1. 数字孪生电力系统发展现状

工业4.0研究院的分析显示，电网行业具有价值较高、技术要求不复杂等特点，非常适合作为数字孪生应用的先导性场景。部分电力企业虽然引入了数字孪生技术，但主要应用在发电厂和配电厂的数字孪生化，简单讲即为可视化，其他场景的应用存在各种各样的问题，并未形成全局和全生命周期的应用。

从我国主要的电力公司推进数字化转型和数字孪生的情况上来看，大部分公司都没有形成公司级别的战略和规划，更谈不上形成全局和全生命周期的数字孪生，这不利于数字孪生技术在电网领域的应用和普及。

具体来讲，目前电网行业主要有三方面的挑战：

一是缺乏理论支撑。对于什么是数字孪生电网缺乏系统和统一的认知，甚至有时候还是互相矛盾的说法，其知识大都来自于国防领域或航空航天，并不适合电网这样的模块化特征较为明显的领域。

二是缺乏系统的规划。多家电网公司的调研显示，各家公司大都采用供应商提供的资料做规划，因此往往陷入供应商埋下的坑中，难以响应企业经营中创新的需要。

三是现有技术风险巨大。从各电网公司采用的数字孪生解决方案来看，大部分采用了游戏引擎(例如Unitv UE等)和消费互联网技术(例如数据中台等)，这在解决管理信息化方面能起到一定作用，但不太容易满足电网公司精细化或精准化管理等高级需求。

2. 数字生电力系统技术架构

数字孪生电力生态系统总体架构包含基础层、数据层、应用层。其中数据层包括感知层、传输层和平台层。

数字孪生电力系统参考技术架构

基础层：以物联网电厂、输电、变电站、配电、楼宇空间等底层基础设施为依托，实现真实空间与虚拟空间之间的双向数据互通、指令控制、虚实联动。

感知层：以高精度、高灵敏的PLC、SCADA、表计、ZIGBEE等传感器系统为实现数字孪生电力系统的基础和万物互联感知的入口，通过采用这些系统实现了从虚拟电网对物理电网的全息复制和动态调整。

传输层：异构通信技术，数字孪生系统面临多系统、大连接、海量数据的双向传输需求，要利用宽带(4G/5G/GPRS/NB-IoT)、窄带(RS-485/M-Bus/HPLC/Lora/RF/Ethernet)等新型异构网络技术实现高速率、高容量、低时延接入，确保物理电网海量传感器接入要求和虚拟电网精准控制指令的传达要求。

平台层：数字孪生模型构建与自我优化依赖全域全量的电网数据，通过数据中台的数据的存储、检索和大数据分析能力实现超大规模全量多源数据的安全存储、高效读取、为数字孪生平台优化决策提供精细的数据要素。

应用层：基于数字孪生技术对电力系统主要设备、厂站与环境精细三维全景仿真，实现与采集数据实时交互，实现在智慧输电、智慧园区、智慧电厂等各个应用场景中动态融合展示设备与关键传感数据。

应用从超级可视化到实时诊断、智能预测、应急预案等多场景中。

3. 数字孪生电力系统典型应用场景

3.1 电网状态环境可视化监控应用

基于数字孪生技术对电网主要设备、厂站与环境精细三维全景仿真，实现与采集数据实时交互，能够在仿真场景中动态融合展示设备与关键传感数据。通过在厂站内部署的视频网络和传感器网络，实时反馈环境变化、并进行实时分析。

3.2 电网设备远程智能巡视应用

使用物联网智能感知技术对众多关键测点进行监测，既能够增加巡检效率，又能够节约人力成本。

3.3 远程故障诊断及辅助决策应用

目前电网各环节监控数据尚未统一集中上送至国网总部，各省公司亦无法全面汇集所辖设备信息，从而无法及时开展设备预警预控和快速分析。因此要实现远程故障诊断，通过全面的数据调用和专家团队集中决策，大幅提高故障诊断和后续处理的及时性和准确性。

3.4 电网智能预警及状态检修应用

在以往的实际生产中，大部分管理人员根据已有的经验对设备异常和故障做出判断，然而这种主观的认知并不能十分准确的反应设备状态变化。通过对设备运行数据的实时监测，来智能评估设备运行状态,提前预警并提出预防措施，防止出现危及系统及设备的严重故障，也有助于科学合理的制定检修计划。

3.5 电网设备仿真培训应用

通过三维动画演示开展电力系统的检修指导及培训，不断提高检修人员的技术水平。

3.6 安全作业管控应用

通过和三维空间位置信息的结合，进而实现对人员、设备、车辆的安全作业管控。依托业务中台安全域的两票管理、安全风险、安全评价等中心的服务，进行工作票的全过程安全管控和作业风险提前识别：同时结合现场传感设备，进行现场作业过程的状态感知和状态快速分析，实现作业计划管控、作业风险评估等功能。

3.7 电网生产业务管控应用

采用桌面终端、移动终端等方式，为业务管理、日常管控、辅助决策提供统一的融合平台。

4. 数字孪生电力系统典型应用案例

4.1 案例概述

数字孪生智慧电力园区平台，实现生产调度电力园区的重点功能区域重点设备的电流电压、水浸、温湿度、烟雾等的数据采集和集中处理。通过对系统中各类指标阈值设定和关联大数据分析处理，实现安全预警、事件报警、事件精准定位和事件应急方案提示。在配电系统，通过采集进出线的电压、电流、中性线电流、频率、有功功率、无功功率、功率因数等指标，对过流过压进行报警，实现供配电系统的安全预警。通过对采集的数据进行数据分析，包括三相不平衡分析，谐波分析和负荷率计算等，实现供配电平稳运行。通过对重点机房、功能区域以及公共区域的实时水浸监测，管路水压、水流实时监测，及时发现漏水、管裂、管爆事件，实现快速定位事件发生位置，及时防范灾难性事件发生。通过对关键功能区域的温湿度指标的实时监测，及时推定可能事件的发生，如空调失效、门窗破损，雨水灌入等事件，以保护设备环境。

通过对关键功能区域烟雾、空气质量的监测，提前预警，保护作业人员的人身安全，并根据大数据关联性分析，提醒值班人员可能的事件类型，与其他传感器的警示相互印证:并在其他传感器存在可能失效的情况下提供事故预警的高一级防线。

4.2 应用场景

（1）配电系统管理

实时展示变配电系统结构、三维电气拓扑图；以图形方式展示模拟量、开关量实时数据，动态展示设备通信状态，支持远程配置阈值，可实时上报故障、越限、通信事件，支持声音和语音报警，可以各种动画效果展示;实时监测变配电回路三相温度、高温报警、过流告警、过功率告警等信号，并进行变压器和单个回路的负荷率以及损耗率的统计分析:谐波精准监测。精确测量到从基波到第31次的奇偶次电压电流谐波含量，实时反映非线性负荷对变压器的损耗影响，及时发现异常用能和能源损耗，提醒用户及时干预。

配电系统管理

（2）实时数据展示

关联了展示要求，在查看某项数据和报警时，能够方便查看该项数据相关联设备数据或运行状况。监控系统采用了3D图：在空间结构上，能够展现监控对象所在的楼宇、楼层及房间;在逻辑结构上，能够按照不同子系统来分别呈现。当发生故障时，报警事件可以直观

地在3D界面上显示相应的效果。具备按照房间或类型为划分的区域告警，可准确显示告警地点、告警内容及告警等级。能够直观显示各类被监控基础设施的实时数据和状态信息。

实时数据展示

（3）异常报警

实现系统内所有事件统一告警，并具备多种告警方式。系统具备完整的告警事件查询功能，查询方式应该灵活多样，允许用户根据不同的组合条件对告警事件进行查询，查询结果包含每一条告警事件的告警时间、地点、告警设备、告警内容、确认人等信息。

系统可对所有报警事件进行判断，分析各报警事件的因果关系，通过预先设定的逻辑关系，屏蔽部分报警事件，减少突发性事件带来的误报警和容量冲击，实现准确定位事件根源，从而提高了管理人员的工作效率，设置过滤组可对过滤时间、过滤条件，以及过滤报警的描述进行设置。

（4）实时运行监控

实时展示变配电系统结构 电气主接线图;以图形方式展示模拟量、开关量实时数据，动态展示设备通信状态，支持遥控、遥调和置数，可实时上报故障、越限、通信事件，支持声音和语音报警，可以各种动画效果展示。

实时监测变压器三相温度、高温报警、故障等信号，并进行负荷率以及损耗率的统计分析。

实时监测动环系统参数，如温湿度、烟雾、水浸探测等。

（5）趋势曲线查询及分析

支持对系统计量监测对象的关键用能参数(如:电-有功功率;温度、湿度等)进行历史趋势数据的查询和分析，帮助运行人员分析故障原因。系统默认提供多种方式的电力数据统计对比展示模块，以便管理人员直接调用。

（6）设备管理

通过对设备工作状态参数以及工况参数的实时采集和监视可及时判断设备的运行工况是否正常。对设备的历史维护记录和维护计划进行在线管理，设备及其主要零配件的检修、更换历史记录形成信息化管理，并可提供设备计划检修到期提醒以及逾期检修告警等功能，

确保设备的安全、稳定、经济运行。支持录入、查询和修改指定设备对象的维护、检修记录。包括项目名称、设备名称、检修时间、检修人、问题现象描述以及检修结果等详细内容。

（7）工单管理

实现巡视计划 派工、巡视处理单一体化智能化线上处理。监视巡视中如发现设备问题或者故障，线上及时生成故障检修任务电子工单，由检修人员手机接单后进行及时的抢修和处理。工单完成后，处理结果线上报告，实现无纸化办公。

（8）能效分析

定期提供月度和年度节能诊断及运行管理分析报告给用户管理人员。该服务为主动型服务，侧重从整体层面对当前耗能设备、主要耗能区域以及用能运行管理的过程进行数据分析，寻找设备用能的规律和特点，用能管理可提升优化的空间，为下一周期的节能管理提供参考建议。