数字孪生在配电系统的应用思考

董旭柱武汉大学2025年10月，杭州 目录 1配电系统现状2数字李生与AI应用介绍3配电系统数字李生的目标和关键技术4研究场景5配电系统数字李生应用的思考6总结 背景与意义 配电系统正在演变为区域资源优化配置平台，对我国能源高品质供给与消费和低碳化转型起到关键作用 区域能源协同、供需深度互动、承载大规模分布式能源接入、支撑负荷互动、满足多样化供电需求 高压：35、110、220kV中压20.10.±10kV低压：380,220±750V 新型配电系统特征：清洁低碳，安全充裕，经济高效，供需协同，灵活智能 分布式能源快速发展 ■配电系统的有源特性日益凸显，以电为核心的多能互补能量配给平台特性逐步显现。 网架结构：交直流互联、柔性合环与灵活组网 高比例电力电子装备和直流配电技术逐渐成熟，交直流混联配电成为一种新模式传统”合环设计、开环运行”逐步转变为“合环设计、柔性合环运行”分层互联分区自治成为一种新网架形态，灵活组网成为趋势 多元负荷：供需互动水平显著提升 终端用能结构加速调整，新型负荷迅猛增长，电能替代深入推进 负荷侧逐步从以社会生产生活驱动的，“被动型”向具有灵活互动能力的“主动型”转变电碳和电氧等综合能源产业从模式探素向多元示范迈进能源基础设施智能化、多能互补、储能、交通电气化、智慧用能等领域创新活跃 分布式储能：装机规模快速增加 新型储能成为构建新型电力系统的关键要素：提升电力系统调节能力载至2024年底：全国已建成投运新型储能项目累计装机规模达7376万于瓦/1.68亿于瓦时预计3年内全国新增储能装机容量超过1亿千瓦，2027年底达到1.8亿千瓦以上面向对象（工商业、户用、数据中心、电网侧、电源侧）的多功能分布式储能正呈现爆发式增长 电力市场：健康有序发展，提升调节能力和调用水平 区域电力市场的探索正在有序开展（虚拟电厂、绿电直连、综合能源服务、电碳市场等） 新型配电系统构建的挑战 挑战：可观可测可控能力不足，新能源无序发电导致电力电量平衡难题 分布式光伏仅在用户侧安装开断和电能计量设备，电气/状态信息无法实时监测上传，难以实现四可无序发电 分布式光伏和新型负荷波动加剧、峰谷差加大，系统有功平衡难度加大，电力调节灵活性资源不足电力平衡难度增加 新型配电系统构建的挑战 挑战2：系统动态行为复杂，传统仿真工具与分析方法面临瓶颈 电力电子设备（逆变器）高比例的新型配电系统，其动态过程快、非线性强，传统仿真分析工具在规模，速度和精度上面临巨大挑战 全尺度仿真挑战：需覆盖所有时间/空间尺度，解决建模精度与计算效率矛盾 目录 配电系统现状2数字李生与AI应用介绍3配电系统数字李生的目标和关键技术4研究场景5配电系统数字李生应用的思考6总结 数字李生与人工智能带来机遇 信息化与智能化可提升配电运行管理水平 人工智能与数字李生相结合，促进配电系统协调互动和信息物理融合，可提高配电运行水平和设备资产管理效率与效益。 数字李生 （1）理念本质：认知过程的数字化增强。数字李生的本质，是利用信息机器模拟并增强人类感觉一记忆一思维害行的完整认知链条（不包含物理实践），其核心架构包含三要素：目标实体（通盖物理系统及其关联关系）数字实体（目标实体的虚拟映射）一数据连接（实现物理与虚拟世界双向动态交互的桥梁） 数字李生 （2）技术本质：多学科深度协同融合。数字李生技术是跨领域知识系统性集成的产物，其融合深度通过四大支柱实现：知识图谱化、数据流体化、模型耦合化，驱动数字化。其技术核心是跨时空尺度的强耦合动态建模、仿真、和交互技术。 新一代人工智能技术 新一代人工智能在多模态能力方面展现出更高层次的抽象与认知水平实现从判别式模型向生成式智能的转变，借助因果推理获得高阶认知思维能力，通过机理-数据-知识融触合驱动方面提升模型的精度与鲁棒性，以及在高泛化性方面表现出优异的迁移学习能力。人工智能与数字李生技术有望在支撑新型配电系统高质费发展中发挥关键作用 传统大工智能 新一代人工智能 多模态能力 生单祝态能力 鼻备更高层次的抽象与认知能力，实现多源，异构信借思的跨模志感粒对齐与自动转换 生成式人工智能 邦刷式人工程能 学习输入数竭的激在撒率分布，能理解现有政唇并生成全新且有波辑致性的数据手本体现出尚级的抽欢导创道力阶认知思维 简单逻辑推理 通带装现为缺乏卖宿性身质医生，请的遵销预设规则，推联肩钱单对更多变的情增，可解释性 运用思维错，将好杂间慰有效分解为一基列更易于处理的子步原，从有显置提升在爱杂逻辐推理任务中的装现 机理规划成整保器动对型感搏性寻可解摩维存教品感我数据采集时成本高器 机理一数据知识聘合坚动特科学机理与预域知识深造触入模型静低对海量教保和强大算力的依赖，提升模型的质淡精度，泛化脂力与物棒生 面商特定任务转好任剪单一需求明确，应用边界消断行，利电领城知识进行押 高泛化性 灵活证移掌习成果，有效处理视觉、听觉、判断，推理、学习，思考，规划及设计等多样化、跨领域的舞杂问送17 新一代人工智能技术 感知智能-配电系统/设备状态自感知 状态自感知在现有感知技术基础上，融合多尺度多源数据，利用大数据分析，实现状态量的实时感知和精准评价。利用传感器协同测量及配电网运行/环境/监测和试验等多源数据，异构资源感知与传输、量测技术等实现对配电系统全面实时感知依托大数据技术，实现多源异构数据的融合分析为系统和设备状态自感知提供有效评估指标 大数据技术 外部数据：气象数据地理信息、负询水平 本体数据：台账，设计婴数，运行数据 监汉数据：法热谱、油量、报坤电流毒 试验数据：绝缘试验、电气试验，后部故电 数据处理 邀视数据： 数据融合 超声检测，振动监测红外检调、紫外检离可见光检测退意记录，消缺报告、情况说明 数据可视化 标准导则：国家/行业标准，团体导购 新一代人工智能技术 认知智能-配电系统/设备风险自评估 状态自感知基础上，基于人工智能技术对配电系统运行、配电设备、网架结构、负荷差异的数据融合，建立多源数据驱动的配电系统/设备风险预测模型，实现配电系统/设备风险自评估。 基于随机矩阵等大数据分析框架，搭建数据资源挖掘模型、运用深层神经网络、高维数据分析等方法实现对高维，多源数据的融合分析 新一代人工智能技术 具身智能-配电系统运行/控制/保护/巡检/操作/应急自执行 通过为认知与决策模型配备机器人，无人机、机械臂等物理实体，将云端算法生成的优化策略转化为对开关、设备、线路的物理操作 在巡检、操作、应急等复杂现场任务中，基于人工智能技术共享感知信息，动态分配任务，实现云端决策”到“现场自主作业”的全流程智能化 数字李生体与人工智能体 数字李生体：通过数字化技术在虚拟空间中创建的、与现实物理对象一一对应的虚拟模型，其核心在于实时反映现实世界的变化，并通过分析和预测提供决策支持。 人工智能体：以配电系统大模型为“决策大脑”以配电人工智能体为“感知、交互与执行”机构，将人工智能体构建成为一个能够自主理解自标、规划路径、调用工具、执行任务并持续学习的完整智能系统，实现对现实世界工具的操作、对多模态信息的处理并完成实际任务，产生更大的实用价值。 李生体与智能体融合：数字李生体与智能体将深度融合为一体化系统，能够自主完成从感知物理世界状态、认知运行态势与风险、到决策并执行最优控制策略的全自主闭环，实现新型配电系统的智能化自主运行。 目录 配电系统现状2数字李生与AI应用介绍3配电系统数字李生的目标和关键技术4研究场景5配电系统数字李生应用的思考6总结 配电系统数字李生的目标 配电系统数字李生是知识图谱化，数据流体化、模型耦合化、驱动数字化在配电系统和设备的具象化，其本质是将运行监控运维过程全面数智化和透明化，实现运行监控运维全链条数智化决策，系统包括目标实体，数据连接数字实体、李生算法、应用服务五层架构具备与资产管理系统和配电运行控制系统的强耦合数据可信交互能力 配电系统数字李生架构 物理层基于配电物联网平台，在各智能设备中应用先进传感器技术收集系统运行的多模异构数据，集成了物理感知数据，模型生成数据。 虚实融合数据等海量数据 数据层对数据预处理并传输 机理层接收多尺度数据通过“数据键输入仿真模型后进行数据整合和模拟运算 李生层以“沉漫式方式展现给用户 交互层可以实现精准的人机交互，交互指令可以反馈至物理层对物理设备进行控制，也可以作用于机理层实现仿真模型的更新和选代生长。 口数字李生配电系统 配电系统数字李生关键技术 配电系统的高度复杂性与动态性，决定了单一智能难以全面覆盖需求，需构建“感知-认知-决策-执行的协同体系数字李生作为配电系统数字底座，实现物理世界与虚拟世界的实时交互与映射。人工智能充当智能大脑，实现从感知、认知、决策到具身的全面智能。者融合，共同驱动配电系统运行、维检、安全监管和运营等业务的智能化升级， 配电系统数字李生关键技术 李生体李生层 李生体物理感知层二二次深度融合 先进数据管理与分析云边协同故障和风险评估潮流快速分析和安全校核配电系统数字李生自动建模多层级数字李生模型更新 >高效采集和信息交互>多源异构数据融合时空间模型构建系统和设备状态感知 李生体应用层>服务迁移 李生体数据层 >数据清洗去噪>特征强化技术系统运行数据安全传输全生命周期数据实时安全交互 >多参数匹配寻优多维信息合成与可视化配电系统数字李生运行调度配电系统数字李生风险检测和控制保护 关键技术1-—二次深度融合 一次设备融合需要将一次设备（如断路器、互感器）与二次设备（如保护、测控装置）通过智能传感与通信深度集成，实现设备状态感知与信息共享一体化。 二次融合柱上开关 体化环网柜可分为智能仪表室、操作机构室、电缆集成室和融合终端室，智能仪表室集成环境温湿度传感器及智能除湿装置。操作机构室包括机械操作机构和机械特性传感器电缆集成室包括电子式电压、电流传感器等装置。融合终端室主要包括智能网关 电流互感器：环形电流互感器套装在开关侧的三个出线套管的壳体内部侧，实现三相的电流测量，电压互感器：电容式电压互感器安装在开关的两侧共六个出线套管中，实现六端口的电压测量。 关键技术2-多源异构数据融合 设备感知层的数据呈现时空多维和多源异构等特点，需考虑电力时序参量的时空特性、描述空间、特征提取等，通过融合来自不同模态（如电气量、图像、声音等）的关键特征，实现对设备健康状态的全面量化评估与风险等级判定配电系统感知层的数据包括潮流信息、气象环境信息、电能质量、设备异常和故障等，需考虑 电力时序参量的时空特性、描述空间、特征提取等，通过多模态融合，实现系统风险评估和运行优化。 关键技术3-配电系统和设备数据安全传输技术 针对采集处理后的配电系统和设备数据，通过封装形成的专用通信协议对传输数据进行加密并对不同用户数据进行安全隔离、同步验证，实现数据安全传输。 基于虚实互动技术的新能源接入设备的虚拟映射及人机交互技术 关键技术3-配电系统和设备数据安全传输技术 针对电网业务场景中数字李生虚实交互通信及状态同步特性需求不明确的问题，本技术可以提供适应多维数据、自适应建模的数字李生通信协议，满足不同类型数据传输的安全性要求，为后续李生模型的构建提供支撑。 关键技术4-数字李生体全生命周期数据实时安全交互 数据的实时同步通过“感知层→数据层一李生层逐级完成，实现系统和设备全生命周期数据管理，权限隐私划分，以及系统和设备在各个环节中产生的数据实时交互和存储，支撑系统和设备规划与运行维护的数据融合。 关键技术5-配电系统和设备数据审查与修正技术 首先利用YOLO模型识别图纸中的设备位置和类型，结合导线颜色分析连接关系，自动生成设备连接拓扑图。之后根据拓扑图匹配标准规则库，智能检查设备参数和连接方式是否符合规范要求。最后自动标记图纸中的违规项，直观显示问题位置并提供修改建议