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作者:林伯强 来源:中国科学报 发布时间:2024/3/1 12:54:35
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数字孪生助力电力系统高效运行

 

继生成式人工智能(AI)ChatGPT之后,美国开放人工智能研究中心(OpenAI)近日凭借逼真的视频生成技术再次引起全球对人工智能发展的热潮。数字孪生是指通过数字智能技术在数字世界刻画一个与物理实体高度相似的数字孪生体,数字孪生体能够实时描述物理实体的状态并跟随物理实体变化,借助仿真技术和先进的数字技术,数字孪生体可以监测、预测和控制物理实体。

林伯强  ?

2021年,国家“十四五”规划《纲要》明确提出“探索建设数字孪生城市”。随后,国家发展改革委、国家能源局、工业和信息化部等部门都提出了相关政策支持数字孪生在各领域的应用。目前,数字孪生已经吸引了广泛关注,2022年中国数字孪生市场规模达到104亿元,年增长率达35%。

数字孪生在各行各业都有丰富的应用场景,在电力系统更是大有可为。数字孪生几乎可以应用于电力系统的所有环节,助力电力系统的高效运行。在碳中和的背景下,可通过数字孪生技术支撑新型电力系统的建设。

数字孪生在电力系统的应用现状有以下几个方面。

在发电侧,数字孪生可用于新能源出力预测,新能源机组的故障监控和识别,抽水蓄能机组的故障检测和识别。

通过数字孪生技术构建发电站的数字模型能够实现远程监控,对发电站开展实时、动态的管理和故障的识别监测,有助于提升发电侧的安全性,助力发电侧智能化、高效化运行。

在电网侧,数字孪生可用于输配电网仿真、输配电设备巡检和运维、调控系统仿真、电网安全监测。

目前,数字孪生应用实例多数在电网侧,国内电网侧的数字孪生应用已经有南网智瞰平台数字孪生技术应用、深圳供电局配电全链条数字化、雄安新区数字孪生微电网等项目。在国外,新加坡能源集团、英国国家电网、智利国家电力公司等均开展了电网侧数字孪生应用的探索。

在用电侧,数字孪生可用于构建用户侧的综合能源系统,帮助用户优化用能计划。数字孪生将用电设备与数字模型相连接,实时监测用户的用能行为,帮助用户刻画用能画像。

数字孪生在电力系统的应用也面临若干项挑战。数字孪生在电力系统中的应用具有广阔的前景,但是当前国内还处于探索阶段,已运行的项目多数是小型示范性项目,尚未开展大规模应用。总体而言,要实现数字孪生在电力系统的全面应用还有很多难题需要克服。

一是数字孪生在电力系统的应用深度不够。当前我国的一些应用项目,其中大部分由国家电网、南方电网、中国电建等大型公司牵头,已开展的项目在应用方向和应用深度上还具有较大的进步空间。数字孪生模型的构建以及运行涉及整个系统的所有部分,所以数字孪生技术实际上具有较高的应用门槛,需要多部门协调。并且数据的采集具有难度,数据的流动需要打破各部门之间的壁垒。数字孪生技术的应用还需要完备的新型基础设施,涵盖数据采集、监控、检测、巡检、信息基站等等。上述原因均导致目前数字孪生在电力系统的应用深度不够,更多丰富的应用场景还有待进一步的探索。

二是数字孪生在电力系统的应用门槛高,技术难度大。关于数字孪生在电力系统中的应用已经有很多设想,但是在技术实现上还存在一定的难题。数字孪生模型的运行需要先进的通信技术、物联网技术、大数据分析技术,还涉及海量的数据收集、分析与处理,需要云计算的支持,仿真运行需要仿真模拟技术,此外,在整个模型中还需要先进的信息安全技术来保障系统不受到网络攻击威胁。数字孪生系统的安全稳定运行需要各种复杂、先进的信息技术来辅助。当前我国的数字化还处于发展阶段,各种数字技术仍在探索和完善中,技术的成熟度还有待提高。

三是数字孪生在电力系统的应用面临风险。风险主要分为两类。第一类是技术安全风险。实现数字孪生技术的很多设计软件、芯片、传感器,甚至是操作系统几乎来自国外企业。国产软件、芯片的市场占有率很低,或是尚不能满足实际需求。高科技领域的“卡脖子”问题不容忽视。尤其是近年来西方国家借助国家安全概念,无端制裁我国高科技企业,这些行为给我们敲响了警钟。对于数字孪生而言也可能面临潜在的风险,一旦核心技术被限制,将给数字孪生应用带来较大的打击。第二类是系统安全风险。数字化、智能化虽然给生产生活带来了便利、提高了效率,但也形成了新的安全隐患。随着设备间的互联互通和系统的全面数字化,网络安全对于整个系统的重要性不言而喻,一旦系统受到恶意攻击和入侵,整个系统可能面临瘫痪。

为进一步促进数字孪生在电力系统的应用,提出以下政策建议。

首先,要进一步推进数字孪生在电力系统的应用,鼓励更多场景的探索。当前数字孪生电力系统应用项目发展较为有限,政府应寻找成功的项目,整理形成一批可推广、可复制的示范性项目案例,通过试点、案例推广等方式促进示范项目的推广和应用。在数字孪生发展的现阶段需要政府继续出台一些支持、补贴性政策,引导社会投资,帮助该行业加快发展壮大。

其次,要加大相关技术的研发投入,培育专业人才队伍。政府应加大研发投入,提升研发强度,通过设置专项创新引导资金和税收优惠政策全力支持企业技术创新,充分发挥财政资金的促进作用,营造良好的创新氛围,激发企业的创新活力,鼓励企业攻坚克难。另外,随着电力系统数字化进程推进,部分岗位或将发生改变。数字孪生在电力系统的应用存在专业人才缺口,应注重专业人才培养,鼓励高校加强数字孪生人才培养,推动产学研结合,构建数智人才高质量培养模式。

另外,要做好顶层设计,建立安全风险防患机制。国际形势复杂多变,应提前做好顶层设计,做好数字孪生在电力系统应用的长期规划,将核心技术国产化列入发展计划,一边鼓励技术创新一边做好备用计划,提前准备应急预案以应对可能出现的突发情况。

在系统安全风险方面,应建立新型电力系统网络安全防护体系。随着网络安全竞争愈演愈烈和网络攻击手段不断升级,新型电力系统将面临新的网络安全威胁。应进一步加强新型电力系统的网络安全防护能力,建立电力系统网络安全风险联防联控应对机制,防范潜在的网络攻击,针对可能出现的网络风险提前准备应急预案,从而保障新型电力系统的安全稳定运行。

(作者系厦门大学中国能源政策研究院院长)

 
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