电力行业数字孪生技术应用白皮书（2022）

电力企业COUNCIL联合会电力行业数字李生技术应用白皮书(2022)WHITEPAPERONAPPLICATIONOFDIGITALTWINSTECHNOLOGYINPOWERINDUSTRY(2022)中国电力企业联合会科技开发服务中心2022年7月 编委会主编蔡义清副主编韩文德编委会刘杰（中国电力企业联合会科技开发服务中心）蒋炜（国家电网有限公司数字化部）高艳丽（中国信息通信研究院规划所）陈柔伊（南方电网数字电网集团有限公司）李怀东（北京天成易合科技有限公司）周宇（国网江西省电力有限公司）徐波（国网江西省电力有限公司）周二专（中国电力科学研究院）王宾（清华大学）宋爱国（东南大学）刘俊勇（四川大学）1 编写组王庆（国家电网有限公司设备部）谢可、廖道、王兴涛（国网信息通信产业集团有限公司）肖齐、陶可京、涂其臣、林谋（国网江西省电力有限公司）陈才、张育雄、杨帆（中国信息通信研究院规划所）郭民、赵健（国网河南省电力公司）宋红旭（中国大唐集团公司)刘海峰、王立斌、赵建利、张正文、孙文凯、杜晓东（国网河北省电力有限公司）赵峰（大唐能源投资有限责任公司）熊浩、杨扬、周刚、刘熊章丰（国家能源投资集团有限责任公司）（国网重庆市电力公司）马倩倩、马海涛、孙弋凌、王艳红李浩、张爱祥、师聪（中国电力企业联合会科技开发服务中心）（国网山东省电力公司）薛凯文、杨森（国网智能科技股份有限公司）李帆、姚楠（国网江苏省电力有限公司）李凡辉、沈华林、邹云涛赵轶帆、余大成、冯振源（北京天成易合科技有限公司）（国网浙江省电力有限公司）陈红强（浙江大立科技股份有限公司）宋兵（国网潮北省电力有限公司）华栋（华南理工大学）龙理晴（国网湖南省电力有限公司）赵文彬（上海电力大学）张小东、马志程、赵金雄（国网甘煮省电力公司）威春艳（华中科技大学）白伟、刘兵、梁思聪、赵普志、李金良王珏（北京博能科技股份有限公司）（国网新疆电力有限公司）陈刚、孟庆丰、刘树泽、李桐、邢云、杨国锋、常钟成（珠高智能科技（深圳）有限公司）子轩（国网辽宁省电力有限公司）张正军（中科吉芯（泰皇岛）信息技术有限公司）郭丽娟（广西电网有限责任公司）冉坤（重庆凯瑞机器人技术有限公司（国家机霍天一、底晓梦器人质量检验检测中心（重庆））(中国电力科学研究院有限公司)高方玉、赵立涛、李红云、吴琼、汪佳（北京洪功义、孙成群、陈侯（南瑞集团有限公司）国网富达科技发展有限责任公司)何志敏、朱亮（国网智能电网研究院有限公司）吴海腾、王磊（杭州申昊科技股份有限公司）2 前言根据国家“双碳”自标的推进，构建新型电力系统成为实现能源变革的必然趋势，成为电力行业的时代使命。新型电力系统适应高比例可再生能源接入、适应新能源的不稳定性、适应高比例的电力电子装备、适应多种能源智慧调度的协同运行、适应更加灵活的主动式用电特性，必须与新一代信息通信、数学技术深度融合。数学李生技术在电力行业应用，为智能电网、智慧电厂赋能，提供更加实时、高效、智能的服务价值，有效地促进电力企业数学化转型，推动新型电力系统建设。当前，数学经济已成为全球发展的热点，世界各国分别提出数字经济发展战略，数学李生技术与社会经济发展不断融合深化。《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》提出：“加快推动数字产业化。培育壮大人工智能、大数据、区块链、云计算、网络安全等新兴数字产业。”国务院印发的《“十将其作为增强关键数学技术创新能力，强化优势技术供给的战略性前本白皮书首先从产学研用多视角并结合电力行业的特性，分析闸述了数字李生技术在电力行业应用价值：从数字感知、混合建模、高效仿真、可视化和虚实送代等不同方面介绍了数学季生的支撑技术：介绍了电力行业数学季生技术的应用现状、电力数学季生典型应用，流理了当前电力行业数学季生技术发展面临的共性问题与应用趋势， 并对下一步建设实施提出了策略与建议。最后，通过梳理数字李生技术在电力行业的应用发展情况，分析数字李生技术应用热点、行业动态和未来趋势，提出相关的标准化工作需求。本白皮书由中国电力企业联合会科技开发服务中心牵头，联合国家电网有限公司数字化部、中国南方电网有限责任公司数字化部、中国大唐集团公司科信部、信通院规划所发布，电力行业从事数字李生等数字化技术研究的多个领域专家参与编写，凝聚专家智慧和辛勤汗水付出，在此向参编专家表示衷心的感谢！当前，数字李生作为一项推动数学化转型的关键技术，电力行业对数学季生技术应用进行初步探索和尝试，针对数学季生技术在发电、输电、变电、配电等各专业领域应用不断摸索和选代，有待进一步凝聚共识并总结提炼，编写过程中难免出现错误，还请广大读者多提宝贵意见和建议 电力行业数字李生技术应用白皮书(2022)目录第一章数字李生概述1.1数字李生的内涵与定义61.2数字李生的特征与技术架构，1.3数字生技术在电力行业应用价值12第二章电力行业数字李生关键技术应用.142. 1数据感知技术152. 2混合建模技术.152.3仿真技术162.4 混合现实技术，182. 5虚实选代技术2. 6数字集成技术，19第三章电力行业数字李生技术应用典型案例213.1 发电企业数字李生技术应用典型案例213.2电网企业数字李生技术典型应用。.27"电建企业数字李生技术应用典型案例373.4其它新业态数字李生典型应用.40第四章电力行业数字李生技术应用面临的机遇和挑战444.1电力行业数字李生技术应用面临的机遇444.2电力行业数字李生技术应用面临的挑战46第五章未来发展与展望49附60后63 ，电力行业数字李生技术应用白皮书（2022)第一章数字李生概述当前，新一轮科技革命和产业变革加速演进，大数据、云计算、物联网、移动互联、人工智能、区块链、5G等新一代信息技术快速发展，数字经济正不断地改变着人类的生产和生活方式。数字经济发展速度之快、辐射范围之广、影响程度之深前所未有，正在成为重组全球要素资源、重塑全球经济结构、改变全球竞争格局的关键力量，数字李生技术让数据、信息、场景变得流程化、可视化、立体化，有效地促进数字经济发展。数字李生成为当前较为热门的产业，1.1数字李生的内涵与定义“数字李生”的概念最早是由美国密歇根大学Grieves教授在2003年提出，之后美国集成多物理场、多尺度、概率性的仿真过程。2017年佐治亚理工大学首次提出数字李生城市，2018年中国信通院发布了《数字李生城市研究报告》；从2018年起，IS0、IEC、IEEE三大标准化组织也开始着手数字李生相关标准化工作。当前，数字李生得到了国内外学者及产业界的广泛关注，但对数字李生存在多种不同认识和理解，目前尚未形成统一共识的定义，业界对数字李生定义各不相同，如图1所示。时间提出者阶段定义李生体是一个由数据、模型和分析工具构成的美国空军研究“李生”名词首集成系统。该系统不仅可以在整个生命周期内2009实验室次出现表达飞机机身，并可以依据非确定信息对整个机队和单架机身进行决策，包括当前诊断和未来预测"。数字李生体是一个集成了多物理场、多尺度和2010NASA“数字李生”概概率仿真的数字飞行器（或系统)，它可以通过念首次提出逼真物理模型、实时传感器和服役历史来反映真实飞行器的实际状况。 电力行业数字李生技术应用白皮书(2022)时间提出者阶段定义智慧城市数字李生体是一个智能的、支持物联2017佐治亚理工大“数字李生城网、数据丰富的城市虚拟平台，可用于复制和学市”首次提出模拟真实城市中发生的变化，以提升城市的弹复性、可持续发展和宜居性。数字李生体是现实事物或过程具有特定目的的2019ISO标准化组织开展研究数字化表达，并通过适当频率的同步使物理实例与数字实例之间趋向一致。中国电子信息数字李生是综合运用感知、计算、建模等信息2019国内组织开展研技术，通过软件定义，对物理空间进行描述、产业发展研究院究诊断、预测、决策，进而实现物理空间与赛博空间的交互映射。图1数宇享生定义标准化组织中的定义：数字李生是具有数据连接的特定物理实体或过程的数字化表达，该数据连接可以保证物理状态和虚拟状态之间的同速率收敛，并提供物理实体或流程过程的整个生命周期的集成视图，有助于优化整体性能。国内学术界权威组织的定义：数字李生是综合运用感知、计算、建模等信息技术，通过软件定义，对物理空间进行描述、诊断、预测、决策，进而实现物理空间与赛博空间的交互映射，如图2所示。 物理空间数字李生图2物理空间与赛博空间的交互映射数字李生是以数字化方式创建物理实体的虚拟实体，借助历史数据、实时数据以及算法模型等，模拟、验证、预测、控制物理实体全生命周期过程的技术手段，近年来，随着国家大力推进数字化转型，我国“数字李生”研究虽然起步晚，但发展势头强劲。数字李生得到国家各层面政策的支持，数字李生在理论研究和实践应用层面均取得了快速发展。2020年4月，国家发改委印发《关于推进“上云用数赋智”行动，培育新经济发展实施方案》中，将数字李生与大数据、人工智能、云计算、5G、物联网、区块链列为共同推进发展的新一代数字技术，支持数字季生等数字化转型共性技术、关键技术研发应用，引导各方参与提出数字李生的解决方案。随着数字李生技术的日益成熟，国家发改委、科技部、工信部、住建部等部委密集出台政策文件，特别是近期出台一系列“十四五”发展规划，有力地推动了数字李生技术应用发展，详见附表。1.2数字李生的特征与技术架构数字李生就是以数据资源为关键要素，以现代信息网络为主要载体，以信息通信技术总合应用、全要素数学化转型为重要推动力，渗透到人类生活的方方面面中。数学掌生因建 模仿真技术而起、因传感技术面兴，并随着新一代信息技术群体突破和融合发展而发展壮大数字李生与产业技术的深度融合，有力推动了相关产业数字化、网络化和智能化的发展进程正成为企业数学化转型升级的强大推动力数字李生具备以下几个典型特征：（1）等价映射：数字李生体是对物理实体的等价描述，是对物理实体进行数字化而构建的模型，数字季生体的变化能够真实反映现实世界中的物理实体的变化。数字季生体能够实现双向映射、数据连接和状态交互，起到数化”、“保真"效果。（2）实时交互：基于实时传感等多元数据的获取，李生体可全面、精准、动态反映物理对象的状态变化，包括外观、性能、位置、异常等。“实时"体现数字李生体所处状态是物（3）共生演进：“共生”体现在数字李生体与物理实体同步构建，在全生面周期中相互依存，李生体随着李生对象的生长面不断演变，共智体现在三个层而：李生体与李生对象间共智慧（包括：数据、算法）、李生体内部各种李生模型间共享智慧、不同生命周期阶段的季生体间共享智慧。（4）预测优化：根据物理实体的各项真实数据，通过数字李生体进行仿真，实现对物理实体未来状态的预测，预先知晓未来状态能够辅助用户微出更合理的决策。根据物理实体的实时运行状态，通过数字李生体进行监测，实现对系统不稳定状态的预测，预先觉察即将可能发生的不稳定状态，使用户更从容地处理该问题。建立数字李生体的最终目的，是通过描述物理实体集合内在机理，分析规律、润察趋势。基于分析与仿真对物理世界形成优化指令或策略，实现对物理实体决策优化功能的闭环。根据数字季生的典型特征，可以提出一种数字季生的体系架构。如图3所示。 电力行业数字字生技术应用白皮书(2022)应用层数字李生数字李生数字李生城市制造医疗数字李生体共生共智功能层系统认知系统诊断状态预测辅助决策物理云计大数人工VR/AR实时实运算层建模仿真智能交互体算据/MR数据层数据采集数据传输数据管理基础感知层测量感知物联设施图3数字李生体系架构感知层：感知层主要包括物理实体中搭载先进物联网技术的各类新型基础设施。数据层：数据层主要包括保证运算准确性的高精度的数据采集、保证交互实时性的高速率数据传输、保证存取可靠性的全生命周期数据管理，运算层：运算层是数字李生体的核心，其充分借助各项先进关键技术实现对下层数据的利用，以及对上层功能的支撑。功能层：功能层是数字李生体的直接价值体现，实现系统认知、系统分析、故障诊断、预测推演功能，从而起到辅助决策作用。系统