中国在联合国气候变化峰会上宣布，到2035年，非化石能源消费占能源消费总量的比重达到30%以上，风电和太阳能发电总装机容量达到2020年的6倍以上、力争达到36亿千瓦。
面对新能源大规模并网，带来的波动性、支撑性、互动性等考验，国电南瑞依托电力行业重大问题联合攻关团队，牵头开展“基于数字孪生电网的新型电力系统运行控制体系研究布局与技术实现路径”课题研究，以数字孪生技术的探索与应用，优化电网运行控制体系，为清洁能源“走进”千家万户贡献智慧和力量。
新能源“成长的烦恼”
据测算，未来十年，我国将每年新增超2亿千瓦的新能源装机。电力系统向“新”而行，对电网运行控制体系提出了更高要求。
与传统电源“因需而动”不同，新能源“靠天吃饭”，而电力本身光速传输、无法储存、发用瞬时平衡，导致供需易错开、难匹配。特别是面对高温、寒潮等极端天气和自然灾害时，空调等调温负荷规模大、攀升快，电力供需极易形成巨大“剪刀差”。
与此同时，新能源场站并网需要变流器、逆变器等大量电力电子设备，这些电力电子设备以微秒级速度开关，导致发电出力骤升骤降，这一变化使得电网出现故障的形式和故障连锁反应的特点发生根本改变，给电网安全稳定带来新挑战。
此外，随着新能源产业快速发展，除了大规模集中式新能源场站之外，分布式电源、电动汽车、储能设备等也将快速增长。这导致电网的调度对象从过去的几百个大型电厂，变成了千万级分散的电力设备。配电网从“只用电不发电”的无源网络，变成了“又用电又发电”的有源网络。电流潮流方向也从过去的“单向输送”变成了“双向流动”。电网调度模式将从“发电跟着用电走”变为“源网荷储”协同优化，调度员的角色会从安排发电的“键盘手”变为协调各方资源的“乐队指挥家”。这必须依靠智能数字平台、超强算力与先进算法的支撑才能实现。
数字孪生电网“未来已来”
新能源“成长的烦恼”为数字孪生技术在电网的探索和应用提供了发展空间。
简单来说，数字孪生就是为物理世界的实体在数字空间构建一个1:1的“双胞胎”——既能实时反映物理实体的状态，又能推演未来变化，为新型电力系统运行控制技术发展带来重大机遇。
数字孪生电网，不是简单的3D示意图，也不是传统的离线仿真工具，而是一个“会思考、能决策”的智能系统。随着新能源占比的逐年提升，电网呈现出结构更加复杂、设备更加繁多、技术更加庞杂的发展趋势，数字孪生电网通过全方位采集电网实时数据，进行数字化映射模拟，利用通用技术建模预测，推动电网运行控制从经验调度向智慧调度发展。
比如，数字孪生电网可以通过挖掘过往发电、用电规律，结合气象预测、地理数据等信息，采用人工智能计算，提前数小时甚至数天，精准预测新能源发电量与民众用电量，评估电网的承载能力、最大供电量等，帮助工作人员提前准备，防范风险，保证用户用电无忧。
数字孪生电网还能够搭建高保真的“虚拟试验场”，精准模拟设备故障、负荷波动、极端天气等各类复杂场景，深度分析高比例新能源电网的运行趋势。无论是新设备测试、调度方案策划，还是电价效果推演，都能在虚拟空间无限试错，降低试错成本，维护电网安全，甚至还能帮助大家推算出更经济的用电方案。
此外，数字孪生电网还能够将家用光伏板、电动汽车电池、小型家用储能等“碎片化”电力资源全面“纳入麾下”：实时监测家用光伏发电量、电动汽车电池剩余容量、家用储能设备储电状态，再结合区域用电负荷，精准判断电网供需情况。一旦面临用电高峰、电网缺电，系统可以通过电力服务平台实时向用户发送并网邀请，既有效缓解了区域用电压力，又让用户赚取了额外福利，实现双赢。
筑牢能源安全“国之大者”
电网运行控制系统，既是高效稳定运行的“指挥大脑”，又是构建数字孪生电网的“智慧内核”。肩负“提高国家能源安全和保障能力”重大使命，国电南瑞以自主创新为核心驱动力，长期深耕电网运行控制核心技术，走出了一条从技术突破到场景落地的进阶之路。
从研制新中国第一套电网监控系统起步，历经长期技术积累与迭代，国电南瑞成功实现从“跟跑”“追赶”“并行”到“超越”“领跑”的跃升，高比例新能源电网运行控制、城市电网多时空联合预警与超前控制等多项核心技术处于国际领先水平。
近年来，国电南瑞聚焦数字孪生电网的“技术研发”，将产业创新和科技创新相融合，努力实现规模化应用“场景落地”。目前，国电南瑞正加快建设数字孪生实验室，全力构建基于数字孪生电网的新型电力系统运行控制体系，在统一数据底座、电力调度科学智算、全过程在线仿真、多时序全要素平衡等方向发力，推动电网控制模式向“以虚预实、以虚优实、虚实共生”的高级形态演进。
未来，随着数字孪生电网全面投入运行，电网调度中心将呈现出全新的场景：调度大厅巨大弧形屏幕上不再是静态的电力线路图，而是与实体电网完全同步的动态镜像——每一台风机、每一座铁塔、每一台变压器……都在虚拟空间中以数字化形态展现，实时显示电压、电流、功率等关键运行数据。调度员轻触屏幕，通过查看动态仿真曲线，即可提前预测当天的储能电站、备用电源调节能力是否可以完全覆盖缺口。待到日落时分，实体电网的实际运行数据与数字孪生镜像中的预测结果完全吻合，无需人工核算，数字孪生电网已提前完成所有决策与验证。
数字孪生电网将以科技力量，让绿色能源平稳流淌，让美好梦想照进现实。（孙世明 朱虹璇）