新型電力系統(tǒng)呈現(xiàn)“雙高”的基本特征，即高比例的新能源設(shè)備和電力電子設(shè)備。

國家電網(wǎng)有限公司于2022年成立新型電力系統(tǒng)技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟，旨在促進(jìn)傳統(tǒng)電力向能源清潔低碳方向轉(zhuǎn)型，而南方電網(wǎng)有限公司早在2020年就提出了“數(shù)字電網(wǎng)”的發(fā)展理念。

與傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)相比，數(shù)字化、清潔化、智慧化是新型電力系統(tǒng)的重要發(fā)展方向，數(shù)字化貫穿整個新型電力系統(tǒng)的全生命周期，無論是規(guī)劃設(shè)計、建設(shè)實施到運(yùn)行維護(hù)都離不開數(shù)字化技術(shù)和流程。

在形態(tài)層面，數(shù)字電網(wǎng)充分利用傳感器、智能設(shè)備、電力物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)物理電網(wǎng)數(shù)字化的升級。

在此基礎(chǔ)上，依托數(shù)字孿生實現(xiàn)數(shù)字平臺構(gòu)建，通過大數(shù)據(jù)計算技術(shù)推動電網(wǎng)智能運(yùn)行。

針對以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)架構(gòu)，上海交通大學(xué)的江秀臣提出在數(shù)字化輸變電設(shè)備在生產(chǎn)時預(yù)安裝或投運(yùn)后加裝各類芯片化多物理量融合集成傳感器，通過多源數(shù)據(jù)耦合和數(shù)字孿生等技術(shù)，完成輸變電設(shè)備缺陷識別和狀態(tài)異常預(yù)警等功能，從而實現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

上海交通大學(xué)的盛戈皞通過分析面向新型電力系統(tǒng)的電力設(shè)備運(yùn)行維護(hù)基本特征與技術(shù)體系后，認(rèn)為電力設(shè)備智能運(yùn)維技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)為數(shù)字孿生及電力專用傳感技術(shù)。

數(shù)字孿生技術(shù)概述

數(shù)字孿生體的產(chǎn)生與演化

“孿生體（twins）”的概念最早可以追溯到美國國家航空航天局（NASA）的阿波羅項目。該項目制造了完全相同的兩個空間飛行器，其中留在地球上的稱之為孿生體（twins）。

密歇根大學(xué)的Michael Grieves教授于2003年在產(chǎn)品全生命周期管理（PLM）課程上提出數(shù)字化概念模型，即“與物理產(chǎn)品等價的虛擬數(shù)字化表達(dá)”，這個概念在當(dāng)時被稱為“鏡像空間模型”和“信息鏡像模型”。

這些數(shù)字孿生體的雛形從概念上具備數(shù)字孿生體的所有組成要素，即虛擬空間、物理空間以及兩者的接口，2011年Grieves教授引用了合作者John Vickers提出的概念——數(shù)字孿生（DigitalTwin），并沿用至今。

數(shù)字孿生體的發(fā)展可劃分為3大階段（如圖1所示）：

1）數(shù)字孿生的萌芽階段，在本階段內(nèi)完成了從2003年的模糊概念至2011年的初步概念的升級；

2）數(shù)字孿生的孵化階段，代表性的標(biāo)志為2012年NASA給出數(shù)字孿生的定義，以及2014年第一份數(shù)字孿生白皮書正式發(fā)表；

3）數(shù)字孿生的成長階段，2014年至今，數(shù)字孿生技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，從而大大拓寬了數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用。

數(shù)字孿生作為一個新概念和新技術(shù)，人們更多地會關(guān)注其基本內(nèi)涵和特征，并應(yīng)用于不同行業(yè)。

數(shù)字孿生的基本內(nèi)涵和特征

2017年Grieves教授廣泛總結(jié)各界觀點(diǎn)后將數(shù)字孿生定義為：數(shù)字孿生是一組虛擬信息結(jié)構(gòu)的集合，能夠從微觀原子層級到宏觀幾何層級上完整描述某一潛在的或?qū)嶋H制造的物理產(chǎn)品。

在理想狀態(tài)下，數(shù)字孿生能夠包含反映其物理產(chǎn)品的所有信息。2017年，美國Defense Acquisition University大學(xué)（DAU）對數(shù)字孿生進(jìn)行了定義：“數(shù)字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應(yīng)的實體裝備的全生命周期過程”。

這一定義是目前關(guān)于數(shù)字孿生最為廣泛接受的定義。目前學(xué)術(shù)界對數(shù)字孿生的定義多從對象設(shè)計、制造到全生命周期管理等角度展開，但由于研究的物理對象多樣性，在此很難統(tǒng)一給出數(shù)字孿生的唯一定義。

針對不同的物理對象，例如設(shè)備、工廠等，需要針對性的數(shù)字孿生模型，以配合特定的建模策略、功能需求。

鑒于目前對數(shù)字孿生的定義多樣性，清華大學(xué)沈沉對數(shù)字孿生的定義進(jìn)一步說明，建議以“數(shù)字孿生體”指代數(shù)字空間、物理對象對應(yīng)的數(shù)字模型，以“物理-數(shù)字孿生系統(tǒng)”指代物理對象與數(shù)字孿生體構(gòu)成的系統(tǒng)整體，以“數(shù)字孿生技術(shù)”指代所有涉及搭建數(shù)字模型進(jìn)行仿真、分析、預(yù)測和控制的技術(shù)。

國網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學(xué)研究院相晨萌指出，數(shù)字孿生體系的特征為互動性、演繹性、共享性、社會性。

演繹性指在虛擬空間中對物理實體對象的狀態(tài)進(jìn)行反演和預(yù)測；共享性指數(shù)字孿生體之間通過統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享；

社會性指數(shù)字孿生體能夠自主演化，并反過來指導(dǎo)物理實體對象的操作與運(yùn)行。

清華大學(xué)沈沉團(tuán)隊認(rèn)為物理實體和其數(shù)學(xué)模型之間具有相同的物理規(guī)律和運(yùn)行機(jī)理構(gòu)成了數(shù)字孿生必備的基本特點(diǎn)。

除此之外，數(shù)字孿生的其他4個重要特點(diǎn)分別為自治、同步、互動、共生。自治指數(shù)字孿生體和物理實體服從相同的物理規(guī)律并獨(dú)立演化；

同步指數(shù)字孿生模型需根據(jù)物理實體的變化不斷修正自身結(jié)構(gòu)和參數(shù)；互動即雙相影響；共生即數(shù)字孿生體和物理實體共同發(fā)展。

數(shù)字孿生技術(shù)在不同行業(yè)都有大量的應(yīng)用實例。數(shù)字孿生技術(shù)的側(cè)重點(diǎn)和功能作用各不相同，足以證明其適應(yīng)性和巨大的活力。

面對電力系統(tǒng)升級轉(zhuǎn)型的重大需求，如何利用數(shù)字孿生技術(shù)更好地促進(jìn)電網(wǎng)的發(fā)展還需要大量細(xì)致深入的研究工作。

一方面，電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和特性復(fù)雜，數(shù)字孿生技術(shù)對電網(wǎng)物理系統(tǒng)的準(zhǔn)確建模與高效模擬是核心。

數(shù)字孿生模型的具體形式已不局限于傳統(tǒng)的微分代數(shù)方程，也包括了最新的數(shù)據(jù)驅(qū)動模型，數(shù)字孿生技術(shù)模擬的場景也會盡可能滿足電網(wǎng)運(yùn)行的各種不確定性，因此，建立數(shù)字孿生電網(wǎng)體系十分重要。

數(shù)字孿生電網(wǎng)體系

數(shù)字孿生電網(wǎng)體系內(nèi)涵是十分豐富的，能源互聯(lián)網(wǎng)模型數(shù)字孿生框架基于數(shù)字孿生五維模型發(fā)展而來，理論體系及框架搭建的研究較為深入，數(shù)字孿生應(yīng)用于電力裝備也有多位學(xué)者開展了框架搭建及理論研究并進(jìn)行了運(yùn)用分析。

基于電網(wǎng)模型的能源互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字孿生框架

北京航空航天大學(xué)的陶飛團(tuán)隊于2019年提出了數(shù)字孿生五維模型，該模型由物理實體、虛擬實體、數(shù)據(jù)、服務(wù)以及相互之間的連接交互共5部分構(gòu)成，如圖2所示。

而清華大學(xué)沈沉指出，數(shù)字孿生尚處于演變之中，但數(shù)字孿生必須具備幾個基本要素，即真實空間、虛擬空間、從真實到虛擬空間的數(shù)據(jù)流連接及從虛擬到真實空間的信息連接。

從模型的維度和基本組成要素來看，電網(wǎng)模型的數(shù)字孿生體系是十分廣闊的，因此，聚集于數(shù)字孿生的核心要素和關(guān)鍵技術(shù)十分重要。

中國電力科學(xué)研究院有限公司蒲天驕團(tuán)隊總結(jié)了數(shù)字孿生的核心要素和關(guān)鍵技術(shù)體系，提出了能源互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字孿生框架以及其應(yīng)用技術(shù)路線。

框架通過傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)實現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)物理對象到數(shù)字模型的映射：通過建立虛擬空間來構(gòu)建物理實體的數(shù)字孿生體，滿足數(shù)字化的工作要求；

基于多種傳感器及采集終端的感知技術(shù)，實現(xiàn)物理實體到虛擬空間映射，形成數(shù)字化的工作基礎(chǔ)；通過即時共享數(shù)據(jù)傳輸及支撐平臺，實現(xiàn)實體及虛擬空間的信息交互，形成數(shù)字化的實體支持；

基于人工智能算法對平臺的數(shù)據(jù)進(jìn)行演算，實現(xiàn)對物理對象的模擬及演化，最終達(dá)到數(shù)字孿生的應(yīng)用效果。

能源互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字孿生應(yīng)用可細(xì)分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層、應(yīng)用層。核心關(guān)鍵的技術(shù)為實時完整的映射技術(shù)（智能感知及實時傳輸）、數(shù)字孿生體構(gòu)建技術(shù)（基于數(shù)據(jù)驅(qū)動模型及物理機(jī)理模型的建立）、智能決策與控制（通過人工智能實現(xiàn)協(xié)同控制）。

中國電力科學(xué)研究院有限公司趙鵬進(jìn)一步補(bǔ)充指出，電力物聯(lián)網(wǎng)是構(gòu)建能源互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字孿生系統(tǒng)的重要支撐技術(shù)。

電力物聯(lián)網(wǎng)為在虛擬空間中精確構(gòu)建數(shù)字孿生系統(tǒng)提供數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化與智能化的基礎(chǔ)載體，通過傳感、網(wǎng)絡(luò)、平臺和人工智能等技術(shù)，將電力的物理系統(tǒng)完整且實時映射為經(jīng)由數(shù)據(jù)和算法定義的數(shù)字系統(tǒng)。

輸變電電力裝備數(shù)字孿生框架

上海交通大學(xué)劉亞東分析了電力裝備行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型和升級的行業(yè)現(xiàn)狀，提出了電力裝備數(shù)字孿生通用框架，分為物理層、通信層、虛擬層、應(yīng)用層。

電力裝備數(shù)字孿生通用框架在物理層通過多參量傳感技術(shù)實現(xiàn)對裝備本體的全面感知，在通信層實現(xiàn)傳輸及管理電力裝備的孿生數(shù)據(jù)，在虛擬層實現(xiàn)數(shù)據(jù)孿生模型的構(gòu)建及仿真結(jié)果分析，在應(yīng)用層實現(xiàn)對電力裝備不同功能需求的精準(zhǔn)服務(wù)。

電力裝備數(shù)字孿生通用框架除了可以實現(xiàn)電力裝備的全生命周期數(shù)字化管理之外，還取得了電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)所有電力裝備數(shù)字孿生體信息的互通互聯(lián)共享的成效。

而數(shù)字孿生技術(shù)在電力裝備行業(yè)的應(yīng)用必須依賴統(tǒng)一信息建模技術(shù)、多層級仿真建模技術(shù)、多物理場多參數(shù)反演技術(shù)以及復(fù)雜多維信息合成與可視分析技術(shù)。

同時，數(shù)字孿生技術(shù)會給電力裝備行業(yè)的生產(chǎn)組織方式、管理方式和商業(yè)模式注入更多的活力。

數(shù)字孿生技術(shù)促進(jìn)產(chǎn)業(yè)鏈上各個環(huán)節(jié)的信息化和智能化程度的提高，最終達(dá)到提升整個行業(yè)的生產(chǎn)效率和競爭力的巨大效果。

類似地，華北電力大學(xué)齊波也提出了針對輸變電設(shè)備狀態(tài)評估的數(shù)字孿生技術(shù)架構(gòu)。

架構(gòu)分為物理層、感知層、數(shù)據(jù)層、模型層、應(yīng)用層。

技術(shù)架構(gòu)上，齊波版本的數(shù)字孿生技術(shù)架構(gòu)采用的感知層不同于陶飛團(tuán)隊提出的數(shù)據(jù)交互方法，其重心放在強(qiáng)化基于各種傳感裝置及各類離線運(yùn)檢試驗的數(shù)據(jù)收集上。

技術(shù)架構(gòu)下，數(shù)據(jù)層的兩套功能為異常數(shù)據(jù)處理與最優(yōu)數(shù)據(jù)篩選，而模型層的重點(diǎn)為構(gòu)建輸變電設(shè)備的數(shù)字孿生體以及建立例如設(shè)備故障診斷模型、設(shè)備狀態(tài)預(yù)測模型等各類功能模型。最后，應(yīng)用層則主要面向于現(xiàn)場應(yīng)用，對應(yīng)于通用數(shù)字孿生架構(gòu)的服務(wù)層。

重慶大學(xué)楊帆依托電力物聯(lián)網(wǎng)IoT（The Internet ofThings，簡稱“IOT”），提出的電力裝備數(shù)字孿生技術(shù)架構(gòu)分為基礎(chǔ)支撐層、數(shù)據(jù)互動層、建模仿真層、功能應(yīng)用層。

楊帆版本的電力裝備數(shù)字孿生技術(shù)架構(gòu)基礎(chǔ)支撐層對物理實體開展基于傳感與巡檢的各類參量進(jìn)行收集、基于三維實景采集的電力裝備實景數(shù)據(jù)采集。下層物理實體及上層數(shù)字孿生實體數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)互動層進(jìn)行傳輸、處理及分析。

建模仿真層則負(fù)責(zé)數(shù)字孿生建模及可視化分析，其具體的建模技術(shù)涉及基于模型驅(qū)動的可視化仿真、多物理場仿真，以及基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的建模與分析。最后功能應(yīng)用層則依托IoT平臺實現(xiàn)數(shù)字孿生服務(wù)具體應(yīng)用。

總結(jié)上述學(xué)者提出的針對電力裝備及能源互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字孿生框架如表1，不同學(xué)者提出的框架有差異，但都包括真實空間、虛擬空間、數(shù)據(jù)及信息交互、服務(wù)幾大模塊。

明顯地，不同的學(xué)者之間關(guān)于數(shù)字孿生框架有著自己獨(dú)特富于創(chuàng)見的理解，這些框架和體系不斷地豐富著數(shù)字孿生的研究內(nèi)容和覆蓋體系。

數(shù)字孿生在新型電力系統(tǒng)內(nèi)的角色與定位

構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)以數(shù)字化為基礎(chǔ)，需要推進(jìn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。數(shù)字化轉(zhuǎn)型將提升電網(wǎng)的實時感知和數(shù)據(jù)分析處理能力，提高電網(wǎng)精細(xì)化管理能力。

電網(wǎng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型需要夯實電力物聯(lián)網(wǎng)和中臺架構(gòu)等基礎(chǔ)建設(shè)，需要利用大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)提升電網(wǎng)智能化水平。

數(shù)字孿生是電網(wǎng)數(shù)字化整體呈現(xiàn)形態(tài)。數(shù)字孿生技術(shù)在電網(wǎng)數(shù)據(jù)全面感知、高效傳輸、平臺共享、智能應(yīng)用、動態(tài)仿真、安全防護(hù)等全業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)實現(xiàn)應(yīng)用，在電力設(shè)備狀態(tài)評價、電網(wǎng)在線主動分析等場景發(fā)揮了重要支撐作用。

華北電力大學(xué)李剛指出，能源互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建的內(nèi)涵是將電力系統(tǒng)中各個子系統(tǒng)融合成圖拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，“數(shù)據(jù)先行”是數(shù)字化轉(zhuǎn)型過程中的基礎(chǔ)工作，數(shù)字化轉(zhuǎn)型的共性可歸結(jié)為技術(shù)、價值、結(jié)構(gòu)和財務(wù)方面的變化。

上海交通大學(xué)江秀臣詳細(xì)介紹了變電站（換流站）、架空輸電線路、電纜隧道、GIL管廊的數(shù)字化模型，通過傳感器芯片化實現(xiàn)多物理量精準(zhǔn)感知、通過在線監(jiān)測實現(xiàn)多源時空數(shù)據(jù)收集及故障監(jiān)測缺陷識別、通過數(shù)字孿生模型訓(xùn)練樣本生成診斷模型并實現(xiàn)狀態(tài)異常預(yù)警。

通過新型電力系統(tǒng)的數(shù)字孿生應(yīng)用，可以大幅降低數(shù)據(jù)獲取的邊際成本，從而形成以數(shù)據(jù)價值為核心的能源生態(tài)體系。

在新型電力系統(tǒng)內(nèi)無論是數(shù)字孿生基礎(chǔ)建設(shè)還是具體應(yīng)用，隨著應(yīng)用場景的不斷開發(fā)和實踐，最終會形成相對固定的模式并標(biāo)準(zhǔn)化，可以預(yù)見，新型電力系統(tǒng)必將是數(shù)字孿生的主戰(zhàn)場。

電力裝備數(shù)字孿生建模關(guān)鍵技術(shù)

數(shù)字孿生技術(shù)是實現(xiàn)電力裝備實體與虛擬模型之間數(shù)據(jù)交互、協(xié)同發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。電力裝備數(shù)字孿生建模關(guān)鍵技術(shù)具體涉及統(tǒng)一的信息模型、電力專用傳感技術(shù)、基于模型驅(qū)動和基于數(shù)字驅(qū)動的孿生模型等技術(shù)環(huán)節(jié)。

統(tǒng)一的信息模型的建立與電力專用傳感技術(shù)

首先需建立統(tǒng)一的信息模型。統(tǒng)一的信息模型涉及電力裝備生產(chǎn)制造產(chǎn)業(yè)鏈中上下游企業(yè)的產(chǎn)品之間數(shù)據(jù)交互的基礎(chǔ)，如此龐大的產(chǎn)業(yè)和數(shù)量眾多的裝備要制訂形成統(tǒng)一的信息模型需要頭部企業(yè)和電力公司進(jìn)行深入交流的協(xié)作，以共同制訂規(guī)范、統(tǒng)一、高效的信息模型。

另外，電力裝備投運(yùn)后存在不同來源的運(yùn)維數(shù)據(jù)，包括了電壓、電流、紅外溫度、聲音成像、可見光等數(shù)據(jù)，也需要電力裝備數(shù)字孿生的信息模型具備廣泛的數(shù)據(jù)兼容性，從分辨率、量測精度、數(shù)據(jù)量等方面提供足夠的技術(shù)支持。

其次，電力專用傳感技術(shù)水平仍待提升。輸變電設(shè)備數(shù)據(jù)收集依托感知層的各類傳感器，提供數(shù)字孿生實現(xiàn)所需數(shù)據(jù)源，包括三維建模實景數(shù)據(jù)和表征輸變電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及運(yùn)行環(huán)境的各類數(shù)據(jù)。

目前電力設(shè)備在線監(jiān)測技術(shù)迅速推廣，溫度、局部放電、氣體組分、寬頻電流、振動、電磁場等設(shè)備狀態(tài)量傳感器在電力系統(tǒng)內(nèi)已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用，并積累了長時間的運(yùn)行與應(yīng)用經(jīng)驗。

但從效果上看，目前傳感器長期可靠性難以保證，部分高性能傳感器過度依賴進(jìn)口設(shè)備。新型電力系統(tǒng)下電力電子裝備電磁環(huán)境對傳感器性能存在一定的影響，所以目前提升電力專用傳感技術(shù)水平的主要問題在于可靠性的提高、性能的提升以及電磁抗擾度的耐受。

模型驅(qū)動、數(shù)字驅(qū)動，以及混合方法

華北電力大學(xué)李剛指出，電力設(shè)備故障預(yù)測與健康管理方法主要分為數(shù)據(jù)驅(qū)動、模型驅(qū)動及混合方法。目前對數(shù)字孿生模型的建立也是基于上述3種方法。

電力系統(tǒng)裝備模型目前多采用基于模型驅(qū)動的建模方法。模型驅(qū)動建模方法可從物理機(jī)理和過程上反映物理實體，模型驅(qū)動建模方法首先需要構(gòu)建裝備的一維、二維、三維等幾何模型，并結(jié)合實景數(shù)據(jù)實現(xiàn)出實景化的數(shù)字孿生模型，由此涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括模型的輕量化技術(shù)和三維可視化仿真技術(shù)。

另一方面，需要融合實體的物理參數(shù)，以及對物理實體的行為與規(guī)則進(jìn)行表征，從而實現(xiàn)裝備的全尺度多物理場數(shù)字孿生模型。

這一環(huán)節(jié)涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括全尺度多物理場仿真及基于模型降階的多物理場實時計算技術(shù)。

上海交通大學(xué)賀興從大數(shù)據(jù)的角度指出，相比于側(cè)重實時操控實體的信息物理系統(tǒng)或經(jīng)典模型驅(qū)動的仿真軟件，電力數(shù)字孿生更側(cè)重于數(shù)據(jù)驅(qū)動的實時態(tài)勢感知和超實時虛擬推演，所以數(shù)據(jù)驅(qū)動讓電力數(shù)字孿生更適用于當(dāng)今復(fù)雜電力系統(tǒng)。

依據(jù)所得數(shù)據(jù)建立實體系統(tǒng)模型繼而對系統(tǒng)進(jìn)行感知和分析，可以有效緩解模型驅(qū)動自身過于繁瑣、耗費(fèi)資源、求解緩慢等缺點(diǎn)，在一定程度上可以實現(xiàn)模型以及交織問題的解耦。

基于數(shù)字孿生模型的多物理場仿真及參數(shù)反演

● 基于數(shù)字孿生模型的多物理場仿真

多物理場仿真需要考慮電、磁、熱、力、光、聲、流體、絕緣等因素及各種物理場和現(xiàn)象之間的復(fù)雜耦合關(guān)系。

在電力裝備運(yùn)行的過程中，各物理場的變化過程遵循質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律、電磁場麥克斯韋方程、流體納維-斯托克斯方程、熱傳導(dǎo)模型方程、熱輻射模型方程、熱對流模型方程、聲學(xué)波動方程等，且物理場的變化過程可通過（偏）微分方程（組）進(jìn)行描述。

可以看出，多物理場仿真代表了行業(yè)內(nèi)最為先進(jìn)的仿真技術(shù)，也是目前研究的重點(diǎn)問題。

多物理場仿真技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電力設(shè)備設(shè)計及仿真計算。在國外，ABB公司將多物理場仿真用于傳感器的設(shè)計，在國內(nèi)，西安西電電力系統(tǒng)有限公司提出了一種基于壓接型IGBT器件的柔直換流閥功率模塊的多物理場耦合仿真分析方法，河海大學(xué)吳書煜基于多物理場耦合方法開展了特高壓并聯(lián)電抗器振動噪聲仿真分析與實驗研究等，武漢大學(xué)董旭柱提出了結(jié)合多物理場仿真分析的電力訂制化芯片應(yīng)用環(huán)境及結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。

多物理場仿真可以實現(xiàn)多場、多尺度、多區(qū)域3個維度的仿真。其中，多區(qū)域指對由多個具有不同特征的連續(xù)體組成的研究對象進(jìn)行研究，連續(xù)體之間通過邊界直接或間接相連；

多尺度指的是針對研究對象從微觀到宏觀的多尺度行為進(jìn)行分析，從微觀層級材料的物理特性、中觀層級的零部件參數(shù)進(jìn)行多角度分析，提升宏觀電力裝備整體的運(yùn)行可靠性。

● 基于數(shù)字孿生模型的參數(shù)反演

反演方法在地球物理勘探領(lǐng)域的應(yīng)用較多。通過地球物理場（如電場、磁場、重力場等）的測量數(shù)據(jù)，反演方法用于反推地球物性參數(shù)（速度、密度、磁化率、電阻率）的分布和運(yùn)動規(guī)律。多物理場多參數(shù)反演技術(shù)，以正演計算模型為基礎(chǔ)，采用外部可觀測參數(shù)如溫度、振動、電壓、電流、負(fù)荷等作為反演計算模型的輸入，對電力裝備的內(nèi)部各單物理場進(jìn)行參數(shù)反演，根據(jù)反演計算結(jié)果來對電力裝備進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測、故障定位和識別。

由于絕緣、防塵和防潮等因素，電力裝備是嚴(yán)格密裝的，如電力變壓器、GIS、斷路器等。這些設(shè)備的內(nèi)部發(fā)熱、匝間短路、絕緣缺陷、機(jī)械故障等內(nèi)部狀態(tài)只能通過外部振動、泄漏電流、聲場響應(yīng)和放電脈沖信號來間接感知。

電力裝備內(nèi)部故障與這些觀測信號之間并不是絕對對應(yīng)的關(guān)系，如何通過不同的檢測數(shù)據(jù)，構(gòu)建裝備內(nèi)部狀態(tài)的高效表征、建模和評估方法一直是裝備運(yùn)維的難題。數(shù)字孿生模型的參數(shù)反演為上述問題的解決提供了一套完整的技術(shù)方案，對電力裝置的運(yùn)維意義十分重大。

反演問題是典型的逆問題，如何運(yùn)用優(yōu)化方法取得最優(yōu)解是反演技術(shù)實現(xiàn)工程應(yīng)用的關(guān)鍵。在電力裝備內(nèi)部狀態(tài)反演問題中可充分利用裝備設(shè)計、運(yùn)行和檢測等先驗信息來縮小解搜索空間，從而實現(xiàn)反演解的唯一性和穩(wěn)定性。

首先根據(jù)電力裝備的設(shè)計參數(shù)對其尺寸和內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，再對電力裝備內(nèi)部各單物理場進(jìn)行正演仿真計算，然后逐步增加物理場之間的耦合關(guān)系，建立電力裝備的多物理場耦合正演計算模型，再以正演計算模型為基礎(chǔ)，建立電力裝備內(nèi)部多物理場多參數(shù)反演模型。

采用外部可觀測參數(shù)如溫度、振動、電壓、電流、負(fù)荷等作為反演計算模型的輸入，對電力裝備的內(nèi)部各單物理場進(jìn)行參數(shù)反演，并將單場反演的結(jié)果作為多物理場多參數(shù)反演尋優(yōu)的初始值，以達(dá)到縮小解空間的目的，最后對電力裝備的內(nèi)部參數(shù)分布進(jìn)行反演計算，根據(jù)計算結(jié)果來對電力裝備進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測、故障定位和識別。

數(shù)字孿生在電力裝備行業(yè)中的具體應(yīng)用

上海交通大學(xué)劉亞東建立了基于數(shù)字孿生技術(shù)的電力裝備全生命周期過程管理架構(gòu)模型，分為責(zé)任部門、物理實體、數(shù)據(jù)交互、數(shù)字孿生、功能層，模型可用于電力裝備的設(shè)計、生產(chǎn)制造、運(yùn)行維護(hù)和報廢回收等全生命周期中的所有環(huán)節(jié)。

重慶大學(xué)的楊帆提出基于電力物聯(lián)網(wǎng)平臺的電力裝備多物理場數(shù)字孿生實現(xiàn)框架，分三階段實現(xiàn)：監(jiān)測數(shù)據(jù)上云、多物理場仿真平臺建立孿生模型并部署至物聯(lián)網(wǎng)平臺、在物聯(lián)網(wǎng)平臺將監(jiān)測數(shù)據(jù)與孿生模型集成。參考ANSYS案例建立變壓器多物理場數(shù)字孿生模型，并指出建立多物理場數(shù)字孿生模型存在如下問題：

數(shù)據(jù)方面，基于電力傳感的數(shù)據(jù)感知量不足；模型方面，全尺度多物理場耦合模型的建立及實時求解仍亟待解決；平臺方面，尚待開發(fā)出自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)平臺。

齊波提出構(gòu)建變壓器狀態(tài)精細(xì)化評估數(shù)字孿生模型、設(shè)備故障診斷數(shù)字孿生模型搭建，重點(diǎn)從智能算法方面進(jìn)行了詳細(xì)分析。

國網(wǎng)湖北省電力有限公司檢修公司王浩開展了基于數(shù)字孿生模型的GIS筒體關(guān)鍵部件溫變行為仿真研究，提出基于實景點(diǎn)云數(shù)據(jù)的GIS筒體數(shù)字孿生模型重構(gòu)方法，抽象建立了4種典型故障工況，給出基于ABAQUS軟件的GIS筒體溫變行為仿真參數(shù)取值與網(wǎng)格劃分方法，并基于某變電站在役220kV GIS數(shù)據(jù)開展了典型故障案例仿真研究。

國網(wǎng)河北省電力有限公司雄安新區(qū)供電公司吳學(xué)正提出了現(xiàn)有GIS智能變電站中電力變壓器、組合電器、開關(guān)柜3類主要設(shè)備故障診斷技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)的一種新型GIS智能變電站數(shù)字孿生模型。

華南理工大學(xué)湯清權(quán)提出交直流配電網(wǎng)數(shù)字孿生架構(gòu)。目前，交直流配電網(wǎng)數(shù)字孿生系統(tǒng)的建設(shè)仍處于起步探索階段，交直流配電網(wǎng)數(shù)字孿生系統(tǒng)中接入豐富的設(shè)備狀態(tài)量測裝置、小微傳感器和攝像頭等信息采集設(shè)備，交直流配電網(wǎng)大數(shù)據(jù)覆蓋了配電變壓器、配電變電站、配電開關(guān)站、電表、電能質(zhì)量等配用電自動化和信息化數(shù)據(jù)，以及用戶數(shù)據(jù)和社會經(jīng)濟(jì)等數(shù)據(jù)。

1）數(shù)字孿生的幾大重要特點(diǎn)包括：自治、同步、互動、共生。數(shù)字模型和物理實體服從相同的規(guī)律，并能根據(jù)物理實體的變化不斷修正參數(shù)并獨(dú)立演化，最終實現(xiàn)數(shù)字孿生體和物理實體共同發(fā)展。

2）數(shù)字孿生以推進(jìn)電網(wǎng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型為基礎(chǔ)，數(shù)字孿生是電網(wǎng)數(shù)字化整體的呈現(xiàn)形態(tài)。

3）電力系統(tǒng)數(shù)字孿生以面向應(yīng)用或業(yè)務(wù)為原則進(jìn)行構(gòu)建，其技術(shù)核心指向建模和仿真，并以此為基礎(chǔ)構(gòu)建其他相關(guān)應(yīng)用以形成數(shù)字化模型。數(shù)字孿生的構(gòu)建依托電力物聯(lián)網(wǎng)，其技術(shù)難點(diǎn)主要包括：統(tǒng)一的信息模型建立、專用的電力傳感技術(shù)、基于模型驅(qū)動和基于數(shù)字驅(qū)動的模型建立。其中，基于模型驅(qū)動的建模難點(diǎn)在于多物理場仿真及參數(shù)反演。

4）數(shù)字孿生在電網(wǎng)調(diào)度和電力設(shè)備領(lǐng)域應(yīng)用前景廣泛，但目前有關(guān)數(shù)字孿生技術(shù)在能源行業(yè)的應(yīng)用大都處于探索驗證階段。各高校學(xué)者就數(shù)字孿生模型在能源互聯(lián)網(wǎng)、電力裝備領(lǐng)域都提出了基于數(shù)字孿生的框架模型，并簡明闡述了實現(xiàn)所需的技術(shù)路線。

5）數(shù)字孿生的理念在電力裝備中當(dāng)今已有大量具體的框架應(yīng)用模型，例如在全壽命周期的應(yīng)用、電力變壓器狀態(tài)評價數(shù)字孿生、GIS智能變電站健康評估、在交直流配電網(wǎng)中的應(yīng)用等，但模型研究內(nèi)容仍側(cè)重于理論分析、框架搭建、算法分析等。總體而言，數(shù)字孿生在電力裝備中的應(yīng)用仍處于初級探索階段。

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