数字孪生技术在交直流配电网的应用研究

1、数字孪生技术在交直流配电网的应用研究摘要：数字孪生在交直流配电网的应用是未来配电网数字化发展的一个重点方向。首先在面向交直流配电电网的数字孪生技术需求方面进行分析；接着探讨了数字孪生在交直流配电网的主要作用和在新能源消纳、运行优化等方面的价值；然后提出交直流配电网数字孪生系统的应用架构，进而分析交直流配电网数字孪生系统在应用过程中的关键技术；最后阐述了数字孪生对未来透明电网的支撑及其未来发展的对策建议。关键词：交直流配电网；数字孪生；全生命周期；运维分析0引言目前，交直流配电网的建设开展虽然较多，但随着配电网的数字化转型，交直流配电网数字孪生系统将具有巨大的应用空间。基于此，本文宏观分析发展交

2、直流配电网的优势，在技术层面分析交直流配电网数字孪生系统发展的可能性；主要探讨数字孪生在交直流配电网的主要作用及其在配电网运营管理、数字化代运维和新能源消纳3个方面的价值；提出交直流配电网数字孪生的应用架构，分析交直流配电网数字孪生系统应用的关键技术；最后对未来交直流配电网数字孪生系统的前景进行展望。1面向交直流配电电网的数字孪生技术的需求分析1.1宏观需求分析随着分布式电源的发展，越来多的分布式电源接入配电网中，但是光伏电源、储能单元产生的电能大部分为直流电，常用的电气设备及大型直流负荷，如计算机、空调设备、制冷设备、电动汽车等大部分设备在直流电状态下工作，直接采用直流供电，减少变流环节，提

3、高配电的电能利用率及经济性。直流配电网在供电容量、线路损耗、电能质量、无功补偿以及适于范围等方面都明显优于交流配电网。但是目前，一方面交流配电技术成熟，市场成熟，另一方面，柔性直流配电技术仍处于起步阶段，在实际应用中仍有问题待进一步的研发解决，例如根据城市发展规划和资源特点如何利用好柔性直流配电网的技术优势，如何保证整个系统的稳定运行，柔性直流配电网的运行方式进一步细化等；因此，本文认为发展交直流配电网是交流配电网向直流配电网过渡的一个阶段。现阶段国内交直流示范工程方面取得较大进展。2019年12月26日，张北柔性变电站及交直流配电网科技示范工程完成全部试验和试运行考验，标志着世界首个基于柔性

4、变电站的交直流配电网正式投入商业运行。1.2技术需求分析为落实关于推进“互联网”智慧能源发展的指导意见，有效促进能源和信息深度融合，推动能源领域结构性改革，国家能源局提出“互联网”智慧能源战略，借助现代信息技术提供互联互通、透明开放、互惠共享的信息网络平台，打破现有能源“产、输、配、用”之间的不对称信息格局，推进能源生产与消费模式革命，重构能源行业生态。该战略的落地实施要求能源系统实施数字化深度转型，运用新的技术手段助力数字化转型成为亟需。全球最具权威的研究与顾问咨询公司连续在2016和2017年将数字孪生列为当年十大战略科技发展趋势。2交直流配电网数字孪生架构及关键技术2.1数字化物理建模技

5、术交直流数字孪生系统的首要基础是对现实世界中交直流配电网的可视化，其中的关键技术就是对配电网内设备的数字化物理建模。对设备的精细化建模是对于系统设备进行状态监测，从而实现状态诊断。文献提出离散数字孪生、复合数字孪生及组织数字孪生等概念，通过对关键设备进行离散数字化建模，建立设备数字孪生库，然后根据设备结构通过复合组织对关键设备进行数字化建模。2.2技术交直流配电网数字孪生系统要实现对物理世界交直流配电网的实时（准实时）感知，需要高速率、低延时的网络支持。交直流配电网中设备种类及数量较多，应用中的网络切片技术根据不同业务应用对用户数、宽带的要求，将物理网络切成多张相互独立的逻辑网络，实现端到端的

6、数据传输。文献指出，在坚强智能电网的深化建设与泛在电力物联网的快速发展中，第代移动通信技术因具有高带宽、高容量、高可靠性、低延时、低功耗的特点，将成为引领和支撑电力系统技术创新、实现万物互联的关键技术。电力系统自身运行的特点以及对通信的要求决定了通信技术在继电保护、实时通信等特定领域能够发挥关键作用。2.3大数据分析美国公司利用数据采集与监视控制系统和其他智能电表采集结构化和非结构化数据（包括居民用电、工业用电、建筑群用电数据等），建立能量数据平台，能够全面分析多维动态综合的配电网特征，用于指导需求侧响应、动态电价变化匹配、电动汽车管理、资产监测和停电监测、用电客户分区、电压优化和可再生能源接

7、入问题。这一平台已经在美国部分地区电力公司得到应用。2.4物联网技术物联网是指通过各种信息传感器、射频识别技术、全球定位系统、红外感应器、激光扫描器等各种装置与技术，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程，采集设备及外界各种需要的信息，通过各类可能的网络接入，实现物与物、物与人的泛在连接，以及对物品和过程的智能化感知、识别和管理。物联网技术是实现交直流配电网数字孪生系统的关键一环，文献利用电力物联网技术，研制了配电设备智能诊断分析系统，及时预警低压故障并确定故障位置，并能实现电缆终端头的接触式测温；文献利用物联网技术在配电网中的应用和大数据平台的数据分析功能，实现了配电网的故障断线识别。

8、因此物联网技术也是实现交直流配电网精益化管理及其高级功能实现的基础。3数字孪生对透明电网的支撑以及未来发展的建议3.1数字孪生对透明电网的支撑2018年月日，在2018盐城绿色智慧能源大会上，中国工程院院士李立浧提出了“透明电网”的概念，而交直流配电网数字孪生系统在一定程度上体现了“透明电网”的理念，将现实世界中的交直流配电网在计算机中数字虚拟化，并建立两者的深度融合，实现双向实时互动。未来成熟的交直流配电网数字孪生系统将具备交直流配电网状态全面感知、信息深度透明、设备灵活可控、运行高度智能、维护简单便捷、隐私充分保护、风险有力趋零等功能；同时可通过自身对物理世界交直流配电网的深度感知，为电网

9、管理者在宏观分析、顶层分析、基建决策等方面提供参考，为用户在用户用电体验、用户用电决策等方面提供帮助。3.2对策建议交直流配电网中接入大量分布式能源、电动汽车等负荷，交直流配电网数字孪生系统对区域内设备及负荷进行数字化映射，通过、大数据处理、边缘计算等技术进行更为精确的负荷预测等，以保证交直流配电网的经济高效运行。然而交直流配电网数字孪生系统的应用发展过程中，仍有以下问题需要解决：（1）加强顶层设计，制订交直流配电网数字孪生系统架构。交直流配电网数字孪生系统集成多学科、多前沿技术，且系统内涉及众多设备电气、环境等数据信息采集，数据量较大，因此需明确系统层级架构，如数据接入层、数据库管理层、数据库处理层、系统功能层及系统展示层，便于交直流配电网数字孪生系统后期管理及高级功能开发。（2）建立数字孪生应用标准，培育产