電力系統數字孿生的概念、特點及應用展望

　　摘要：針對數字孿生在電力系統中面臨的概念模糊、項目數量眾多卻缺乏評價標準、與傳統仿真區別不明等三個問題，通過分析數字孿生的多種定義，澄清數字孿生及其相關基本概念;從數字孿生應當具備的主要特征出發，提出數字孿生項目成熟度評價的五個維度;通過回顧電力系統仿真工具的發展歷史，剖析電力系統無法孕育數字孿生概念的根本原因，明確數字孿生與電力系統仿真的區別。在此基礎上，提出數字孿生在電力系統應用的發展方向和賦能領域，并介紹了數字孿生的常用構建技術。最后，以基于熱泵的制冷供熱系統數字孿生項目為例，展示數字孿生的基本特征，并結合所提成熟度評價方法對此項目進行評價分析。

　　關鍵詞：建模;仿真;數字孿生;新型電力系統

　　1引言

　　在以數字化、網絡化、智能化為核心的“工業4.0”背景下，數字孿生以其深度融合新一代信息技術和數字模型的理念引發工業界和學術界的關注。通過物理對象和虛擬模型的交互，數字孿生能夠刻畫物理對象的多維屬性、實際行為和狀態，分析物理對象的未來發展趨勢，從而實現對物理對象的監控、仿真、預測、優化等實際功能服務和應用需求[1]。自航天和軍工領域引發數字孿生概念的熱潮以來[2,3]，信息化、數字化技術的快速發展進一步推動了數字孿生在制造業、城市管理、醫療、農業、電力等多個行業的研究與應用落地。

　　在制造業，數字孿生有望解決先進制造中物理世界和信息世界如何交互與共融的難題。因此，陶飛等人提出“數字孿生車間”的概念[4]，并在常用的三維模型(物理實體、虛擬實體及連接)的基礎上增加服務和孿生數據兩個維度，提出數字孿生五維模型的概念以適應數字孿生車間研究過程中的新需求[5]。

　　在此基礎上，文獻[1]提出數字孿生模型的構建準則和理論體系，并以數字孿生車間為例開展具體研究和分析。在城市管理領域，文獻[6]探討數字孿生城市的理念及其背后可能的支撐技術，提出利用城市孿生體評估、預測城市狀態來輔助管理者的決策。文獻[7]提出在智慧城市的背景下，健康醫療服務的ISO/IEEE11073標準化數字孿生框架。在醫療健康領域，文獻[8]利用數字孿生跟蹤人體的健康狀況，通過預測體能狀態來提供針對性健康管理建議。

　　在農業領域，文獻[9]通過探討數字孿生可能給農業生產提供的附加價值，提出數字孿生在農業中可行的應用技術路線。在能源電力領域，數字孿生技術也正在提供潛在的價值增長點，相關研究和應用呈逐年增長趨勢，并逐漸滲透到電力行業的各個環節。在宏觀研究層面，文獻[10]指出電力系統數字孿生旨在認知電力系統繼而輔助電網的決策制定，并通過實時態勢感知、超實時虛擬推演的手段以實現數據驅動、實時交互和閉環反饋的3大特點。

　　文獻[11]通過結合數字孿生的定義和智能電網的特點給出智能電網數字孿生的定義，給出智能電網數字孿生的整體框架和關鍵技術環節，最后介紹一種對構建數字孿生關鍵步驟進行實踐的智能電網數字孿生原型系統CloudPSS。文獻[12]給出了面向智能發電的數字孿生定義，并提出了智能發電系統的數字孿生架構及部署的一般性方法。文獻[13]提出輸變電設備狀態評估中的數字孿生技術架構，并深入分析數字孿生技術在輸變電設備狀態評估應用中面臨的挑戰及發展前景。

　　針對以電力系統為核心的能源互聯網，文獻[14]給出了能源互聯網數字孿生的定義、構建方式與可能應用，并介紹了基于數字孿生的能源互聯網規劃平臺——CloudIEPS。文獻[15]提出了針對能源互聯網數字孿生系統的總體框架及技術路線，并分析了具體實施過程中需要突破的關鍵問題。在微觀研究層面，數字孿生技術的潛在應用方向十分廣泛。在電力系統分析方面，文獻[16]提出一種基于數字孿生的交直流電網秒級在線實時分析方法。

　　文獻[17]提出一種基于數字孿生概念的狀態估計方法，用于實時監測電網狀態，并根據可能的未來事件對電網狀態進行預測。在優化運行方面，文獻[18]提出了一種基于數字孿生驅動的智慧微電網多智能體協調控制架構，并搭建微電網半實物仿真模型驗證了所提基于數字孿生驅動的多目標優化調度策略。在電力設備健康狀態評估方面，文獻[19]提出一種用于分布式光伏系統故障診斷的數字孿生設計方法，并通過仿真實驗驗證數字孿生技術可提高診斷方法的故障敏感性。在電力系統信息安全方面。

　　文獻[20]提出的一種基于物聯網的信息物理系統數字孿生模型，通過與控制系統交互來緩解協同虛假數據注入和網絡攻擊，保障控制系統的正常運行。在電力系統繼電保護方面，文獻[21]提出基于數字孿生的柔性直流輸電系統縱聯保護原理，并通過仿真證明數字孿生可以全面提升保護性能，緩解直流保護中的“四性”矛盾。在應用層面，西門子公司通過開發針對芬蘭電力系統規劃、運行和維護的數字孿生系統，顯著提高其自動化程度、數據利用率和決策能力[22]。通用電氣公司利用數字孿生優化風電場開發、運營和維護的全過程[23]。

　　在國家電網公司2020年和2021年的科技項目指南中，數字孿生技術備受關切，相關內容包括基于數字孿生的變電設備綜合狀態評估、調度控制系統數字孿生平臺研究、基于數字孿生的特高壓直流輸電系統能效計量與降損技術、風光儲基地數字孿生建模等等。無庸贅述，數字孿生的價值正吸引越來越多研究者的關注，并有望為電力系統的各個環節注入新的活力。盡管如此，電力系統中的數字孿生研究尚處于萌芽階段，仍有眾多關鍵問題備受業界關注且亟待厘清：

　　1)數字孿生的定義和內涵隨著研究的深入反而越來越模糊，數字孿生是否具有被普遍接受的統一概念與定義?2)如何判斷某一具體數字孿生項目和理想數字孿生的距離，以排除部分研究將傳統技術貼上數字孿生標簽進行“炒作”的可能。更重要的是，如何建立數字孿生項目的評價標準，以推進相關項目真正發揮數字孿生概念的優勢?3)電力行業積累了多年建模仿真的有關經驗，卻沒有率先提出數字孿生的概念，那么數字孿生與電力系統傳統仿真的區別到底是什么?

　　為回答上述問題，本文首先澄清關于數字孿生的幾個基本概念，總結出不同定義下數字孿生的共同特點;然后，提出數字孿生項目的成熟度評價方法;接下來，剖析電力系統無法孕育數字孿生概念的根本原因，明確數字孿生與電力系統仿真的區別。在此基礎上，根據電力系統的特點，分析數字孿生在電力系統應用的發展方向和潛在賦能領域，并介紹了幾種數字孿生的常用構建技術。最后，以基于熱泵的樓宇制冷供熱系統數字孿生為例展示數字孿生技術的重要作用。

　　2數字孿生概念辨析隨著相關研究和應用在各行業的深入，不同的研究者對數字孿生的理解越來越多樣化。這些研究者根據自己的理解對數字孿生給出了不同的定義。不同定義不僅從不同角度和側重點進行詮釋，指向的對象也不統一。本章節通過分析和比較不同文獻中數字孿生的多種定義，總結產生不同解讀的原因，希望澄清與數字孿生有關的基本概念，最后總結數字孿生的主要特點。

　　2.1數字孿生的不同理解

　　數字孿生的理念最早由密歇根大學MichaelGrieves教授于2002年針對產品全生命周期管理(PLM)提出[24]。起初，使用“鏡像空間模型(MirroredSpaceModel,MSM)”一詞，后命名為“數字孿生”。盡管術語發生變化，背后的思想均為在數字空間建立物理對象的鏡像模型，通過比較工程設計和數學模型的區別，來更好地理解理論設計與實際生產，以期加強對設備全生命周期的有效管理。

　　隨著信息技術的發展，數字孿生逐漸成為研究熱點，也產生了諸多不同的定義。目前被使用的最多的定義來自NASA于2010年發布的報告《建模，仿真，信息技術與處理路線圖》[25]：“數字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應的實體裝備的全生命周期過程。”不僅如此，數字孿生還被強調為一個“基于仿真的系統工程”(Simulation-BasedSystemsEngineering)。在以多物理場仿真為核心技術的Ansys公司的數字孿生定義中，還提到仿真模型需利用傳感器數據實現與真實世界的實時性與同步性[26]。

　　張霖等人[27,28]通過列舉工業界和學術界對數字孿生的9種代表性解讀并分析不同定義背后的邏輯關聯，最后將數字孿生歸結為物理對象的數字模型，且該模型必須通過接收來自物理對象的數據而實時演化，從而與物理對象在全生命周期保持一致。在此基礎上，人們可以利用這個模型進行分析、預測、診斷、訓練等(即仿真)，并將仿真結果反饋給物理對象，從而幫助對物理對象進行優化和決策。除以上定義外，數字孿生還有諸如數字副本[29]、動態虛擬表示[30,31]等多種解讀。

　　對比上述關于數字孿生的各種定義，本質區別在于“數字孿生”一詞在不同語境下被指向了數字模型、物理實體及其數字模型所構成的整體和支撐其發展的信息技術這幾個不同對象。若要厘清不同概念間的聯系與區別，可分別以“數字孿生體”指代數字空間中和物理對象對應的數字模型，以“物理-數字孿生系統”指代物理實體與其數字孿生體構成的整體，以“數字孿生技術”指代所有涉及到構造數字空間模型以及基于該模型進行仿真、分析、預測和控制的各種技術。

　　總之，在目前的多數文獻中，數字孿生往往被用作一個整體名詞指代與之相關的各個組成部分，從而造成了數字孿生概念的不同定義。實際上，數字孿生如果在不同語境中可以用于指代與之相關的不同對象，也就無需將其約束在統一的定義之下并嚴格限制其使用范圍。

　　更進一步，數字孿生可以理解成一種理念：一方面，在數字空間中構建能夠反映物理對象客觀變化規律的數字空間模型(數字孿生體)，并利用該模型推演、預測物理對象的變化趨勢，驗證控制規律，從而改變物理對象的演化軌跡;另一方面，持續利用對物理對象的觀測，積累對物理對象的認知，從而對其數字空間模型不斷進行改進，使之能更準確地反映物理變化規律。總之，若能理解“數字孿生”被用作整體名詞，在不同語境中指代“數字孿生體”、“物理-數字孿生系統”和“數字孿生技術”等不同對象，就能理解造成數字孿生不同定義的原因。若能將數字孿生作為一種理念來理解其核心思想，也就不必糾結于統一的定義。基于以上認識，為行文簡潔，除非必要，下文中將數字孿生將被用作整體名詞，在不同的語境中指代不同對象。

　　2.2數字孿生的特點

　　盡管現有文獻對數字孿生的定義尚未統一，但在多種解讀的背后，仍可以發現數字孿生的核心特點。首先，“孿生”意為“雙胞胎”，代表物理實體和其數學模型之間具有“相同基因”，換言之，具有相同的物理規律和運行機理。因此，“相同基因”構成了數字孿生必備的基本特點。除此之外，還可以梳理出數字孿生的其他四個重要特點，分別是自治、同步、互動、共生。

　　1)自治數字孿生體，即物理實體的數字模型，和物理實體一樣，服從相同的物理規律，并在此規律的驅動下獨立演化。具體來說，在給定的數字空間邊界條件下，數字孿生體通過仿真即可自主推演并獲得輸出變量的演化軌跡，該過程可以獨立于物理實體。自治特性為數字孿生的模擬推演能力賦能，通過賦予數字孿生體不同的邊界條件，可以推演不同外部因素對物理實體產生的影響。

　　2)同步同步具有以下兩層含義。第一層含義為：在利用數字孿生體推演物理實體的變化軌跡時，需要利用物理實體的當前狀態對數字孿生體進行初始化，使數字孿生體和物理實體初始條件保持一致。第二層含義為：支配物理實體演化的物理規律和數字孿生體所蘊含的物理規律需保持一致。

　　在客觀世界中，物理實體時刻處于變化和發展的過程中，因此，數字孿生模型需要根據物理實體的變化不斷修正自身結構與參數，從而準確反映當前物理規律。為了實現數字孿生體和物理實體的同步，特別是在動態過程分析領域，數字孿生通過構建數據驅動的統計相關性模型來彌補知識驅動的微分代數模型的動態建模不完備的缺陷[11]，并通過與物理實體間的雙向數據交互確保數字孿生與物理實體的狀態同步。同步性確保了利用數字孿生體推演物理實體演化軌跡的準確性。

　　3)互動互動性指數字孿生體和物理實體間的雙向影響。一方面，通過在數字孿生體上預測物理實體的變化趨勢，可以對不同的控制策略進行篩選，從而改變物理實體的演化軌跡;另一方面，通過對物理實體的觀察和分析，可以不斷增進對物理實體的認知，從而改進數字孿生體，使其能夠更加準確地反映物理實體的變化規律。互動性是數字孿生的關鍵特征，也是數字孿生理念存在和發展的前提與保障。若失去了互動能力，數字孿生也就無法服務于認識世界和改造世界的目的了。

　　4)共生共生指數字孿生體和物理實體有利于彼此的發展。對于物理實體，數字孿生體通過預測物理實體的未來運行態勢為不同控制策略提供驗證平臺，從而篩選出合適的控制，實現物理實體發展軌跡的調整;對于數字孿生體，物理實體的存在幫助技術人員更深刻地認識研究對象，從而實現數字孿生體的調整和升級。共生是數字孿生理念存在的目的和意義，即認識世界和改造世界。可以說，正是這些特點將數字孿生與傳統建模和仿真技術區別開來，并支撐著數字孿生概念的發展。

　　3數字孿生項目的成熟度評價

　　從以上數字孿生的特點出發，可進一步賦予物理-數字孿生系統五個基本能力或者說性質，分別是可視性、可預測性、可假設性、可解釋性和可互動性[32]。更進一步，利用這五條性質可以對數字孿生項目的成熟度從多角度進行評價，由此判斷其和理想數字孿生的距離，并為下一步工作的推進提供指導。

　　4電力系統仿真與數字孿生

　　數字孿生雖然在不同文獻中的定義不盡相同，但其技術的核心幾乎都指向建模和仿真。因此，真正明確電力系統中數字孿生的優勢必須要厘清數字孿生和傳統意義上的建模仿真的聯系和區別。本章通過回顧電力系統仿真工具的發展歷史，分析電力系統難以孕育數字孿生概念的原因，最后總結電力系統傳統仿真與數字孿生的區別。

　　4.1電力系統仿真工具的發展歷史

　　在電力行業，人們通過仿真認識電力系統的物理規律并指導生產已有較長一段歷史。促使電力系統大規模使用仿真工具的標志性事件是1965年的北美大停電。在此之前，電力系統的計算只涉及靜態潮流計算，利用仿真工具輔助電力系統運行和管理尚未普及。1965年的大規模故障造成了巨大損失，從此引發了業界對電力系統動態行為研究的熱潮。

　　70年代，由于電力系統動態的快速性與復雜性決定其只能通過仿真的方式進行分析計算，電力系統行業開展了大量建模仿真工作。能量管理系統(EMS)和調度員培訓模擬系統(DTS)在此背景下應運而生，并迅速得到推廣。但由于電力系統動態特性復雜，計算規模龐大，模型參數精度有限，電力行業的工程師往往僅對簡化后的電力系統進行仿真。簡化包括空間尺度上的簡化，即僅對局部電力系統仿真;時間尺度上的簡化，即僅關注電力系統某個時間尺度的動態。

　　得到計算結果以后，還需要反復校核來確認其準確性。以調度運行方式的N-1靜態安全校核為例，電網公司一般只對調度范圍內電網進行計算，這是空間上的簡化;校核的目的是防止某些系統運行狀態越限(如線路過載)，所以采用的是網絡的靜態模型(潮流模型)，這是時間尺度上的簡化。校核的方式來源于實際系統，并通過反復修訂使之能代表實際運行工況;若仿真發現某假設故障校核不通過，則不斷調整運行方式直到通過;最后將校核完成的運行方式應用于實際生產。為了避免模型參數不準確以及算法局限帶來的誤差，計算結果也并非直接采用，而是在其基礎上通過增加裕量等方式間接影響系統運行。

　　可以看出，電力系統仿真工具的適用范圍被嚴格限制，即使通過仿真校核，比如控制策略，也很少讓其自動閉環。總結以上電力系統應用仿真工具的歷史，從使用目的來看，傳統仿真往往只能被作為一種計算工具用于輔助決策;從仿真對象的動態時間尺度來看，受仿真能力限制，一般僅針對時間常數較大其實時性要求不高的過程，比如前述的運行方式N-1靜態安全校核。需要注意的是，在以上N-1校核的實踐過程中，仿真和實際系統間存在著某種形式的互動，這雖然是數字孿生的基本性質.之一，但客觀來講，數字孿生的理念并沒有在電力系統中得到廣泛的實踐。

　　4.2電力系統難以孕育數字孿生概念的原因

　　電力行業盡管早就利用仿真認識電力系統并用來輔助制定控制策略，但是沒有產生數字孿生的概念，背后的原因與電力系統的復雜性極其相關。電力系統是一個具有多時間尺度、動態特性豐富的復雜系統，比如納秒級的電力電子開關動態過程、微秒級的電磁暫態過程、毫秒級到秒級的機電暫態過程、分鐘級到小時級的中長期動態過程，若涉及規劃，時間常數更是以年甚至幾十年計。對傳統電力系統而言，上述不同時間尺度的動態雖然存在一定程度的耦合，但是耦合性并不強。

　　5電力系統數字孿生應用展望

　　在厘清數字孿生和傳統意義上建模仿真的聯系和區別后，本章將展望電力系統數字孿生的發展方向和賦能領域。

　　5.1電力系統數字孿生發展方向

　　回顧電力系統的數字化進程，盧強院士早在2000年就提出了數字電力系統的概念[33]：“實際運行的電力系統的物理結構、物理特性、技術性能、經濟管理、環保指標、人員狀況、科教活動等數字地、形象化地、實時地描述與再現。”文獻[33]中還強調可以利用數字電力系統“改善系統的安全穩定性，制定和實施經濟運行策略，對電力系統實施緊急控制和反事故控制等”。實際上，數字電力系統與數字孿生技術都蘊含著在數字空間中構建模型，從而實現物理對象的控制及改善這一理念。因此，數字電力系統便是電力系統數字孿生[14]，只是沒有采用“孿生”一詞。

　　6數字孿生常用構建技術

　　構建一個高可信度、高質量的數字孿生模型是開展各類數字孿生應用的核心和基礎。目前，數字孿生在各領域相關實踐中常用的關鍵技術很多，比如知識和數據驅動的融合建模技術、高性能計算技術、虛擬化和容器技術、深度學習和人工智能技術和3D建模技術等等。此外，由于電力系統的特殊性，數字孿生在電力系統中的應用還需依靠數字化交付技術和中臺技術。數字孿生常用構建技術的體系化描述可參考數字孿生車間的關鍵技術分類[4]。

　　盡管電力系統和車間生產系統完全不同，但在構建數字孿生時依賴相同的理念，因此在進行體系化描述時也可互為參考。結合電力系統的實際特點和數字孿生車間關鍵技術的分類結果，本節將電力系統常用的關鍵技術進行以下分類：電力系統物理實體互聯與共融技術;電力系統孿生體構建、仿真運行與驗證技術;電力系統孿生數據構建及管理技術;電力系統數字孿生運行技術;基于電力系統數字孿生的精準服務技術。

　　7數字孿生項目實例——基于熱泵制冷供熱系統數字孿生的熱泵投切控制

　　本節以基于熱泵制冷供熱系統數字孿生的熱泵投切控制為例，展示數字孿生項目需要具備的基本特征，并結合所提成熟度評價方法對此項目進行評價分析。基于熱泵制冷供熱系統數字孿生的熱泵投切控制的基本思路是：首先對樓宇熱傳遞規律進行機理建模。由于制冷供熱系統模型復雜參數難以準確獲得，建立詳細準確的制冷供熱系統模型并不現實。因此考慮采用簡單的機理模型反應樓宇熱傳遞的基本規律;再利用實測數據(墻壁溫度、室內外溫度)對模型參數進行在線校準，從而得到樓宇熱負荷的數字孿生體。

　　該數字孿生體應該能夠預測短期內樓宇內溫度的變化。然后，以真實環境中日內室外溫度的實測值和給定的控制策略作為孿生體的邊界條件，實現短期內較高精度的樓宇熱負荷預測;最后，利用模型預測控制的思路選擇最佳的熱泵開停機控制策略。可見，對基于熱泵制冷供熱系統數字孿生的熱泵投切控制離不開熱負荷預測，而熱負荷預測首先需要對熱負荷進行建模。

　　8結語

　　數字孿生的概念在信息化、數字化浪潮的推動下得以快速傳播，為能源電力領域提供潛在的價值增長點。本文聚焦數字孿生在電力系統中面臨的概念模糊、項目眾多卻良莠不齊、相較電力系統傳統建模仿真的核心競爭力尚未明確這三個主要問題開展研究。得出以下結論：

　　(1)數字孿生之所以存在多種定義，是由于“數字孿生”被作為整體名詞，在不同語境中被分別用于指代“數字孿生體”、“物理-數字孿生系統”和“數字孿生技術”等不同對象。為避免混淆，可結合需要采用更精確的描述。(2)物理-數字孿生系統具有相同基因、自治、同步、互動和共生這五個主要特點。數字孿生更應被當作一種理念來理解其核心思想。(3)可視性、可預測性、可假設性、可解釋性和可互動性是物理-數字孿生系統應該具有的基本性質。利用這五個性質可以從多角度對數字孿生項目進行成熟度評價，即判斷具體數字孿生項目和理想數字孿生的差距，從而為某一具體項目推進下一步工作提供指導。

　　參考文獻

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　　作者：沈沉1*，曹仟妮1，賈孟碩2，陳穎1，黃少偉1

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