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电力数字孪生研究综述及发展展望

1、研究背景

国家《数字中国建设整体布局规划》中指出推动数字技术和实体经济深度融合，在重点领域加快数字技术创新应用。

《国家能源局关于加快推进能源数字化智能化发展的若干意见》中指出，加快人工智能、数字孪生、物联网、区块链等数字技术在能源领域的创新应用。

作为支撑新型电力系统构建的最重要使能技术之一，数字孪生受到了国内外学术界和工业界的广泛关注。IEEEPowerandEnergyMagazine在2024年第一期出版了《DigitalTwinSolutionsForPowerSystems》专刊，NatureComputationalScience在2024年第三期出版了《TheRiseofDigitalTwins》专刊。

2、研究意义

新型电力系统面临着复杂性、不确定性进一步加剧带来的安全风险，现有的分析方法和控制手段均面临挑战。需要在源网荷储进行深度全面感知的基础上，更精准实时模拟系统特性并预测未来特性，为采取有效措施提供依据。数字孪生正是能提供这种手段的前沿技术。然而，当前学术界和工业界关于数字孪生的概念、技术体系以及如何有效应用于电力系统仍有不同看法，对于数字孪生应用于电力系统的研究和应用成果缺少全面而深入的梳理。

3、重点内容

1数字孪生概念及技术体系

1.1定义

数字孪生的主要功能是构建物理实体的模型，该数字模型不仅反映物理实体的形态、尺寸等外特性，还可反映内在特性，并在其上进行仿真、分析、诊断、预测。

1.2需求

(1)新型电力系统中包含高比例间歇式发电、柔性负荷，系统的运行方式复杂多变，同时各种控制系统的响应速度也更快，包含大量假设和简化、按时间驱动的离线和在线仿真方法，难以满足新型电力系统的需求。

(2)电力系统运行中涉及多样化能源形式，以及与通信、交通等领域设施的耦合，同时受到气象、社会等外部因素影响，当前仿真技术难以支撑如此复杂的耦合交互影响分析。

(3)电力系统包含的设备众多，电力设备的故障可能引起电力系统的安全稳定风险，对电力设备的健康状况进行评估，需要建立综合了热、电、机械等物理场的特性仿真功能的电力设备数字孪生。

1.3技术体系

(1)数据是数字孪生的基础

(2)模型是数字孪生的核心

(3)平台和软件是数字孪生的载体

2数字孪生在电力系统的应用模式

(1)实现数据的同源和同步更新

规划

规划

方式安排

电网数据学生

地电保护

按口适配富

表计

市坊

电力实体

知：190,050

帘

PMS

银定8

其他数相

数据源

保护

图1面向电力系统数字孪生的多源数据集成

图1面向电力系统数字孪生的多源数据集成(2)实现模型的高保真

传感

物理实体

适应性分析

保留原数字李生是

数字李生数字孪生更新

图2数字孪生高保真建模

(3)基于数字孪生的分析应用

激励

环境、影响因承

环境、影响因承来自传感

档案-护照数据

物理实体

状态参数来白传感器

系统正常

故障指纹库

比较

Y小手?N系统异常

机器学习多分类

数字李生

来自虚拟传感谷的状态参数-数字李生独立进行的机理计算或数据计算

故障识别

图3基于数字孪生的电力设备故障检测和故障识别

3数字孪生在电力系统的典型应用场景

(1)发电系统

风电和光伏发电功率预测特别是短期功率预测、新能源发电设备故障检测和故障识别、抽水蓄能机组的故障检测和故障识别。

(2)输配电系统

大电网仿真、配电网仿真。

(3)输变电设备

电缆健康评估、变电站/变压器故障检测和故障识别、输电线巡检及输电线故障检测和故障识别。

(4)电池储能

电动汽车电池和电网用电池储能的SOC和SOH评估。

(5)用电系统

用户侧综合能源系统、供电系统分析监控，可用于负荷预测、负荷特性分析如负荷建模、负荷参与需求响应潜力分析。

(6)调控系统

在线实时仿真、源网荷储协同调控。

短期新能源功率预测

短期新能源功率预测

发电系统风机、光伏系统故障检测和识别

抽水蓄能机组故障检测和识别

输电网仿真输配电系统

配电网仿真

电缆健康评估

输变电设备变电站/变压器运维

输电线运维

电力系统数字孪生

电网用电池的SoH和SoC评估电池储能

电动汽车电池的SoH和SoC评估

用户侧综合能源系统

用电

符合预测和负荷特性

在线实时仿真

源网荷储协同

图4数字孪生在电力系统的典型应用场景

4国内外工程应用现状

在电力系统领域，较早开展电力数字孪生应用的公司有GE、西门子，应用场景是风机故障检测