2025-12-16 15:10:29
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数字孪生技术正在改变配电系统运营商规划、运营和监控电网的方式。它能提升效率、降低成本并增强电网稳定性。随着可再生能源占比持续增长，这项技术显得尤为关键。本文将展示这一虚拟映射技术的最新项目、应用领域及实施要求。
数字孪生作为物理系统的虚拟副本，为电网运行开辟了新路径。德国技术组织VDE在《电网与电力行业的数字孪生》研究中指出，配电系统运营商可通过整合物理模型、数据分析和机器学习，随时创建精准的电网副本并预测未来发展趋势。该技术能实时评估传感器、控制系统等多源数据，模拟负荷流动，检测分析故障问题。
欧洲输配电设备与服务行业协会（T&D Europe）认为，数字孪生在能源转型中扮演着核心角色。该协会在2024年10月的立场文件中强调，实时监控与能源基础设施分析优化是重要应用场景。该技术还能助力电网规划与情景分析，提升电网效率、可靠性与灵活性。T&D Europe指出，数字孪生也有助于可再生能源并网和智能电网建设。
数字孪生成必然趋势
随着可再生能源的扩张与分散化程度加深，配电系统数字化需求日益增长。面对高度分散的能源系统，电网必须快速灵活响应风电和光伏发电的波动，自动化管理已成必然选择。越来越多电网运营商正借助数字孪生技术来理解和管理这种波动性供电的影响，
并获得了软件开发商的鼎力支持。E.ON的紧密合作伙伴、专注智能电网实施的Envelio公司联合创始人兼CEO西蒙·库普曼解释道：“我们的平台首先构建电网数字孪生体——这是关键的第一步。不仅要整合电网运营商的多源数据，还需验证数据内容以实现物理模拟。”
为帮助电网运营商实时监控管理电力流动，数字孪生系统会接入电网测量数据。库普曼补充道：“数据来源既包括电网运营商收集的二次变电站测量数据（如变压器或馈线数据），也可包含智能计量系统实时数据——电网运营商可从计量服务商处购买此类增值服务。”
该公司平台利用这些数据评估电网状态。当然，他们不会在电网每个节点部署测量——那将导致效率低下。相反，他们致力于以最少测量点实现最大化的电网状态透明度。根据德国《能源产业法》第14a条规定，电网控制设计以约1分钟为间隔而非秒级间隔，这已足够及时——因为电网对仅持续数秒的短暂过载不会立即响应。
最大化挖掘现有电网潜力
2024年秋季，荷兰最大电网公司之一Alliander与西门子达成技术合作，旨在显著提升荷兰电网的灵活性与效率。该计划的核心是西门子Gridscale X软件平台，预计可将电网利用率提升高达30%。
Alliander为约350万客户提供电力和燃气服务。荷兰超半数用电来自可再生能源，这对配电系统提出了更高要求。此外，电网存在严重瓶颈，部分客户需等待长达十年才能接入电网。此时就需要高效的灵活性管理来最大化电网容量、引导投资并降低成本。西门子电网软件公司CEO萨宾·厄林哈根指出：“灵活性管理对构建可再生且具有韧性的电网至关重要。”
促进市政部门与电网运营商协作
德国巴登-符腾堡州的能源公司EnBW也在着力解决这一问题。为此，该公司收购了专注智能电网的瑞士企业Enersis。Enersis以SaaS形式提供数字孪生解决方案，可创建配电系统虚拟副本并接入实时数据。收购前，EnBW子公司Netze BW已与这家瑞士软件开发商紧密合作，共同创建了市政平台KommunalPlattform。该数字接口旨在促进电网运营商与市政部门合作，例如通过凸显规划建设项目的协同潜力，或使馈电和消费数据透明可比。
覆盖规划、运营与维护的全场景应用
数字孪生技术适用场景广泛，预测性维护便是其中之一。虚拟电网借助传感器数据和预测模型，可在设备磨损或潜在故障引发高成本耗时维修前发出预警，这不仅能降低成本，还可延长系统寿命。
历史与实时数据分析可用于电网优化和未来负荷模拟。例如在情景分析中，数字孪生能展示不同馈电和消费情景对电网稳定性的影响。E.DSO技术雷达报告特别强调，此类模拟对识别瓶颈和规划目标导向型投资具有重要意义。
该技术在电网扩建或新用户、新发电设备并网时也具优势。“随着申请量增加，自动化流程（如光伏系统或热泵并网验证）能大幅降低成本，减轻电网运营商负担。与其艰难招募新员工，不如通过高效管理现有工作量解决问题。另一重点领域是优化电网容量：精细监控与控制可释放新容量，替代保守的规划方法。关键在于为所有电网层级（尤其是低压层级）注入更多智能与透明度，从而优化基础设施利用率。”
强化网络安全防护
数字孪生存储处理大量敏感数据，使其成为网络攻击的潜在目标——这类攻击在过去几年持续增加。欧盟委员蒂埃里·布雷顿透露，仅2023年能源行业就报告超200起网络攻击，其中过半针对欧洲。从风电场、公用事业公司到电网运营商和储油设施，所有主体都可能遭受攻击，因此实施恰当防护至关重要。
但虚拟映射技术本身正在助力能源供应保护。VDE指出，数字孪生可在真实电网受影响前，安全识别和测试安全漏洞及潜在攻击载体，这意味着该技术能增强电网抵御外部威胁的韧性。
人工智能在数字孪生中的角色
在当今动态电网中，人工智能正日益成为数字孪生的标准组件，因其能提升系统效率。Envelio创始人库普曼表示：“中期趋势明确指向基于AI的应用，特别是在预测相关领域，如预测未来数小时或数天的电网状态。人工智能和机器学习可发挥重要作用，例如更精准预测电网潮流。”他认为，虽然电网潮流计算等基础任务无需AI，但在预测性情景和复杂预测中，AI将不可或缺。
弗劳恩霍夫IEE部门主管、德国能源署Data4Grid项目《配电网数据分析与人工智能》科学报告负责人塞巴斯蒂安·文德-冯·伯格也看到数字化与AI在提升电网效率灵活性方面的巨大潜力：“AI使电网运营商能够分析数据、主动决策并自动化决策流程——尤其是在中低压电网领域。”他的Data4Grid项目揭示了随之而来的挑战，例如错误或被篡改的数据会加剧数据驱动流程的复杂性。
虚拟电网同样需要维护
数字孪生的建模与维护实为高度复杂的流程，需要高水平数据整合能力，包括全面数据采集和先进分析平台的使用。为将数字孪生集成至现有系统，配电系统运营商必须确保数据安全性与互操作性（例如与SCADA和GIS系统的兼容），并保障基础设施支持实时通信。此外，电网运营商还需符合监管要求。对小型电网运营商而言，这些要求可能使员工不堪重负，并超出其资源与专业能力范围。
正因如此，文德-冯·伯格呼吁加大对计量技术、数据管理、网络安全及亟需的电网扩建的投资。他总结道：“智能技术与稳健电网扩建的结合，对可持续能源转型至关重要。”
作者：弗兰克·乌尔班斯基
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