数字孪生在电力行业应用1.1 数字孪生电力系统发展现状工业 4.0 研究院的分析显示，电网行业具有价值较高、技术要求不复杂等特点，非常适合作为数字孪生应用的先导性场景部分电力企业虽然引入了数字孪生技术，但主要应用在发电厂和配电厂的数字孪生化，简单讲即为可视化，其他场景的应用存在各种各样的问题， 并未形成全局和全生命周期的应用从我国主要的电力公司推进数字化转型和数字孪生的情况上来看，大部分公司都没有形成公司级别的战略和规划，更谈不上形成全局和全生命周期的数字孪生，这不利于数字孪生技术在电网领域的应用和普及具体来讲，目前电网行业主要有三方面的挑战：一是缺乏理论支撑对于什么是数字孪生电网缺乏系统和统一的认知，甚至有时候还是互相矛盾的说法，其知识大都来自于国防领域或航空航天，并不适合电网这样的模块化特征较为明显的领域二是缺乏系统的规划多家电网公司的调研显示，各家公司大都采用供应商提供的资料做规划，因此往往陷入供应商埋下的坑中，难以响应企业经营中创新的需要三是现有技术风险巨大从各电网公司采用的数字孪生解决方案来看，大部分采用了游戏引擎（例如 Unity、UE 等）和消费互联网技术（例如数据中台等），这在解决管理信息化方面能起到一定作用，- 18 -但不太容易满足电网公司精细化或精准化管理等高级需求。
1.2 数字孪生电力系统技术架构数字孪生电力生态系统总体架构包含基础层、数据层、应用层其中数据层包括感知层、传输层和平台层（图 5-1）图 5-1 数字孪生电力系统参考技术架构基础层：以物联网电厂、输电、变电站、配电、楼宇空间等底层基础设施为依托，实现真实空间与虚拟空间之间的双向数据互通、指令控制、虚实联动感知层：以高精度、高灵敏的 PLC、SCADA、表计、ZIGBEE 等传感器系统为实现数字孪生电力系统的基础和万物互联感知的入口， 通过采用这些系统实现了从虚拟电网对物理电网的全息复制和动态调整传输层：异构通信技术，数字孪生系统面临多系统、大连接、海 量数据的双向传输需求，要利用宽带（4G/5G/GPRS/NB-IoT）、窄带（RS-485/M-Bus/HPLC/Lora/RF/Ethernet）等新型异构网络技术实现高速率、高容量、低时延接入，确保物理电网海量传感器接入要求和 虚拟电网精准控制指令的传达要求平台层：数字孪生模型构建与自我优化依赖全域全量的电网数据， 通过数据中台的数据的存储、检索和大数据分析能力实现超大规模全 量多源数据的安全存储、高效读取、为数字孪生平台优化决策提供精 细的数据要素。
应用层：基于数字孪生技术对电力系统主要设备、厂站与环境精 细三维全景仿真，实现与采集数据实时交互，实现在智慧输电、智慧 园区、智慧电厂等各个应用场景中动态融合展示设备与关键传感数据应用从超级可视化到实时诊断、智能预测、应急预案等多场景中1.3 数字孪生电力系统典型应用场景1. 电网状态环境可视化监控应用基于数字孪生技术对电网主要设备、厂站与环境精细三维全景仿真，实现与采集数据实时交互，能够在仿真场景中动态融合展示设备与关键传感数据通过在厂站内部署的视频网络和传感器网络，实时 反馈环境变化、并进行实时分析2. 电网设备远程智能巡视应用使用物联网智能感知技术对众多关键测点进行监测，既能够增加巡检效率，又能够节约人力成本3. 远程故障诊断及辅助决策应用目前电网各环节监控数据尚未统一集中上送至国网总部，各省公司亦无法全面汇集所辖设备信息，从而无法及时开展设备预警预控和快速分析因此要实现远程故障诊断，通过全面的数据调用和专家团队集中决策，大幅提高故障诊断和后续处理的及时性和准确性4. 电网智能预警及状态检修应用在以往的实际生产中，大部分管理人员根据已有的经验对设备异常和故障做出判断，然而这种主观的认知并不能十分准确的反应设备状态变化。
通过对设备运行数据的实时监测，来智能评估设备运行状态，提前预警并提出预防措施，防止出现危及系统及设备的严重故障， 也有助于科学合理的制定检修计划5. 电网设备仿真培训应用通过三维动画演示开展电力系统的检修指导及培训，不断提高检修人员的技术水平6. 安全作业管控应用通过和三维空间位置信息的结合，进而实现对人员、设备、车辆的安全作业管控依托业务中台安全域的两票管理、安全风险、安全 评价等中心的服务，进行工作票的全过程安全管控和作业风险提前识别；同时结合现场传感设备，进行现场作业过程的状态感知和状态快速分析，实现作业计划管控、作业风险评估等功能7. 电网生产业务管控应用采用桌面终端、移动终端等方式，为业务管理、日常管控、辅 助决策提供统一的融合平台1.4 数字孪生电力系统典型应用案例（一）1. 开发公司介绍山西虚拟现实产业技术研究院成立于 2019 年 11 月，不断促进数字科技创新与经济社会发展的深度融合，致力于推动数字孪生、虚拟 现实等数字科技新基础设施建设公司坚持社会经济发展需求为科技创新导向，突出服务科技创新和引导产业发展，聚合高校优势学科平台和科研带头人、企业创新中心和科研院所研发力量、国际一流创新 成果，目标实现数字孪生与虚拟现实产业引领和推动机构、国内一流新型研发机构、区域产业结构转型升级示范机构、有力担当就业税收等社会责任机构。
2. 案例概述电力系统是由发、输、变、配、用各环节组成的一个整体，电力的生产、输送、分配和消费是在同一时间进行的，因此电力系统对安全稳定运行的要求非常高由于电力系统规模大、设备种类多、专业分工细，对发电、供电、电建从业员工的要求特别严格，持续的电力安全生产、作业技能职业教育培训意义重大；而传统的电力职业教育培训方式不可能利用实际运行设备进行，因此学员缺乏真实体验感如何克服场地、设备、时空等各种限制，寻求一种安全并且有效的培训方法，是电力职业教育培训多年来不断探索的方向学员培训本质上是关于安全生产知识和作业技能学习的教学过程如何运用信息化手段，把物联网、云计算、人工智能、VR 虚拟现实等先进的技术应用于教学训练，发挥教育技术对教育效果的提升作用，虚实结合进行演练，并不断研究电力的生产、输送、分配和消 费中可能出现的、复杂多变的情况，使学员综合素质在多层次得到锤 炼，促进学员由知识向能力的转化，意义重大，也是当前电力职业教 育信息化建设的重要课题图 5-2 系统第一视角3. 应用场景（1） 资源互联互通统一大平台基础上，电力企业省级机构总体部署规划平台资源， 各分支机构资源既可分别管理又可共享互通。
2） 统一教育培训云服务平台实现统一升级、统一维护，统一培训/考核标准，通过高效率、低成本运营，保障大规模常态化应用；并为电力企业与下属分支机构培训管理者，提供便捷化的教育培训管理和科学决策图 5-3 模拟训练系统界面（3） 全新教育培训方式通过 VR 技术及互联网 IT 技术在教育及训练中的应用，从而全面提高一线工人的专业知识和施工作业技能，促进职工素质的全面提 升4. 案例总结图 5-4XRTM 教育培训安全仓平台按照省、市两级部署，由专有的运营服务平台和运维服务平台提供统一支撑，面向第三方教育厂商和各分支机构开放，旨在打造 覆盖全省、多地分布、互联互通互动的教育培训云服务体系围绕“ XRTM 教育培训云平台”、“XRTM 教育培训安全仓”“大数据中心”、“资源中心”，以学员和培训管理部门为服务对象，最终形成智慧学习生态体系，促进电力企业员工整体教育质量的提升1.5 数字孪生电力系统典型应用案例（二）1. 开发公司简介该案例同样由山西虚拟现实产业技术研究院主导开发2. 案例概述数字孪生智慧电力园区平台，实现生产调度电力园区的重点功能 区域重点设备的电流电压、水浸、温湿度、烟雾等的数据采集和集中 处理。
通过对系统中各类指标阈值设定和关联大数据分析处理，实现 安全预警、事件报警、事件精准定位和事件应急方案提示在配电系 统，通过采集进出线的电压、电流、中性线电流、频率、有功功率、无功功率、功率因数等指标，对过流过压进行报警，实现供配电系统 的安全预警通过对采集的数据进行数据分析，包括三相不平衡分析， 谐波分析和负荷率计算等，实现供配电平稳运行通过对重点机房、功能区域以及公共区域的实时水浸监测，管路水压、水流实时监测， 及时发现漏水、管裂、管爆事件，实现快速定位事件发生位置，及时 防范灾难性事件发生通过对关键功能区域的温湿度指标的实时监测，及时推定可能事件的发生，如空调失效、门窗破损，雨水灌入等事件， 以保护设备环境通过对关键功能区域烟雾、空气质量的监测，提前预警，保护作 业人员的人身安全，并根据大数据关联性分析，提醒值班人员可能的事件类型，与其他传感器的警示相互印证；并在其他传感器存在可能失效的情况下提供事故预警的高一级防线3. 应用场景（1） 配电系统管理实时展示变配电系统结构、三维电气拓扑图；以图形方式展示模 拟量、开关量实时数据，动态展示设备通信状态，支持远程配置阈值， 可实时上报故障、越限、通信事件，支持声音和语音报警，可以各种 动画效果展示；实时监测变配电回路三相温度、高温报警、过流告警、过功率告警等信号，并进行变压器和单个回路的负荷率以及损耗率的 统计分析；谐波精准监测。
精确测量到从基波到第 31 次的奇偶次电压电流谐波含量，实时反映非线性负荷对变压器的损耗影响，及时发 现异常用能和能源损耗，提醒用户及时干预图 5-5 配电系统管理（2） 实时数据展示关联了展示要求，在查看某项数据和报警时，能够方便查看该项数据相关联设备数据或运行状况监控系统采用了 3D 图：在空间结构上，能够展现监控对象所在的楼宇、楼层及房间；在逻辑结构上， 能够按照不同子系统来分别呈现当发生故障时，报警事件可以直观地在 3D 界面上显示相应的效果具备按照房间或类型为划分的区域告警，可准确显示告警地点、告警内容及告警等级能够直观显示各类被监控基础设施的实时数据和状态信息3） 异常报警图 5-6 实时数据展示实现系统内所有事件统一告警，并具备多种告警方式系统具备完整的告警事件查询功能，查询方式应该灵活多样，允许用户根据不同的组合条件对告警事件进行查询，查询结果包含每一条告警事件的告警时间、地点、告警设备、告警内容、确认人等信息系统可对所有报警事件进行判断，分析各报警事件的因果关系， 通过预先设定的逻辑关系，屏蔽部分报警事件，减少突发性事件带来的误报警和容量冲击，实现准确定位事件根源，从而提高了管理人员的工作效率，设置过滤组可对过滤时间、过滤条件，以及过滤报警的描述进行设置。
4） 实时运行监控实时展示变配电系统结构、电气主接线图；以图形方式展示模拟量、开关量实时数据，动态展示设备通信状态，支持遥控、遥调和置数，可实时上报故障、越限、通信事件，支持声音和语音报警，可以各种动画效果展示实时监测变压器三相温度、高温报警、故障等信号，并进行负荷率以及损耗率的统计分析实时监测动环系统参数，如温湿度、烟雾、水浸探测等。