1、數(shù)字孿生技術(shù)在交直流配電網(wǎng)的應(yīng)用研究摘要：數(shù)字孿生在交直流配電網(wǎng)的應(yīng)用是未來配電網(wǎng)數(shù)字化發(fā)展的一個重點方向。首先在面向交直流配電電網(wǎng)的數(shù)字孿生技術(shù)需求方面進(jìn)行分析；接著探討了數(shù)字孿生在交直流配電網(wǎng)的主要作用和在新能源消納、運行優(yōu)化等方面的價值；然后提出交直流配電網(wǎng)數(shù)字孿生系統(tǒng)的應(yīng)用架構(gòu)，進(jìn)而分析交直流配電網(wǎng)數(shù)字孿生系統(tǒng)在應(yīng)用過程中的關(guān)鍵技術(shù)；最后闡述了數(shù)字孿生對未來透明電網(wǎng)的支撐及其未來發(fā)展的對策建議。關(guān)鍵詞：交直流配電網(wǎng)；數(shù)字孿生；全生命周期；運維分析0引言目前，交直流配電網(wǎng)的建設(shè)開展雖然較多，但隨著配電網(wǎng)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，交直流配電網(wǎng)數(shù)字孿生系統(tǒng)將具有巨大的應(yīng)用空間。基于此，本文宏觀分析發(fā)展交

2、直流配電網(wǎng)的優(yōu)勢，在技術(shù)層面分析交直流配電網(wǎng)數(shù)字孿生系統(tǒng)發(fā)展的可能性；主要探討數(shù)字孿生在交直流配電網(wǎng)的主要作用及其在配電網(wǎng)運營管理、數(shù)字化代運維和新能源消納3個方面的價值；提出交直流配電網(wǎng)數(shù)字孿生的應(yīng)用架構(gòu)，分析交直流配電網(wǎng)數(shù)字孿生系統(tǒng)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)；最后對未來交直流配電網(wǎng)數(shù)字孿生系統(tǒng)的前景進(jìn)行展望。1面向交直流配電電網(wǎng)的數(shù)字孿生技術(shù)的需求分析1.1宏觀需求分析隨著分布式電源的發(fā)展，越來多的分布式電源接入配電網(wǎng)中，但是光伏電源、儲能單元產(chǎn)生的電能大部分為直流電，常用的電氣設(shè)備及大型直流負(fù)荷，如計算機(jī)、空調(diào)設(shè)備、制冷設(shè)備、電動汽車等大部分設(shè)備在直流電狀態(tài)下工作，直接采用直流供電，減少變流環(huán)節(jié)，提

3、高配電的電能利用率及經(jīng)濟(jì)性。直流配電網(wǎng)在供電容量、線路損耗、電能質(zhì)量、無功補償以及適于范圍等方面都明顯優(yōu)于交流配電網(wǎng)。但是目前，一方面交流配電技術(shù)成熟，市場成熟，另一方面，柔性直流配電技術(shù)仍處于起步階段，在實際應(yīng)用中仍有問題待進(jìn)一步的研發(fā)解決，例如根據(jù)城市發(fā)展規(guī)劃和資源特點如何利用好柔性直流配電網(wǎng)的技術(shù)優(yōu)勢，如何保證整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，柔性直流配電網(wǎng)的運行方式進(jìn)一步細(xì)化等；因此，本文認(rèn)為發(fā)展交直流配電網(wǎng)是交流配電網(wǎng)向直流配電網(wǎng)過渡的一個階段。現(xiàn)階段國內(nèi)交直流示范工程方面取得較大進(jìn)展。2019年12月26日，張北柔性變電站及交直流配電網(wǎng)科技示范工程完成全部試驗和試運行考驗，標(biāo)志著世界首個基于柔性

4、變電站的交直流配電網(wǎng)正式投入商業(yè)運行。1.2技術(shù)需求分析為落實關(guān)于推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)”智慧能源發(fā)展的指導(dǎo)意見，有效促進(jìn)能源和信息深度融合，推動能源領(lǐng)域結(jié)構(gòu)性改革，國家能源局提出“互聯(lián)網(wǎng)”智慧能源戰(zhàn)略，借助現(xiàn)代信息技術(shù)提供互聯(lián)互通、透明開放、互惠共享的信息網(wǎng)絡(luò)平臺，打破現(xiàn)有能源“產(chǎn)、輸、配、用”之間的不對稱信息格局，推進(jìn)能源生產(chǎn)與消費模式革命，重構(gòu)能源行業(yè)生態(tài)。該戰(zhàn)略的落地實施要求能源系統(tǒng)實施數(shù)字化深度轉(zhuǎn)型，運用新的技術(shù)手段助力數(shù)字化轉(zhuǎn)型成為亟需。全球最具權(quán)威的研究與顧問咨詢公司連續(xù)在2016和2017年將數(shù)字孿生列為當(dāng)年十大戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢。2交直流配電網(wǎng)數(shù)字孿生架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)2.1數(shù)字化物理建模技

5、術(shù)交直流數(shù)字孿生系統(tǒng)的首要基礎(chǔ)是對現(xiàn)實世界中交直流配電網(wǎng)的可視化，其中的關(guān)鍵技術(shù)就是對配電網(wǎng)內(nèi)設(shè)備的數(shù)字化物理建模。對設(shè)備的精細(xì)化建模是對于系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測，從而實現(xiàn)狀態(tài)診斷。文獻(xiàn)提出離散數(shù)字孿生、復(fù)合數(shù)字孿生及組織數(shù)字孿生等概念，通過對關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行離散數(shù)字化建模，建立設(shè)備數(shù)字孿生庫，然后根據(jù)設(shè)備結(jié)構(gòu)通過復(fù)合組織對關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行數(shù)字化建模。2.2技術(shù)交直流配電網(wǎng)數(shù)字孿生系統(tǒng)要實現(xiàn)對物理世界交直流配電網(wǎng)的實時（準(zhǔn)實時）感知，需要高速率、低延時的網(wǎng)絡(luò)支持。交直流配電網(wǎng)中設(shè)備種類及數(shù)量較多，應(yīng)用中的網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)根據(jù)不同業(yè)務(wù)應(yīng)用對用戶數(shù)、寬帶的要求，將物理網(wǎng)絡(luò)切成多張相互獨立的邏輯網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)端到端的

6、數(shù)據(jù)傳輸。文獻(xiàn)指出，在堅強智能電網(wǎng)的深化建設(shè)與泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展中，第代移動通信技術(shù)因具有高帶寬、高容量、高可靠性、低延時、低功耗的特點，將成為引領(lǐng)和支撐電力系統(tǒng)技術(shù)創(chuàng)新、實現(xiàn)萬物互聯(lián)的關(guān)鍵技術(shù)。電力系統(tǒng)自身運行的特點以及對通信的要求決定了通信技術(shù)在繼電保護(hù)、實時通信等特定領(lǐng)域能夠發(fā)揮關(guān)鍵作用。2.3大數(shù)據(jù)分析美國公司利用數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)和其他智能電表采集結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)（包括居民用電、工業(yè)用電、建筑群用電數(shù)據(jù)等），建立能量數(shù)據(jù)平臺，能夠全面分析多維動態(tài)綜合的配電網(wǎng)特征，用于指導(dǎo)需求側(cè)響應(yīng)、動態(tài)電價變化匹配、電動汽車管理、資產(chǎn)監(jiān)測和停電監(jiān)測、用電客戶分區(qū)、電壓優(yōu)化和可再生能源接

7、入問題。這一平臺已經(jīng)在美國部分地區(qū)電力公司得到應(yīng)用。2.4物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)是指通過各種信息傳感器、射頻識別技術(shù)、全球定位系統(tǒng)、紅外感應(yīng)器、激光掃描器等各種裝置與技術(shù)，實時采集任何需要監(jiān)控、連接、互動的物體或過程，采集設(shè)備及外界各種需要的信息，通過各類可能的網(wǎng)絡(luò)接入，實現(xiàn)物與物、物與人的泛在連接，以及對物品和過程的智能化感知、識別和管理。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是實現(xiàn)交直流配電網(wǎng)數(shù)字孿生系統(tǒng)的關(guān)鍵一環(huán)，文獻(xiàn)利用電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，研制了配電設(shè)備智能診斷分析系統(tǒng)，及時預(yù)警低壓故障并確定故障位置，并能實現(xiàn)電纜終端頭的接觸式測溫；文獻(xiàn)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在配電網(wǎng)中的應(yīng)用和大數(shù)據(jù)平臺的數(shù)據(jù)分析功能，實現(xiàn)了配電網(wǎng)的故障斷線識別。

8、因此物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也是實現(xiàn)交直流配電網(wǎng)精益化管理及其高級功能實現(xiàn)的基礎(chǔ)。3數(shù)字孿生對透明電網(wǎng)的支撐以及未來發(fā)展的建議3.1數(shù)字孿生對透明電網(wǎng)的支撐2018年月日，在2018鹽城綠色智慧能源大會上，中國工程院院士李立浧提出了“透明電網(wǎng)”的概念，而交直流配電網(wǎng)數(shù)字孿生系統(tǒng)在一定程度上體現(xiàn)了“透明電網(wǎng)”的理念，將現(xiàn)實世界中的交直流配電網(wǎng)在計算機(jī)中數(shù)字虛擬化，并建立兩者的深度融合，實現(xiàn)雙向?qū)崟r互動。未來成熟的交直流配電網(wǎng)數(shù)字孿生系統(tǒng)將具備交直流配電網(wǎng)狀態(tài)全面感知、信息深度透明、設(shè)備靈活可控、運行高度智能、維護(hù)簡單便捷、隱私充分保護(hù)、風(fēng)險有力趨零等功能；同時可通過自身對物理世界交直流配電網(wǎng)的深度感知，為電網(wǎng)

9、管理者在宏觀分析、頂層分析、基建決策等方面提供參考，為用戶在用戶用電體驗、用戶用電決策等方面提供幫助。3.2對策建議交直流配電網(wǎng)中接入大量分布式能源、電動汽車等負(fù)荷，交直流配電網(wǎng)數(shù)字孿生系統(tǒng)對區(qū)域內(nèi)設(shè)備及負(fù)荷進(jìn)行數(shù)字化映射，通過、大數(shù)據(jù)處理、邊緣計算等技術(shù)進(jìn)行更為精確的負(fù)荷預(yù)測等，以保證交直流配電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)高效運行。然而交直流配電網(wǎng)數(shù)字孿生系統(tǒng)的應(yīng)用發(fā)展過程中，仍有以下問題需要解決：（1）加強頂層設(shè)計，制訂交直流配電網(wǎng)數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)。交直流配電網(wǎng)數(shù)字孿生系統(tǒng)集成多學(xué)科、多前沿技術(shù)，且系統(tǒng)內(nèi)涉及眾多設(shè)備電氣、環(huán)境等數(shù)據(jù)信息采集，數(shù)據(jù)量較大，因此需明確系統(tǒng)層級架構(gòu)，如數(shù)據(jù)接入層、數(shù)據(jù)庫管理層、數(shù)據(jù)庫處理層、系統(tǒng)功能層及系統(tǒng)展示層，便于交直流配電網(wǎng)數(shù)字孿生系統(tǒng)后期管理及高級功能開發(fā)。（2）建立數(shù)字孿生應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，培育產(chǎn)