（3）企业的定义数字挛生是资产和流程的软件表示，用于理解、预测和优化绩效以实现改善的业务成果。数字季生由三部分组成：数据模型，一组分析或克法，以及知识。3、数字李生的典型特征从数字乎生的定义可以看出，数字乎生具有以下几个典型特点：<1)互操作性数字季生中的物理对象和数字空间能够双向映射、动态交互和实时连接，因此数字挛生具备以多样的数字模型映射物理实体的能力,具有能够在不同数字模型之间转换、合并和建立“表达”的等同性。(2)可扩展性数字李生技术具备集成、添加和替换数字模型的能力，能够针对多尺度、多物理、多层级的模型内容进行扩展。(3)实时性数字享生技术要求数字化，即以一种计算机可识别和处理的方式管理数据以对随时间轴变化的物理实体进行表征。表征的对象包括外观、状态、属性、内在机理，形成物理实体实时状态的数字虚体映射。<4)保真性数字挛生的保真性指描述数字虚体模型和物理实体的接近性。要求虚体和实体不仅要保持几何结构的高度仿真，在状态、相态和时态上也要仿真。值得一提的是在不同的数字季生场景下，同一数字虚体的仿真程度可能不同。(5)闭环性数字挛生中的数字虚体，用于描述物理实体的可视化模型和内在机理，以便于对物理实体的状态数据进行监视、分析推理、优化工艺参数和运行参数，实现决策功能，即赋予数字虚体和物理实体一个大脑。因此数字李生具有闭环性。4、数字季生与其他技术的区别从表面上看，数字季生技术与其他数字技术有许多相似之处，但实际上，数字挛生技术是一种新技术，与包括仿真、信息物理系统、数字主线和资产管理壳在内的传统技术存在明显区别。(1)数字挛生与仿真(Simu1.ation)的区别仿真技术是应用仿真硬件和仿真软件通过仿真实验，借助某些数值计算和问题求解，反映系统行为或过程的模型技术，目的是依靠正确的模型和完整的信息、环境数据，反映物理世界的特性和参数。仿真技术仅仅能以离线的方式模拟物理世界，不具备分析优化功能，因此不具备数字李生的实时性、闭环性等特征。数字挛生需要依靠包括仿真、实测、数据分析在内的手段对物理实体状态进行感知、诊断和预测，进而优化物理实体，同时进化1彳身的数字模型。仿真技术作为创建和运行数字学生的核心技术，是数字季生实现数据交互与融合的基础。(2)数字挛生与信息物理系统(CPS)的区别数字季生与CPS都是利用数字化手段构建系统为现实服务。其中,CPS属于系统实现，而数字挛生侧重于模型的构建等技术实现。相比于综合了计算、网络、物理环境的多维复杂系统CPS,数字挛生的构建作为建设CPS系统的使能技术基础，是CPS具体的物化体现。数字李生的应用既有产品、也有产线、工厂和车间，宜接对应CPS所面对的产品、装备和系统等对象。(3)数字季生与数字主线(Digita1.Thread)的区别数字主线被认为是产品模型在各阶段演化利用的沟通渠道，是依托于产品全生命周期的业务系统，涵盖产品构思、设计、供应链、制造、售后服务等各个环节。在整个产品的生命周期中，通过提供访问、整合以及将不同/分散数据转换为可操作性信息的能力来通知决策制定者。数字主线有能力为产品数字挛生提供访问、整合和转换能力,其目标是贯通产品生命周期和价值链，实现全面追溯、信息交互和价值链协同。由此可见，产品的数字挛生是对象、模型和数据，而数字主线是方法、通道、链接和接口。(4)数字李生与资产管理壳(AssetadministrationShe1.1)的区别出自工业4.0的资产管理壳，是德国自工业4.0组件开始，发展起来的一套描述语言和建模工具，从而使得设备、部件等企业的每一项资产之间可以完成互联互通与互操作。自数字季生和资产管理壳的问世以来，更多的观点是视二者为美国和德国的工业文化不同的体现。实际上，相较于资产管理壳这样一个起到管控和支撑作用的“管家”，数字李生如同一个“执行者”，从设计、模型和数据入手，感知并优化物理实体，同时推动传感器、设计软件、物联网、新技术的更新迭代。但是，基于这两者在技术实现层次上比较相近，德国目前也正努力在把资产管理壳转变为支撑数字李生的基础技术。二、数字季生电网基本内涵1、数字李生电网的定义工业4.O研究院所提出的“数字季生电网”(DTG,Digita1.TwinGrie1.)概念，广义上指电力行业的数字李生体应用，狭义上指在发电、输电、配电和用电全生命周期场景下的数字享生体应用。数字挛生电网定义如下：数字季生电网是基于数字挛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、全生命周期的数字季生体，从而达到不断改善的应用目的。数字挛生电网定义，引入了数字季生基础设施，以解决平台烟囱的弊端。跟现有的电力企业高度集成的数字挛生体实践不同，数字挛生电网更强调模块化和开放架构，这有助于形成可持续改进的技术体系，实现“前向兼容''的目标。另外，数字李生电网采用了实体化的方法，能够固化各种数字季生化成果，有助于技术专业化分工形成，最终各个模块可以独立进行优化改进，避免了技术体系的复杂性所导致的管理成本过高和过于复杂而无法实现预定的可持续改进要求的情况。数字季生电网概念和体系还在建设初期，在实际应用中既要不断改进，以适配应用场景需要，乂要不断修正调整。2、数字李生电网的必要性在技术层面，随着“碳达峰、碳中和"、“构建以新能源为主体的新型电力系统”等战略目标的提出，电网将会接入大量具有随机性、间歇性、波动性特征的分布式能源，以及储能装置、V2G等交互式能源设施，使其呈现出结构更加复杂、设备更加繁多、技术更加庞杂的趋势。传统机理模型和优化控制方法已羟难以满足电网规划设计、监测分析和运行优化的要求。在管理层面，受产业结构调整、能源领域改革、电价下调等政策影响，依麓电量增长拉动收入的传统经营发展模式难以为继，电网企业迫切需要优化经营策略，实现企业的精益化管理。由于对电网缺乏精准刻画，无法准确掌握电网的状态信息，导致电网的运维效率难以得到有效提升，另外，对电网运营策略的优化调整，严重依赖于人工经验，难以达到最佳效果。数字李生电网为解决上述问题提供了新的技术途径，可以有效保证电网经济、优质、安全的运行。3、数字享生电网主要功能通过数字季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、优化电网运营策陷。(1)监测电网实时状态通过数字季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。(2)诊断电网异常原因通过数字乎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。（3）预测电网发展趋势通过数字李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。（4）优化电网运营策略通过数字挛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。数字挛生电网可以大幅提升电网的数字化、智能化水平。4、数字季生电网体系架构数字享生电网体系架构由设备级数字季生、单元级数字学生、系统级数字率生三个层级所构成。设备级数字季生指电网中单个设备的数字李生，如数字季生变压器、数字李生断路器、数字挛生隔离开关等。单元级数字李生是指电网中由多个设备所组成的功能单元的数字乎生，如数字挛生变电站、数字李生微电网、数字李生输电线路等。系统级数字挛生是指电网中由多个功能单元所组成的系统的数字乎生，如数字挛生区域电网、数字乎生省级电网、数字挛生市级电网等。系统级数字挛生并不是单元级数字挛生的简单登加，同样，单元级数字季生也不是设备级数字李生的简单叠加。不同层级数字季生之间的功能关系如图1所示。系统线数字孽生Q单元G1.S宇擎生O设姆M字拿生图1数字季生的层级间关系5、数字季生电网演进数字挛生电网的发展阶段工业4.0研究院把数字挛生电网分为三个发展阶段,其基础设施、平台和应用在不同阶段具有不同的要求,分别称之为1.0、2.0和3.0阶段，体现了数字李生电网可持续改进的核心价值。表数字学生电网发展阶段U字拿生电网1.0收字*生电网2.0Bt字章生电网3.0椎心任务E本完成田大要重It设任务实现全局散气机加实现全局M全生命周网Ci富机IM塔建好Ut字学生其&设也机泵，完成DT1.IBt字学:！化引入GIS原内定位等效黑并融台.能实现四««DT1.230字学生化全Ifc1.r立点云箜动的S字平发化相依据机制.««实观不若改进的目标平台Hfi1.好开发平台.开JI杜区IO场景爆媳警“本功实现It作累域所要求的同播K1.用拥有一定蝮模的开发群体.井H有椅慷改善力应用重点实现褥产理类应用,包实现全曷优化91Sm重.实现全生命阉期奥应用数字挛生电网的自动演进数字学生电网的自动演进主要包括两方面内容:一是数字享生电网功能的自动迭代，二是数字李生电网结构图谱的自动更新.为实现数字季生电网功能的自动迭代，相应功能所对应数据驱动模型应采用增量学习的方式，不断从新的数据样本中获取知识，用以对H身进行