0引言
当前，新一轮科技革命和产业变革席卷全球，随着大数据、云计算、物联网、移动互联、人工智能、区块链(即大云物移智链)等新技术不断涌现，数字经济正不断地改变着人类的生产和生活方式。
在数字信息化的时代背景下，推进电网状态全面感知、企业业务全程在线、运营数据全面连接，成为实现电网稳定运行和企业机制提升，建设高数字化、高智能化能源互联网企业的有效途径。通过数字孪生电网体系的构建，使电网运行、管理和服务由实入虚，并通过在虚拟空间的建模、仿真、演绎和操控，以虚控实，加强了电网自我感知、自我决策和自我进化能力，支撑电网各项业务数字化运营，对传统作业模式和运营模式产生了革命性变化，开辟了新型数字化智能电网的建设和管理模式，推动了电网数字化和智能化转型，是建设能源互联网企业的必然阶段和必要途径。
与工业制造领域相比，电力系统规模更庞大、复杂程度更高、同时数据采集分析和反馈实时性要求更高，因此目前数字孪生技术尚未在电力行业全面开展。随着近年来电网数字化、智能化进程的不断发展，已开展数字化模型和系统研究建设工作。在调度部门广泛使用的D5000智能电网调度控制系统可实现电力系统调度计划、调度管理、实时监控和预警等功能，是电网侧数字化应用的重要体现。设备侧开展基于人工智能、大数据分析等技术的设备状态评估、故障预警模型构建以及智能运检管控系统的构建，可实现电网设备、运检装备和运检人员的全面感知与状态分析。此外，在工程领域应用的建筑信息模型(building information mod-eling,BIM)近几年也在电网建设中逐渐探索和应用，通过建立变电站3维模型并引入基建项目管理，实现项目设计管理、施工管理和进度管理。这些模型和系统的应用虽然未完全实现跨专业互通共享和数据指导决策的功能，但可作为数字孪生电网体系的基础模型，为数字孪生电网构建，推进数字电网与物理电网虚实融合，实现以数据驱动电网运行奠定理论和模型基础。
本文基于以上研究基础，介绍了数字孪生的含义、体系架构、特征及关键技术，并针对电网特点概述了数字孪生电网的内涵，形成了数字孪生电网的框架，阐释了数字孪生电网的运行模式，最后分别从设备层、电网层、业务层和运营管理层4个层面提出了数字孪生电网典型应用及展望，为数字孪生电网的建设提供了理论支撑和指导思路。
1数字孪生
数字孪生概念模型最早是由Grieves M.教授2003年在美国密歇根大学的产品全生命周期管理课程上提出，这一概念模型当时被称作“镜像空间模型”，后来在其著作中被正式定义为“数字孪生”，并指出数字孪生体系包含物理空间实体、虚拟空间的虚拟产品、以及物理空间和虚拟空间之间的数据信息交互接口3个方面内容。2011年，美国国家航空航天局将数字孪生技术首次应用于飞行器维护和质量监测。同年，美国空军研究实验室提出飞机结构寿命预测的数字孪生概念模型。在此之后，随着人工智能、虚拟现实、物联网等技术的发展，实现了数字孪生技术在工业领域设备建模仿真、设计制造、出厂试验、运行管控、故障诊断和资产管理等全寿命周期过程的广泛应用。
1.1数字孪生的含义
利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射。该映射是以数字化方式为物理实体对象创建虚拟模型，用于模拟其在现实环境中的行为。通过实测、仿真和数据分析来实现针对物理实体对象状态的实时感知、诊断及未来预测，通过数字孪生模型间的互相学习来进化模型自身，并通过优化指令调控物理实体对象的行为。
1.2数字孪生体系的架构
数字孪生体系包括现实物理域、数字孪生体、测量与控制实体、用户域和跨域功能实体共5层内容，如图1所示。
图1数字孪生体系架构
1.3数字孪生体系的特征
数字孪生体系不仅仅是形成现实物理域中物理实体对象的镜像，更重要的是与物理实体对象实现双向数据传输，一方面要接受现实物理域的实时信息，另一方面反过来驱动现实物理域，实现物理实体对象的先知先觉。由此可知，数字孪生体系具有以下特征：
1）互动性。是指数字虚拟对象间及其与物理实体对象之间的实时动态互动。数字孪生的目标是预测和优化，并将优化结果反馈给物理实体对象，指导其决策；物理实体对象的新状态信息也需要实时传递给数字孪生体，对其进行迭代更新和修正。
2）演绎性。是指通过数字孪生体中的建模仿真，在虚拟空间中对物理实体对象的状态进行反演、前推和动态预测。数字孪生中的建模和仿真不仅是物理实体对象的数字化模型，还要根据过去和当前状态，通过在模型中融入物理数学规律和机理来计算、分析和预测物理实体对象的未来状态。
3）共享性。是指数字孪生体系中的数据实现共享。数字孪生体系要求使用单一源的数据结构与形态，通过统一的标准化的数据，在单个或多个数字孪生体之间形成数据共享和交换，进而实现仿真与分析无缝协同。
4）社会性。是指数字孪生体能够自发从海量实物连接数据中提取知识，自主演化和升级，并反过来指导物理实体对象的操作与运行。依托于人工智能、物联网、区块链、大数据分析、云计算等技术，数字孪生具备“社会性”思考能力，并能够实现“数据驱动”的目标。
2数字孪生电网体系
2.1数字孪生电网的内涵
数字孪生电网是物理维度上的实体电网和信息维度上的虚拟电网同生共存、虚实交融的电网未来发展形态。数字孪生电网是在数字空间创造一个与物理实体电网匹配对应的数字电网，通过全息模拟、动态监控、实时诊断、精准预测反映物理实体电网在现实环境中的状态，进而推动电网全要素数字化和虚拟化、全状态实时化和可视化、电网运行管理协同化和智能化，实现物理电网与数字电网协同交互、平行运转。
数字孪生电网的本质是电网级数据闭环赋能体系，通过数据全域标识、状态精准感知、数据实时分析、模型科学决策、智能精准执行，实现电网的模拟、监控、诊断、预测和控制，提高电网的物质资源、智力资源、信息资源配置效率和运作状态，开辟新型数字化智能电网建设和运行管理模式。
在电网建设方面，与物理电网同步规划建设数字电网，规划阶段开始建模，建设阶段不断导入数据，运营阶段依托数字电网模型和全量数据管理物理电网。对已建成并运行多年的电网，通过物联网设施的全面部署和对电网进行数字建模，可以构建数字孪生电网并进行管理。
在电网运行管理方面，数字电网与物理电网两个主体虚实互动、孪生并行、以虚控实。通过物联感知和信息传输，实现由实入虚，再通过科学决策和智能控制由虚入实，实现对物理电网的运行管理优化。优化后的物理电网和数字电网不断进行虚实迭代，持续优化，逐步形成深度学习自我优化的内生发展模式，实现电网运行的自主管理。
2.2数字孪生电网的框架
数字孪生电网总体架构布局由智能基础设施、智能信息中枢和智慧应用场景构成，如图2所示。
图2数字孪生电网总体框架
2.3数字孪生电网的运行模式
数字孪生电网是在各种场景下，整合全域感知、历史积累、运行监测等多元异构数据，集成多学科、多尺度的仿真过程，集成设备管理、电网调度运行、电力服务等应用，共同构建与现实电网同生共存、虚实交融的复杂系统，反映现实电网运行全过程，其运行模式如图3所示。
图3数字孪生电网运行模式
2.4数字孪生电网构建的关键技术
1）数字化标识技术
2）智能化传感技术
3）设备物联管理技术
4）数据资源汇集技术
5）数字孪生模型构建技术
3数字孪生电网典型应用及展望
数字孪生电网需要物理实体电网与其数字镜像融合来实现其各种功能和应用，如图4所示。通过将物理实体电网中传感器数据、历史数据以及相关派生数据上传到数据中台，并将汇集的数据输入数字镜像模型，通过数据分析、仿真计算对模型进行迭代更新，实时显示更新的电网信息，实现对物理实体电网的可视化反映。数字孪生不仅能够反映实时信息，同时具有主动预测的功能，通过一系列可重复、可变参数、可加速的仿真实验，来预测电网或设备未来发展趋势。并基于预测结果，依托物联网数据共享和运营数据全面接入，对电网运维策略等进行优化，完成协同运维功能，同时在企业运营管理方面提供指导决策，进而实现电网全价值链协同。
根据数字孪生电网总体框架中描述的在设备层、电网层、业务层和运营管理层的潜在应用场景，可实现以下典型应用（具体见结论部分）。
图4数字孪生电网实现方式与典型应用
4结论
本文介绍了数字孪生的含义、体系架构和特征，基于数字孪生技术提出数字孪生电网的概念、内涵、构建框架、运行模式及关键技术，并根据电力行业的特点提出数字孪生电网可实现的典型应用场景：
1）在设备层，基于数字孪生，可实现设备现场及远程友好互动、设备自主状态管理与缺陷诊断、设备全寿命周期管理、设备集群化管理与决策，为设备智能化监测、自主化运检及决策等相关业务提供支撑，能够有效提高工作效率和决策的准确性。
2）在电网层，基于数字孪生，可实现电网运行风险评估个性化支持、考虑设备状态的电网自动化调度及预测性调度、电网全寿命周期管理、电网在线分析与决策，进而指导电网进行自主规划决策。
3）在业务层，基于数字孪生，依托数据中台的同步建设，可实现配电台区批量业务处理、运检业务支撑、负荷分类预测、全息培训等业务。打破了专业壁垒和部门屏障，实现了各专业数据和各部门业务协同，为规划、建设、运检、调度、安监等各专业提供业务支撑。
4）在运营管理层，基于数字孪生，可实现资产管理优化、运营风险管理服务、企业投资决策服务、三网融合服务以及电网全价值链协同，对于指导企业数字化、智能化运营管理和决策具有重要意义。
通过数字孪生技术在设备层、电网层、业务层和运营管理层可实现的典型应用，为数字孪生电网建设提供了理论支撑和建设思路，为电网数字化、智能化发展提供了新途径。
