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创新视点丨数字孪生电网技术应用、发展现状及趋势

2022-06-17 17:26来源:南网技术情报中心关键词:数字孪生微电网新型电力系统收藏点赞

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数字孪生技术引入到电网,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,数字孪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。本栏目阐述数字孪生电网技术应用情况,列举数字孪生电网国内工程应用案例,概述数字孪生电网国外发展现状,总结数字孪生电网面临的挑战和发展趋势,可为相关技术研究和应用实践提供参考。

一、数字孪生电网技术典型应用方向

>>电力设备智能运维

(1)多维信息的可视化展示

采用三维建模和可视化技术,根据变电站设计CAD图、鸟瞰图、设备三维图等资料进行设备外观建模,多维度呈现变电站运维场景,实现变电站运行状态实时监控。

(2)设备缺陷/故障的多参数智能诊断和定位

仿真模型、数据分析和人工智能融合驱动实现设备故障隐患辨识和定位。

构建变压器数字孪生模型,模拟变压器在不同运行断面、不同故障条件下的匝间短路故障,选取绕组电流、环境温度、流油温度和油箱壁温度等参数,建立基于电热孪生数据驱动的变压器匝间短路智能辨识模型。

构建GIL数字孪生体,依次在不同位置设置局放源,仿真得到GIL中任意位置发生同时成光信号的传播分布状态,结合人工智能算法建立多个传感数据与局放位置的映射关系。实际应用中,可以借助GIL局放源光学检测来实现高精度定位。

(3)数字孪生模型实现设备关键状态精准监测和评估

基于高保真的设备数字孪生仿真模型,对不同来源的状态监测数据进行模拟仿真反演计算或量化推演,获得设备关键状态的映射值以及内部关键状态参数的分布情况,精准评估设备部件及整体状态。

>>电网安全监视与校核

数字孪生仿真结合D5000新一代调控平台,能有效解决复杂电网模型与知识模型融合难问题,将全面释放平台批量分析、智能决策、预警预控等一系列功能优势,据此可开展立体、动态、快速、精准的电网运行安全监视与校核。

(1)日方式潮流切片安全校核

日方式静态潮流安全校核是调度计划、方式、运行岗位的基础业务,由于方式变化频繁、点多面广,一般只能针对极大、极小或典型方式开展校核,以指导方式安排或实时调度,往往导致电网运行安全而不经济、方式调整空间狭窄,而现货交易、辅助服务、新能源波动、严重故障等随机因素加剧了上述矛盾。以安稳规定电子化平台为尺子,可对电网日方式潮流批量执行切片安全校核,能够精确分析越限时点、原因。

(2)断面控制限额优化匹配

针对某一潮流方式,安稳规定电子化平台可对所有联动断面限额的搭配组合提供安全校核结果,供决策参考。在此基础上,嵌入目标指向寻优算法,可灵活、优化匹配电网运行安全边界,实现跨区大电网安全域内的优化运行自动决策。

(3)调度操作安全校核

在安稳规定电子化平台预先录入各检修方式控制限额,将其嵌入操作票预演潮流校核,每一步操作模拟执行后,自动匹配方式限额、判断越限情况,若存在越限则人工调整操作时机、顺序或操作票执行项目,形成安全的调度操作方案。基于此安全校核机制,还可开发以越限风险为约束的调度操作计划批量自动编排系统,作为未来智能调度平台的重要支撑。

(4)故障预案安全校核

针对任意故障后方式,以安稳规定电子化平台作为已知方式的安全校核工具,对设备或断面越限提供紧急控制辅助决策;以在线N-1扫描作为未知方式的补充校核工具,对进一步N-1越限提供预防控制辅助决策,据此整合成为针对预想方式故障的处置预案。

(5)电网实时运行辅助决策

安稳规定电子化平台对2000节点规模电网的分析耗时不超0.02s,在实时方式识别、快速限额匹配方面有独特优势,可作为实时调度运行辅助决策的核心监视部件。

(6)多级安稳规定风险辨识

以安稳规则中的停电方式作为预想故障,导入在线安全分析进行故障扫描,对比规则限额与在线静稳、暂稳约束等是否合理、潮流转移比关系是否准确,若规则限额或转移比异常偏大、偏小则说明可能错误。

>>无人机电力巡检

在构建的电网网格空间内,电网数字孪生北斗网格空间内的网格态势图是反映巡检无人机运行空域的环境状态和飞行器飞行状态的动态地图。

基于空间网格态势图的主要作用:①可将管制空域中大量的位置报告点、设备站等设施组成的航路点,以及连接各个航路点的航路航线组成,管控系统中包括的相应航路点的代码、坐标、航路航线代码、航线途径的航路点代码等数据,通过简单的网格编码进行表示。②还可将复杂的空域空间进行规则离散化,通过网格空间下的巡检无人机路径规划算法,如蚁群算法、遗传算法、神经网络算法、A*算法的网格化等,进而应用于巡检无人机的航线规划和编队内的多任务分配等。

>>电力项目成本核算

(1)利用数字孪生平台统一业财标准

区别于独立核算体系,数字孪生平台能够利用大数据技术,在虚拟空间中对现实中的业务进行映射,进而反映相对应的实体设备生命周期过程,并最终在系统中进行数字投影,从而使得来源于不同部门的数据能够统一标准,形成可视化图形,及时传递到财务审核部门。

(2)数字孪生平台在配网资产成本核算中的应用场景

第一,实现成本精准核算。由于电网基建工程自身的特点以及经营管理上的特殊要求,配网资产成本核算存在一定特点。在原有的核算体系下一般以各单项工程批复概算为对象分别进行成本核算,并通过批复概算的同口径对比分析投资差异。但在该核算体系下无法对所有设备进行精确化核算。通过数字孪生平台设计不同的核算标准,使得电网企业能够实时测算配网项目不同阶段的资产成本。

第二,实现差异分析及定位精细化。在配网项目成本核算数字化的推进过程中,数字孪生平台将设备相关数据进行整合,并融入标准化模型中,从而优化配网资产的偏差精确对比。

第三,资产智能定制化分析。随着我国经济发展及居民用电需求的提升,电网配网项目的建造多样化趋势凸显,电网企业项目投入预测、核定电价因成本计量难度提升而变得愈发困难。通过数字孪生平台,能够精确测算各类细分资产的成本,从而有利于对配网资产进行具体分析,其结果能为电网企业提供有效可靠的决策建议。

二、数字孪生电网国内工程应用案例

>>南网智瞰平台数字孪生技术应用

目前南网智瞰平台,累计接入地理要素超245万,管理源网荷储2000多种设备类型共1.2亿台设备设施、超10亿设备台账,接入约570亿条实时数据,实现186万配电变压器负荷精细化管理、分界点精益线损分析。上线配电网规划、九防管理、线损异常分析等9个典型应用场景,支撑配网规划、电网管理平台、智能台区等13套业务系统图形应用。

>>南方电网输电三维数字化通道

三维数字化通道,是数字输电的典型应用,以南网智瞰地图服务为基础,通过激光建模技术、模式矢量化技术开展架空线路信息建模,信息模型融合在线监测、机巡等数据。三维数字化通道,是数字输电的基础与载体,支撑线路智能验收、强化数字赋能、开展无人机自动驾驶、提升空间距离监测。

目前南方电网已完成500kV及以上线路数字化通道建设5.7万公里,500kV及以上线路外部隐患风险点安装智能终端3700余套,输电线路无人机巡视80.8万公里,机巡业务占比首次超70%。

>>海南200kV大英山数字孪生变电站

海南220kV大英山数字孪生变电站,是基于统一数字电网模型开展的物理电网“孪生”数字电网实践案例,全面融合海南数字电网平台,实现生产运行状态实时在线测量,物理设备、控制系统和信息系统的互联互通。同时贯通主配网动态拓扑,支撑全电压等级全链路的电网拓扑分析。

>>深圳供电局配电全链条数字化

深圳供电局依托南网智瞰平台,打通配电网“全链条”业务视图,实现数字化电网全景、网格化智能规划、智能化台区监控和透明化停电全过程管理,实现配电网管理全链条数字化转型。

深圳供电局配电网实现配电网状态、运行、资源等数据的全贯通。融合管理信息、自动化、在线监测和外部数据4大类数据,贯通500kV到300V的电网拓扑。业务全链条,实现规划、运行运维和客户服务的横向协同。

>>东莞松山湖数字用电示范区

松山湖数字用电示范区,利用数字孪生+物联网+云边融合技术,构建了分层级多能协同优化体系,实现多种能源形式并网运行和高效消纳。

松山湖数字用电示范区接入570个充电站、3013个充电桩,6326个光伏站点、1组冷热电联产系统、12个储能站、3个柔性负荷点、4个微网;3000+复杂并行计算模型,日处理数据超200TB;客户年平均停电时间小于2分钟,分布式清洁能源消纳率大于97%,2021年度累计减少客户用电经济损失大于600万元。

>>中国电科院变电数字孪生平台

2018年开始,中国电科院高压所设备状态评价中心团队结合变电运维业务需求,开展数字孪生技术攻关,研发变电数字孪生平台,推动电力设备智能化管理。该平台将实景三维模型和状态数据在空间中融合,利用图像和点云缺陷识别算法,结合实时变电设备状态仿真,为设备管理提供智能化解决方案。

目前,团队的技术成果形成一系列变电数字孪生应用和关键装置,研发的变电数字孪生平台已在5个省级电力公司管辖的多个换流站、变电站开展试点应用,辅助运维人员感知设备状态,推动电力设备智能化管理。

>>上海电网500kV五角场变电站数字孪生系统

2018年3月,变电站全景监视平台在500千伏五角场变电站投入使用。该平台应用数字孪生技术建立虚拟变电站三维模型,接入变电站内主控、辅控、安防等设备的探测点,实时感知采集各类状态信息。

该变电站站内的4000多个采集点、19141个信息点通过监控数据与三维数字模型的联动,实时反映实体变电站运行状态。不仅如此,数字孪生技术的二三维联动使该平台具备地形浏览、设备查询、设备告警等功能。运检人员不再需要去变电站现场,便可掌握站内各要素的运行状态。同时,平台也为变电站实现“不间断设备巡视”提供了可靠的支持,通过对设备异常及时告警延长了设备使用寿命。

>>浙江嘉兴特高压嘉湖通道数字孪生输电线路

浙江嘉兴供电公司依托国家电网科技项目“智慧输电线路全景感知能力提升关键技术研究”实施,开展特高压嘉湖通道数字孪生输电线路建设。

特高压嘉湖通道作为国网重要输电通道、华东地区密集输电通道,走廊狭长、输送容量大,承担着跨区供电的重任。“十四五”期间,随着内外部环境不断变化,传统运检模式难以适应电网发展及体制变革要求,普通巡检手段无法有效提升现场作业效率及巡视质量,亟需提升输电线路数智运维水平,实现输电线路本体状态和通道环境全景感知能力的提升以及价值深度挖掘。

>>河北电科院数字孪生电网全场景仿真验证平台

2022年2月,河北电科院数字孪生电网全场景仿真验证平台软件基础设施完成首次测试运行。

该平台目前具备激光点云、倾斜摄影、可视化三维建模能力等空间数据采集与处理能力,搭建了虚拟与现实交互融合的数据底座。随着平台功能的不断完善,在数字孪生模型库构建基础上,将承载人工智能算法模块、仿真推演模块,逐步形成数字建模、算法驱动、仿真推演、智能决策、执行控制一体化的仿真验证能力,为上层应用提供技术赋能与统一开发服务。

>>雄安新区数字孪生微电网

为提升微电网的运维工作效率,以及探索数字孪生电网与数字孪生城市相融合的技术途径,国网雄安新区供电公司基于GIS、BIM、倾斜摄影以及电力物联网等技术,在雄安新区王家寨构建了数字孪生微电网,实现了对该微电网的全景监测、状态评价等功能。

后期,该数字孪生微电网还将增加新能源出力预测、储能充放电策略优化、柔性负荷控制策略优化等功能,以加强微电网的源网荷储互动协同性,从而达到促进清洁能源消纳、减少碳排故的目的。

>>优锘科技基于数字孪生体的能源运行保障平台

为满足某大型活动的能源运行保障工作,优锘科技为用户构建了数字化、智能化、可视化的能源运行保障指挥平台,全力确保活动稳定、可靠、灵活的能源供应。

平台融合传统能源调度、传输、营销、城市运行数据、重点用户数据、新能源数据、保障指挥等数据,以能源供应保障为核心,实现活动保障相关内外部数据全接入、全覆盖、全融合。基于优偌的数字孪生平台和全栈可视化能力,重点完成了能源网架、保障指挥、节能环保、城市保障、重点用户保障五大主题应用场景。

三、数字孪生电网国外发展现状

世界各国对数字孪生技术日益重视,并将其应用于产品设计与制造、工程建设、城市管理等领域。与此同时,国外在电力系统方面也广泛开展了数字孪生技术的应用实践。

>>新加坡通过数字孪生构建新型电力系统

新加坡正在开发其电网资产的数字孪生系统,以提高电力供应的可靠性并支持清洁能源的部署。该系统包含两个关键模型,首先是用于评估电网资产健康状况的模型,以及评估新能源和新型电力消费对电网影响的模型。大规模的数字孪生建模将使新加坡政府更全面地了解该国的电网和资产状况。

该数字孪生项目目前刚刚起步,预计研发工作将于2023年完成,实际部署将逐步进行。该计划全面部署后,通过建模和仿真工具,将使新加坡能源集团能够更好地规划、运营和维护国家电网,从而以更有效和高效的方式开展实际工作。

>>挪威配电网运营商试用数字孪生电网模型

挪威配电系统运营商Tensio将对新的Kognitwin Grid数字孪生模型进行为期六个月的试验,试验目的是测试数字孪生技术在配网接入大量间断性新能源和诸如电动汽车的间断性用电负荷的表现。

为期六个月的试验对于Tensio来说非常重要,与所有挪威配网运营商一样,随着配网容量需求的上升,Tensio希望能够提高效率,迫切需要一种能够精确报告需要多少能源,并在电网受到威胁时向运营商发出警报的新工具。而数字孪生允许运营商预测电网状况、平衡电网负荷并防止停电,将帮助实现更智能、更环保和更高效的能源系统,其带来的良好的感知能力有助于更好地作出决策、运营电网和管理客户。

>>英国建设全国能源数字孪生网络以帮助脱碳

英国国家电网电力系统运营商已启动一项计划,旨在建立贯穿整个英国能源系统的数字孪生网络,以帮助实现脱碳目标。

英国国家电网在COP26行业活动中宣布,“虚拟能源系统”(VES)将复制整个英国的能源系统。通过对能源系统进行精确建模,VES将创建一个开放、统一的实时视图。这种虚拟环境将促进数据共享,从而加强系统内的情景建模和预测。

>>日立ABB电网推出数字孪生解决方案

日立ABB电网日前推出应用于高压直流换流站、静止同步补偿器(STATCOM)和电能质量领域的IdentiQ数字孪生解决方案。该方案通过高级电力驾驶舱视图提供全面的资产信息、分析和运行数据,同时用户可以根据自身需求定制电力驾驶舱视图的内容。

IdentiQ包含一个涵盖全部资产的3D交互式可视化系统,支持一键访问相关场站和设备的信息,包括工程文档、运营与维护程序、安全培训和用于监测分析的实时运行数据。IdentiQ将所有信息聚合到一个数字化站点,以便所有运营职能部门进行无缝访问,从而帮助用户提高对电网资产的管理。这也是日立ABB电网关于“数字孪生技术”愿景的核心,即在正确的时间将正确的资源和信息提供给正确的人员,优化运营并作出更明智的决策。

>>智利国家电力公司开发用于电网分析的数字孪生

2022年2月,智利国家电力公司(Coordinator)与两家加拿大公司签署合作协议,将开发用于高级电力研究的数字孪生,以分析电网的安全性和可靠性,评估大量可变可再生能源接入下系统的表现,优化目前在可再生能源大量接入的情况下用于分析电力系统的工具和模型。

与开发和销售EMTP模拟软件的PGSTech公司签署的协议主要包括:向Coordinator提供免费的高级软件许可证;支持开发国家电力系统的数字孪生在EMTP软件中用于时域中的大规模系统分析;考虑可再生能源发电、FACTS系统、HVDC、存储和其他技术的详细模型;开发提高计算性能的解决方案。

与实时仿真环境软件和硬件供应商OPAL-RT公司签署的协议包括提供HYPERSIM软件许可和培训,以及在协议有效期内无偿为仿真实验室提供实时设备。

四、数字孪生电网面临的挑战

>>数字孪生技术面临的挑战

总体而言,我国的数字孪生技术发展主要面临四大方面的挑战:

一是存在多个部门协调困难、数据采集门槛比较高、信息基础设施建设不均衡等基础问题,在应用层次上的深度不够;

二是数字孪生城市涉及到5G、大连接物联网技术、海量数据加载技术、云计算协同技术、模拟仿真技术、网络与信息安全技术等,目前技术成熟度不高,平台模型标准化滞后;

三是目前数字孪生设计软件大部分由国外企业主导,BIM软件基本上都是国外的,CIM的软件较少,GPU/FPGA芯片少有国产的,有也基本上市场占有率很低;三维渲染的时候都要用到GPU这些技术,操作系统基本上也是国外的,人工智能软件框架等市场占比都比较低;国内的传感器从技术到成本,尚不能满足全域感知部署需求;

四是数字孪生数据来源面广,接入点多,数据集中度高,集中到这个大脑上,基础设施高度依赖这些数据的运行,一旦遭遇入侵,整个系统的运行会瞬间瘫痪。

>>数字孪生技术在电网应用中面临的挑战

除了数字孪生技术自身发展面临的瓶颈,数字孪生技术在电网中的应用层面也存在诸多问题。

一方面需要突破建模仿真的理论方法和关键技术问题,为设备数字孪生提供核心技术支撑。另一方面,需要实现设备状态全面、可靠感知,为数字孪生提供更全面、更完备的基础数据:一是研究高可靠、高精度、低成本、低功耗、智能化的电力专用先进传感技术和传感器(网络);二是解决目前绝大部分传感系统实用性不强、运维工作量大、性价比低等问题;三是研发传感元件与本体一体化集成设计的智能电力设备;四是推动智能感知装置、智能设备和高效带电检测技术的广泛应用。

五、数字孪生电网发展趋势

当前,数字孪生在电网领域的应用场景还主要为“碎片化”的单点示范工程,功能上以监测为主,智能化水平较低。随着物联网、大数据、云计算、人工智能等技术的快速发展和深度融合,数字孪生电网的建设应用必将取得质的突破。未来数字孪生电网将呈现出精细化、系统化、智能化、普遍化、开放化等五个趋势。

(1)精细化

随着数字孪生电网的发展,未来电网内每一台设备,甚至是每一个部件都会有其对应的数字李生,并且贯穿于全寿命周期,以满足相关业务精细化管理的需求。

(2)系统化

未来数字孪生电网将打破原有的“碎片化”建设应用方式,会把所有设备级数字孪生、部件级数字孪生有机整合到一起,形成整个电网的数字孪生,为精准掌握整个电网的实时状态和发展趋势提供支撑。

(3)智能化

随着人工智能技术的发展,数字孪生电网的智能化水平将大幅度提升,不但能够准确预测电网的发展趋势,还能够自动做出合理的应对措施,为电网的稳定经济运行提供决策支撑。

(4)普遍化

随着物联网、大数据、人工智能等技术的日臻成熟,构建数字孪生的成本将会显著降低,数字孪生将会在电网领域得到普遍应用,并在电网的规划、建设、运营等环节发挥强有力的支撑作用。

(5)开放化

随着数字孪生城市和数字孪生电网的建设与发展,两者相互融合将成为必然趋势。数字孪生电网会呈现出较强的开放性,其将与数字孪生交通、数字孪生建筑、数字孪生水务等交叉融合,共同为数字孪生城市提供支撑。

(来源:微信公众号“南网技术情报中心” )

投稿与新闻线索:陈女士 微信/手机:13693626116 邮箱:chenchen#bjxmail.com(请将#改成@)

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