為什么新電力離不開數(shù)字化?

利用傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)，結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的全面監(jiān)測(cè)和管理。收集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)幫助分析電網(wǎng)中的各種變量：電壓、電流、溫度、功率等，將及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在問題并采取措施。

主要應(yīng)用包括：

當(dāng)數(shù)字孿生電網(wǎng)檢測(cè)到電網(wǎng)某個(gè)部件的電流過大時(shí)，它可以發(fā)出警報(bào)并建議進(jìn)行檢修或更換。模擬電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并進(jìn)行診斷。

收集大量的電網(wǎng)數(shù)據(jù)，從而預(yù)測(cè)未來的負(fù)荷需求，當(dāng)數(shù)字孿生電網(wǎng)發(fā)現(xiàn)某個(gè)電站的發(fā)電效率較低時(shí)，可以自主調(diào)整發(fā)電機(jī)的參數(shù)以優(yōu)化發(fā)電效率。數(shù)字孿生電網(wǎng)可以模擬電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，并通過人工智能技術(shù)對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化和控制。

如上圖所示，多維度、實(shí)時(shí)的、動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)虛擬電廠接入的各類負(fù)荷資源（如小水電、太陽(yáng)能發(fā)電機(jī)組、路燈照明系統(tǒng)、商業(yè)樓宇空調(diào)、工業(yè)企業(yè)用能設(shè)備、5G 基站、岸電資源等）運(yùn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)與技術(shù)參數(shù)變化趨勢(shì)；展示虛擬電廠運(yùn)營(yíng)調(diào)度過程以及評(píng)估指標(biāo)信息展示虛擬電廠各類負(fù)荷資源技術(shù)參數(shù)變化趨勢(shì)，以可視化技術(shù)全面支撐虛擬電廠經(jīng)營(yíng)決策。

建立一個(gè)數(shù)字孿生模型――虛擬電廠，模擬真實(shí)電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)和行為。在電網(wǎng)中部署傳感器和監(jiān)測(cè)設(shè)備，如智能計(jì)量表、電流傳感器、溫度傳感器等。將收集到的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行分析和處理，實(shí)現(xiàn)智能控制和優(yōu)化。再利用數(shù)字孿生模型和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，建立智能控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的負(fù)載預(yù)測(cè)和優(yōu)化的智能控制。

虛擬電廠接入的負(fù)荷資源中包括充電站充電系統(tǒng)，此頁(yè)面通過數(shù)據(jù)采集，實(shí)時(shí)的、動(dòng)態(tài)的展示充電系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，包括設(shè)備當(dāng)日充電放電量，設(shè)備功率以及各設(shè)備在線狀態(tài)信息。其中調(diào)控電量信息圖可展示計(jì)劃目標(biāo)調(diào)控電量以及實(shí)際調(diào)控電量。通過實(shí)時(shí)計(jì)算電量偏差率，業(yè)務(wù)人員可直觀查看虛擬電廠調(diào)控電量業(yè)務(wù)內(nèi)容，做到實(shí)時(shí)性，直觀性，便捷性。

負(fù)控執(zhí)行業(yè)務(wù)部分內(nèi)容主要記錄各年份負(fù)荷調(diào)控執(zhí)行記錄，通過高效，流暢，簡(jiǎn)潔，美觀的設(shè)計(jì)頁(yè)面來展示。全面掌握負(fù)荷控制執(zhí)行情況，包括負(fù)荷實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、負(fù)荷壓降結(jié)果分析等。負(fù)荷實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是指在負(fù)荷控制執(zhí)行過程中，總部對(duì)各網(wǎng)省的實(shí)際負(fù)荷曲線、基準(zhǔn)負(fù)荷曲線、目標(biāo)負(fù)荷曲線、控制命令執(zhí)行情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

數(shù)字孿生智慧變電站的出現(xiàn)改變著傳統(tǒng)變電站運(yùn)維模式，實(shí)現(xiàn)變電站智能化、綠色化的轉(zhuǎn)變，加快構(gòu)建“無人值守+集中管控”的變電運(yùn)維新模式的轉(zhuǎn)型升級(jí)，亦推進(jìn)了智慧電網(wǎng)的發(fā)展。

今天將Hightopo輕量化的 3D 可視化場(chǎng)景，建立動(dòng)態(tài)的數(shù)字化變電站模型，數(shù)字孿生變電站可視化系統(tǒng)。多維度呈現(xiàn)變電站運(yùn)維場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)變電站運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，運(yùn)維設(shè)備、控制系統(tǒng)和信息系統(tǒng)的互聯(lián)互通。加強(qiáng)變電站設(shè)備的全狀態(tài)感知力與控制力，增強(qiáng)變電站安全生產(chǎn)保障能力，提高運(yùn)檢精益管理水平。

通過 3D 可視化技術(shù)，展示電壓互感器和電流互感器供電的全部回路走向，結(jié)合科技感元素模擬電流流動(dòng)效果，實(shí)現(xiàn)對(duì)一次設(shè)備（變壓器、斷路器、隔離開關(guān)等直接用于生產(chǎn)和使用電能的設(shè)備）運(yùn)行工況的監(jiān)視、測(cè)量、控制及調(diào)節(jié)等。

通過三維虛擬仿真的變壓器組裝動(dòng)畫，介紹變壓器設(shè)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(gòu)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(xiàn)場(chǎng)安裝及維護(hù)工作的仿真培訓(xùn)資料，高效而又靈便的實(shí)現(xiàn)新員工的變壓器工作原理教學(xué)。

數(shù)字孿生正在運(yùn)行的火力發(fā)電廠，搭建數(shù)字化運(yùn)營(yíng)平臺(tái)，對(duì)發(fā)電廠進(jìn)行工廠式精細(xì)化的數(shù)字化管理，提升企業(yè)對(duì)整個(gè)發(fā)電廠業(yè)務(wù)進(jìn)行數(shù)字化管理能力。

基于 UWB 定位基站或其他定位硬件基礎(chǔ)，在三維場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)廠內(nèi)員工實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)監(jiān)控廠區(qū)在崗人員的位置，通過場(chǎng)景交互可以直觀地查看員工信息、聯(lián)系方式、行動(dòng)軌跡等數(shù)據(jù)。

可視化搭建火力發(fā)電廠復(fù)雜環(huán)境下無死角全覆蓋可視化場(chǎng)景，深度開發(fā)應(yīng)用智能發(fā)電控制技術(shù)，提升發(fā)電企業(yè)智慧管控、智能運(yùn)行、智能安全監(jiān)控、智能分析與遠(yuǎn)程診斷等綜合能力，構(gòu)建面向未來的智慧燃煤發(fā)電創(chuàng)新管理運(yùn)營(yíng)模式。

廠區(qū)三維場(chǎng)景中，在室內(nèi)和室外設(shè)置了視頻監(jiān)控點(diǎn)位，以明顯的圖標(biāo)展示其位置。本案例采用的是支持識(shí)別人員行為的監(jiān)控設(shè)備，可對(duì)安全帽穿戴、工作服著裝、接打電話等違規(guī)行為進(jìn)行捕捉與告警，并記錄在攝像頭報(bào)警記錄中。存在報(bào)警信息的監(jiān)控點(diǎn)位會(huì)出現(xiàn)明顯的告警效果，支持管理者及時(shí)點(diǎn)擊查看實(shí)時(shí)監(jiān)控影像以及抓拍記錄。集成各類子系統(tǒng)的設(shè)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(wǎng)運(yùn)行逐漸呈現(xiàn)智能化、數(shù)字化的特點(diǎn)。發(fā)展“源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化”運(yùn)行急需“云大物移智鏈邊”其中的云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、電力物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計(jì)算等技術(shù)手段，讓電網(wǎng)系統(tǒng)配備擁有海量數(shù)據(jù)處理分析、高度智能化決策等能力的云端解決方案。從而實(shí)現(xiàn)各類能源資源整合、打通能源多環(huán)節(jié)間的壁壘，讓“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”各要素真正做到友好協(xié)同。

將 Web 智慧“雙碳”微電網(wǎng)場(chǎng)景進(jìn)行數(shù)字孿生，有效實(shí)現(xiàn)源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化管控。整體場(chǎng)景采用了輕量化建模的方式，重點(diǎn)圍繞智慧園區(qū)電網(wǎng)聯(lián)通中的源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)四方面的設(shè)備和建筑進(jìn)行建模還原，為用戶帶來“賽博朋克”的視覺體驗(yàn)。采用輕量化重新建模的方式，設(shè)計(jì)師就有“設(shè)計(jì)”的發(fā)揮空間，展現(xiàn)更多美學(xué)創(chuàng)意。支持 360 度觀察虛擬園區(qū)內(nèi)源網(wǎng)荷儲(chǔ)每個(gè)環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。

通過完整復(fù)現(xiàn)的園區(qū)能量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)、太陽(yáng)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(shí)現(xiàn)建筑能效管理、綜合節(jié)能管理和“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”協(xié)同運(yùn)行。

2020年我國(guó)能源消費(fèi)產(chǎn)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(dá)峰、碳中和進(jìn)度將直接影響整個(gè)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的進(jìn)程。 因此，大規(guī)模接入新能源、限制化石能源總量，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)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(wǎng)、儲(chǔ)能、負(fù)荷（源網(wǎng)儲(chǔ)荷）各個(gè)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(gè)環(huán)節(jié)的協(xié)同分析轉(zhuǎn)變。因此， 構(gòu)建數(shù)字電網(wǎng)，形成以數(shù)據(jù)為核心的生產(chǎn)要素，推進(jìn)電能、風(fēng)能、太陽(yáng)能等多種能量流和由數(shù)據(jù)構(gòu)成的信息流的深度融合，打通源網(wǎng)儲(chǔ)荷各個(gè)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)多能源網(wǎng)的協(xié)同互動(dòng)，是電力系統(tǒng)對(duì)國(guó)家實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)提供主動(dòng)支撐的有效途徑。

深入發(fā)展電網(wǎng)數(shù)字化將有力地推進(jìn)新型電力系統(tǒng)的建設(shè)： 一方面， 數(shù)字電網(wǎng)將使得數(shù)據(jù)采集終端在數(shù)量上越來越多、在類型上越來越廣，使得數(shù)據(jù)在數(shù)量和類型上大大增加。同時(shí)，各種跨域、跨業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)系統(tǒng)之間的壁壘逐漸被打破，不同數(shù)據(jù)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)共享為跨域、跨業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分析提供了廣泛的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)； 另一方面， 數(shù)字電網(wǎng)的建設(shè)將催生更加有效的數(shù)據(jù)處理技術(shù)。邊緣計(jì)算、云計(jì)算、人工智能等新一代數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，將為新型電力系統(tǒng)中的不同場(chǎng)景、不同領(lǐng)域、不同業(yè)務(wù)提供更加有力的技術(shù)支撐。

在此背景下，如何有效獲取大量數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行關(guān)聯(lián)和綜合分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)新型電力系統(tǒng)中各個(gè)環(huán)節(jié)各類場(chǎng)景的準(zhǔn)確、統(tǒng)一和全面感知（即數(shù)據(jù)融合），是電網(wǎng) 可觀、可測(cè)、可控 的重要手段。

新型電力系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)融合主要包括三個(gè)關(guān)鍵步驟： 第一，數(shù)據(jù)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(wǎng)關(guān)，采集大量數(shù)據(jù)，為電網(wǎng)的全面感知提供有效的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)； 第二，數(shù)據(jù)處理方面， 通過充分發(fā)揮運(yùn)用數(shù)據(jù)融合技術(shù)，充分挖掘數(shù)據(jù)間的關(guān)聯(lián)性，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)間的補(bǔ)充和增強(qiáng)，增強(qiáng)新型電力系統(tǒng)中萬物互聯(lián)和全面感知的能力； 第三，數(shù)據(jù)應(yīng)用方面， 通過跨領(lǐng)域、跨業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)共享，加速實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)狀態(tài)、設(shè)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(shù)據(jù)融合有利于對(duì)目標(biāo)進(jìn)行精確感知，從而實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的 全面可觀： 數(shù)據(jù)融合從多種維度對(duì)同一目標(biāo)進(jìn)行感知，使得被感知目標(biāo)全面可觀； 精確可測(cè)： 單一數(shù)據(jù)表征的信息有限，一定程度限制了目標(biāo)感知的精確性，數(shù)據(jù)融合通過數(shù)據(jù)之間的補(bǔ)充和增強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)被感知目標(biāo)的精確可測(cè)； 高度可控： 對(duì)被感知目標(biāo)的全面可觀和精確可測(cè)，使得目標(biāo)越發(fā)“透明”，有利于實(shí)現(xiàn)其高度可控。

新型電力系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)融合有利于實(shí)現(xiàn)源網(wǎng)儲(chǔ)荷各個(gè)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(guān)系： 風(fēng)光等新能源發(fā)電具有較強(qiáng)的隨機(jī)性、波動(dòng)性和間歇性，在目前技術(shù)條件下可能出現(xiàn)因其波動(dòng)性導(dǎo)致的電力支撐能力不足問題，且新能源發(fā)電對(duì)極端天氣的耐受能力相對(duì)脆弱。數(shù)據(jù)融合通過電網(wǎng)和新能源之間的協(xié)同運(yùn)行，使電網(wǎng)及時(shí)做出相應(yīng)措施應(yīng)對(duì)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(wǎng)安全的關(guān)系： 新型電力系統(tǒng)中，源網(wǎng)儲(chǔ)荷各環(huán)節(jié)高度電力電子化，電網(wǎng)將呈現(xiàn)低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、寬頻域振蕩等新的動(dòng)態(tài)特征，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題更加復(fù)雜。數(shù)據(jù)融合通過多能源之間的融合，準(zhǔn)確把握新型電力系統(tǒng)的運(yùn)行特性； 統(tǒng)籌好新能源與電能供應(yīng)經(jīng)濟(jì)性的關(guān)系： 新能源能量密度小、發(fā)電年利用小時(shí)數(shù)低，且大型新能源基地通常遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，為保障高比例新能源并網(wǎng)消納、系統(tǒng)安全與可靠供電，總體上新型電力系統(tǒng)建設(shè)和運(yùn)營(yíng)成本將上升。數(shù)據(jù)融合通過統(tǒng)籌系統(tǒng)可靠安全供電和經(jīng)濟(jì)性之間的關(guān)系，結(jié)合電價(jià)趨勢(shì)分析，推動(dòng)電源側(cè)降本增效，用戶側(cè)節(jié)能提效。

（董旭柱系武漢大學(xué)電氣與自動(dòng)化學(xué)院院長(zhǎng)，姚森敬系南方電網(wǎng)數(shù)字電網(wǎng)研究院有限公司新型電力系統(tǒng)數(shù)字化技術(shù)研究所所長(zhǎng)）

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