為什么新電力離不開數字化?

利用傳感器、物聯網、大數據、人工智能等技術，結合數字孿生技術，實現對電網的全面監(jiān)測和管理。收集實時數據幫助分析電網中的各種變量：電壓、電流、溫度、功率等，將及時發(fā)現潛在問題并采取措施。

主要應用包括：

當數字孿生電網檢測到電網某個部件的電流過大時，它可以發(fā)出警報并建議進行檢修或更換。模擬電網的運行狀態(tài)，及時發(fā)現故障并進行診斷。

收集大量的電網數據，從而預測未來的負荷需求，當數字孿生電網發(fā)現某個電站的發(fā)電效率較低時，可以自主調整發(fā)電機的參數以優(yōu)化發(fā)電效率。數字孿生電網可以模擬電網的運行狀態(tài)，并通過人工智能技術對其進行優(yōu)化和控制。

如上圖所示，多維度、實時的、動態(tài)呈現虛擬電廠接入的各類負荷資源（如小水電、太陽能發(fā)電機組、路燈照明系統(tǒng)、商業(yè)樓宇空調、工業(yè)企業(yè)用能設備、5G 基站、岸電資源等）運行實時狀態(tài)與技術參數變化趨勢；展示虛擬電廠運營調度過程以及評估指標信息展示虛擬電廠各類負荷資源技術參數變化趨勢，以可視化技術全面支撐虛擬電廠經營決策。

建立一個數字孿生模型――虛擬電廠，模擬真實電網的運行狀態(tài)和行為。在電網中部署傳感器和監(jiān)測設備，如智能計量表、電流傳感器、溫度傳感器等。將收集到的數據需要進行分析和處理，實現智能控制和優(yōu)化。再利用數字孿生模型和實時數據，建立智能控制系統(tǒng)，實現電網的負載預測和優(yōu)化的智能控制。

虛擬電廠接入的負荷資源中包括充電站充電系統(tǒng)，此頁面通過數據采集，實時的、動態(tài)的展示充電系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測，包括設備當日充電放電量，設備功率以及各設備在線狀態(tài)信息。其中調控電量信息圖可展示計劃目標調控電量以及實際調控電量。通過實時計算電量偏差率，業(yè)務人員可直觀查看虛擬電廠調控電量業(yè)務內容，做到實時性，直觀性，便捷性。

負控執(zhí)行業(yè)務部分內容主要記錄各年份負荷調控執(zhí)行記錄，通過高效，流暢，簡潔，美觀的設計頁面來展示。全面掌握負荷控制執(zhí)行情況，包括負荷實時監(jiān)測、負荷壓降結果分析等。負荷實時監(jiān)測是指在負荷控制執(zhí)行過程中，總部對各網省的實際負荷曲線、基準負荷曲線、目標負荷曲線、控制命令執(zhí)行情況進行監(jiān)測。

數字孿生智慧變電站的出現改變著傳統(tǒng)變電站運維模式，實現變電站智能化、綠色化的轉變，加快構建“無人值守+集中管控”的變電運維新模式的轉型升級，亦推進了智慧電網的發(fā)展。

今天將Hightopo輕量化的 3D 可視化場景，建立動態(tài)的數字化變電站模型，數字孿生變電站可視化系統(tǒng)。多維度呈現變電站運維場景，實現變電站運行狀態(tài)實時監(jiān)測，運維設備、控制系統(tǒng)和信息系統(tǒng)的互聯互通。加強變電站設備的全狀態(tài)感知力與控制力，增強變電站安全生產保障能力，提高運檢精益管理水平。

通過 3D 可視化技術，展示電壓互感器和電流互感器供電的全部回路走向，結合科技感元素模擬電流流動效果，實現對一次設備（變壓器、斷路器、隔離開關等直接用于生產和使用電能的設備）運行工況的監(jiān)視、測量、控制及調節(jié)等。

通過三維虛擬仿真的變壓器組裝動畫，介紹變壓器設備的工作原理以及裝配過程，直觀展示變壓器主要部件的構成及安裝位置，配以文字說明介紹其主要特性，逼真且具有科技感帶入。由 HT 自主研發(fā)的這套 3D 可視化系統(tǒng)，可作為變壓器現場安裝及維護工作的仿真培訓資料，高效而又靈便的實現新員工的變壓器工作原理教學。

數字孿生正在運行的火力發(fā)電廠，搭建數字化運營平臺，對發(fā)電廠進行工廠式精細化的數字化管理，提升企業(yè)對整個發(fā)電廠業(yè)務進行數字化管理能力。

基于 UWB 定位基站或其他定位硬件基礎，在三維場景中實現廠內員工實時定位可視化功能。在集控中心部署可視化管理系統(tǒng)，管理人員可以實時監(jiān)控廠區(qū)在崗人員的位置，通過場景交互可以直觀地查看員工信息、聯系方式、行動軌跡等數據。

可視化搭建火力發(fā)電廠復雜環(huán)境下無死角全覆蓋可視化場景，深度開發(fā)應用智能發(fā)電控制技術，提升發(fā)電企業(yè)智慧管控、智能運行、智能安全監(jiān)控、智能分析與遠程診斷等綜合能力，構建面向未來的智慧燃煤發(fā)電創(chuàng)新管理運營模式。

廠區(qū)三維場景中，在室內和室外設置了視頻監(jiān)控點位，以明顯的圖標展示其位置。本案例采用的是支持識別人員行為的監(jiān)控設備，可對安全帽穿戴、工作服著裝、接打電話等違規(guī)行為進行捕捉與告警，并記錄在攝像頭報警記錄中。存在報警信息的監(jiān)控點位會出現明顯的告警效果，支持管理者及時點擊查看實時監(jiān)控影像以及抓拍記錄。集成各類子系統(tǒng)的設備告警信息，在可視化系統(tǒng)中展示所有的告警信息。

在新型電力系統(tǒng)下，電網運行逐漸呈現智能化、數字化的特點。發(fā)展“源網荷儲一體化”運行急需“云大物移智鏈邊”其中的云計算、大數據、電力物聯網、邊緣計算等技術手段，讓電網系統(tǒng)配備擁有海量數據處理分析、高度智能化決策等能力的云端解決方案。從而實現各類能源資源整合、打通能源多環(huán)節(jié)間的壁壘，讓“源網荷儲”各要素真正做到友好協(xié)同。

將 Web 智慧“雙碳”微電網場景進行數字孿生，有效實現源網荷儲一體化管控。整體場景采用了輕量化建模的方式，重點圍繞智慧園區(qū)電網聯通中的源、網、荷、儲四方面的設備和建筑進行建模還原，為用戶帶來“賽博朋克”的視覺體驗。采用輕量化重新建模的方式，設計師就有“設計”的發(fā)揮空間，展現更多美學創(chuàng)意。支持 360 度觀察虛擬園區(qū)內源網荷儲每個環(huán)節(jié)的動態(tài)數據。

通過完整復現的園區(qū)能量系統(tǒng)，實現分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)、太陽能+空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的綜合管控。通過智慧能源管理系統(tǒng)，實現建筑能效管理、綜合節(jié)能管理和“源網荷儲”協(xié)同運行。

2020年我國能源消費產生的二氧化碳排放中，電力行業(yè)占能源行業(yè)二氧化碳排放總量的42.5%左右 ，電力行業(yè)的碳達峰、碳中和進度將直接影響整個碳達峰、碳中和目標實現的進程。 因此，大規(guī)模接入新能源、限制化石能源總量，構建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，是實現清潔低碳安全高效能源體系的必要手段。

新型電力系統(tǒng)中，電源、電網、儲能、負荷（源網儲荷）各個環(huán)節(jié)相互耦合，使得電力系統(tǒng)的分析必須由過去孤立分析方式，向各個環(huán)節(jié)的協(xié)同分析轉變。因此， 構建數字電網，形成以數據為核心的生產要素，推進電能、風能、太陽能等多種能量流和由數據構成的信息流的深度融合，打通源網儲荷各個環(huán)節(jié)，實現多能源網的協(xié)同互動，是電力系統(tǒng)對國家實現碳達峰、碳中和目標提供主動支撐的有效途徑。

深入發(fā)展電網數字化將有力地推進新型電力系統(tǒng)的建設： 一方面， 數字電網將使得數據采集終端在數量上越來越多、在類型上越來越廣，使得數據在數量和類型上大大增加。同時，各種跨域、跨業(yè)務數據系統(tǒng)之間的壁壘逐漸被打破，不同數據系統(tǒng)之間的數據共享為跨域、跨業(yè)務數據分析提供了廣泛的數據基礎； 另一方面， 數字電網的建設將催生更加有效的數據處理技術。邊緣計算、云計算、人工智能等新一代數字技術的發(fā)展，將為新型電力系統(tǒng)中的不同場景、不同領域、不同業(yè)務提供更加有力的技術支撐。

在此背景下，如何有效獲取大量數據，并對其進行關聯和綜合分析，實現對新型電力系統(tǒng)中各個環(huán)節(jié)各類場景的準確、統(tǒng)一和全面感知（即數據融合），是電網 可觀、可測、可控 的重要手段。

新型電力系統(tǒng)中的數據融合主要包括三個關鍵步驟： 第一，數據采集層面， 通過廣泛部署小微傳感、芯片化智能終端和智能網關，采集大量數據，為電網的全面感知提供有效的數據基礎； 第二，數據處理方面， 通過充分發(fā)揮運用數據融合技術，充分挖掘數據間的關聯性，實現數據間的補充和增強，增強新型電力系統(tǒng)中萬物互聯和全面感知的能力； 第三，數據應用方面， 通過跨領域、跨業(yè)務數據系統(tǒng)之間的數據共享，加速實現電網狀態(tài)、設備狀態(tài)、交易狀態(tài)、管理狀態(tài)的全面透明。

新型電力系統(tǒng)中，數據融合有利于對目標進行精確感知，從而實現電網的 全面可觀： 數據融合從多種維度對同一目標進行感知，使得被感知目標全面可觀； 精確可測： 單一數據表征的信息有限，一定程度限制了目標感知的精確性，數據融合通過數據之間的補充和增強，實現被感知目標的精確可測； 高度可控： 對被感知目標的全面可觀和精確可測，使得目標越發(fā)“透明”，有利于實現其高度可控。

新型電力系統(tǒng)中，數據融合有利于實現源網儲荷各個環(huán)節(jié)的協(xié)同， 從而能統(tǒng)籌好新能源與電力保障的關系： 風光等新能源發(fā)電具有較強的隨機性、波動性和間歇性，在目前技術條件下可能出現因其波動性導致的電力支撐能力不足問題，且新能源發(fā)電對極端天氣的耐受能力相對脆弱。數據融合通過電網和新能源之間的協(xié)同運行，使電網及時做出相應措施應對新能源的不穩(wěn)定性，保障電力持續(xù)穩(wěn)定輸出； 統(tǒng)籌好新能源與電網安全的關系： 新型電力系統(tǒng)中，源網儲荷各環(huán)節(jié)高度電力電子化，電網將呈現低轉動慣量、寬頻域振蕩等新的動態(tài)特征，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題更加復雜。數據融合通過多能源之間的融合，準確把握新型電力系統(tǒng)的運行特性； 統(tǒng)籌好新能源與電能供應經濟性的關系： 新能源能量密度小、發(fā)電年利用小時數低，且大型新能源基地通常遠離負荷中心，為保障高比例新能源并網消納、系統(tǒng)安全與可靠供電，總體上新型電力系統(tǒng)建設和運營成本將上升。數據融合通過統(tǒng)籌系統(tǒng)可靠安全供電和經濟性之間的關系，結合電價趨勢分析，推動電源側降本增效，用戶側節(jié)能提效。

（董旭柱系武漢大學電氣與自動化學院院長，姚森敬系南方電網數字電網研究院有限公司新型電力系統(tǒng)數字化技術研究所所長）

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