数字孪生电网白皮书：电力企业数字化转型之道.pdf

I 摘 要 距离上一次工业革命已经过去了 5 0 年，按照技术革命周期规律，目 前全球正处于第四次工业革命发展的初期 1 。数字孪生体是第四次工业革命 的通用目的技术，各个国家相继发展国家战略，加速其产业化发展。我国 于2 020 年提出了“数字孪生创新计划” 2 ，体现了我国对未来产业的关注， 展现了我国高瞻远瞩的战略布局。 工业 4 .0 研究院作为面向第四次工业革命的独立研究机构，长期关注 具有颠覆性意义的技术和应用，自 2 015 年开始系统研究数字孪生体以来， 已经形成了完整的理论体系。为了加快数字孪生体产业发展，工业 4 .0 研 究院在 2 020 年底启动了“数字孪生 + ” 战略，开始跟行业场景紧密结合。 秉承理论结合实际的理念，工业 4 .0研究院已经在城市、汽车、国防、 电网、矿山和石化等领域，与具有创新能力的领先企业建立“数字孪生 XX 联合实验室”，通过发布数字孪生 XX 白皮书和建立开源社区，加速 推进数字孪生体往行业纵深发展。 作为典型的资产类应用场景，电网行业引入数字孪生体技术符合数 字孪生体一书“降维策略实施指南”要求，它有助于降低研发的难度和 II 数字孪生体联盟发布，2021 年 强度，更好满足行业建设质量标准要求。通过跟数字孪生体联盟成员企业 合作，工业 4 .0 研究院率先编写了数字孪生电网白皮书（简称“本白 皮书”），为数字孪生电网理论研究作出应有之贡献，同时为该领域的探 索者提供展示的机会。 经过去 1 0 多年高速发展，电网行业的信息化程度较高，已经能够满 足管理信息化的需要，但这还是数字化转型的一个部分，因为管理信息化 具有高维度和（数据）颗粒度大的特点，这对精细化甚至于精准化管理来讲， 面临应用难度高和效果不足的挑战。 电网行业最近几年不断引入数字孪生体技术，总体效果并不理想，其 本质原因是没有深入到设备系统层，传统的信息化方法难以在生产现场应 用，人还是生产系统的主要角色。为了解决这个问题，应引入新的概念体系， 重构传统的技术手段和实践方式，数字孪生电网是一个较好符合需要的新 方法。 数字孪生电网白皮书提出， “ 数字孪生电网是基于数字孪生基础设施的电网数字化转型方法，通 过在数字空间建设电网、环境、人员和业务四要素，实现数据驱动的全局、 全生命周期的数字孪生体，从而达到不断改善的应用目的。 ” 本白皮书设计了数字孪生电网参考架构，展现了数字孪生基础设施、 数字孪生体平台和数字孪生体应用三个层面的建设指引。跟其他类似的参 考架构不同，数字孪生电网参考架构采用了开放体系，可以实现 “ 建设 - 运行 - 优化 ” 的闭环优化，这正是数字孪生体的潜力所在。 针对数字孪生电网可持续改进特征，工业 4 .0 研究院还提出了从 1 .0 到3 .0 的演进路径，预计经过 1 0 年左右的时间，数字孪生电网将实现全 局和全生命周期生产运行需要，达到源网荷储一体化等管理目标。 为了加速数字孪生体产业的专业化分工和发展，本白皮书专门开辟 III 了“数字孪生电网开源社区”章节，对数字孪生化、资产管理、物联网、 GIS 系统、5G 模组和数字孪生大脑等六大开源模块做了介绍。 在本白皮书最后一部分，呈现了多个数字孪生电网典型案例，代表了 数字孪生体联盟成员的领先企业勇于探索和实践的成就。除此之外，为了 展现数字孪生体联盟成员的创新活力，还精选了部分成员提供的解决方案 名单，以便读者从中获得相关专业服务。 万丈高楼平地起，数字孪生电网有不少理论和技术上的挑战，这需要 大家共同努力。本白皮书只是一个开始，数字孪生体联盟将继续推进相关 工作，争取把研究工作、案例分析和应用场景等做好，切实帮助电力企业 实现数字化转型目标。 IV 数字孪生体联盟发布，2021 年 编写说明 为了帮助电网行业人士了解“数字孪生电网”，由工业 4.0 研究院撰 写了数字孪生电网白皮书，面向数字孪生体联盟成员征求了典型案例， 同时就相关内容咨询了不少行业专家，在此公开表示感谢。 本白皮书由数字孪生体联盟公开发布。 编写单位： 工业 4.0 研究院 发布单位： 数字孪生体联盟 支撑单位及人员： 北京优锘科技有限公司，刘凯、姜振国、胡亚茹、李政 北京和信瑞通电力技术股份有限公司，刘福玉、何锡、宋云、杨春 中科吉芯（秦皇岛）信息技术有限公司，张正军、杜晓昕、俞伟国、 李文勇、尹太军 深圳无线电检测技术研究院，张莎、李腾飞、农华斌 北京翼络数字技术有限公司，刘继业、吴海军、李心悦 如果需要进一步了解白皮书，请联系：零点壹，微信：punkt1 或发送邮件到： V 目 录 1.迎接数字孪生体时代 .1 1.1数字孪生体简史.1 1.2 中国数字孪生创新计划 .3 2.数字孪生电网概念 .5 3.数字 孪生电网参考架构 .8 3.1参考架构简要介绍.8 3.2数字孪生基础设施 .9 3.3 数字孪生体平台 .11 3.4 数字孪生体应用 .12 VI 数字孪生体联盟发布，2021 年 4.数字孪生电网演进 .13 4.1数字孪生电网1.0. .14 4.2数字孪生电网2.0.14 4.3数字孪生电网3.0 .15 5.数字孪生电网 开源社区 .17 5.1建立激励相容的开源社区.17 5.2数字孪生电网开源模块 .18 6.数字孪生电网案例 .19 6.1 基于数字孪生体的能源运行保障平台（优锘科技）.19 6.2火力发电厂数字孪生EIM平台（和信瑞通）.23 6.3基于三维数字孪生的电网数字化移交平台（中科吉芯). .27 6.4无线电频谱数字孪生在智能电网的应用 （ 无线电检测院 ). . . 3 1 6.5数字孪生基础设施建设解决方案（翼络数字） .33 7.数字孪生电网解决方案名录 .36 附录1关于推进“上云用数赋智”行动 培育新经济发展实施方案.38 附录2关于加快推进国有企业数字化转型工作的通知.47 VII 表格 1 数字孪生体相关政策文件（国家级） .3 表格 2 主要电力公司数字孪生体应用情况.6 表格 3 数字孪生电网1.0-3.0演进.13 表格 4 数字孪生电网开源模块.18 表格 5 数字孪生体联盟成员解决方案.36 图表 1 全球数字孪生体产业竞争格局.1 图表 2 数字孪生电网基本图示.5 图表 3 数字孪生电网参考架构.8 图表 4 数字孪生电网的基础设施.10 图表 5 数字孪生电网的平台体系.11 图表 6 能源运行保障平台业务架构图. 20 图表 7 优锘科技平台级能力设计.23 图表 8 火力发电厂数字孪生EIM平台架构.24 图表9电网数字化移交的多种场景.27 图表10电网数字化移交演进过程.28 图表 11 面向智能电网的无线电频谱数字孪生体.30 图表 12 变电站无线电频谱采集及设备相关界面.31 图表 13数字孪生基础设施建设解决方案.33 1 1. 迎接数字孪生体时代 1.1 数字孪生体简史 自2 009 年 DARPA 率先提出数字孪生体（Digital Twin）概念以来， 经过美国空军研究实验室、NASA、麻省理工学院、剑桥大学、工业 4.0 研 究院、洛克希德马丁、波音公司和通用电气等机构的持续努力，已经成 为一个理论体系完整的新范式 3 ，开始进入产业化发展阶段。 工业 4 .0 研究院率先推进数字孪生体产业化发展，于 2 019 年成立了 全球第一家数字孪生体联盟，比美国同类组织早七个月。为了进一步普及 工业4 .0研究院数字孪生体研究成果，2 020年底出版发行了数字孪生体 4 一书，成为全球第一本阐释数字孪生体产业的书籍，获得了行业人士的关 注。 图表 1 全球数字孪生体产业竞争格局 经过五年多时间的准备，工 业4 .0 研究院完成了数字孪生体理论研究 工作，根据行业探索和实践实际情况，提出了仿真派、连接派和数据派三 3 美国空军研究实验室专家 Pamela A. Kobryn 在2 019 年美国工程院的演讲中，指出数字孪生 体经过 1 0 年时间的发展，已经成为一门体系完整的技术范式。 4 该书全名为数字孪生体：第四次工业革命的通用目的技术，在各大网上平台可以购买。 数字孪生体联盟发布，2021 年 2 大数字孪生体流派，并提出了包含数字孪生化、数字线程和数字孪生体平 台的技术体系，同时还创造性引入软件行业的“前向兼容”概念，作为数 字孪生体的本质特征。 为了便于行业企业应用数字孪生体，工业 4 .0 研究院还设计了“降维 策略实施指南”，强调应从资产类的场景入手，解决一些“低端”需求， 促使数字孪生体技术的成熟，从而为其产业化发展提供肥沃的土壤。为此， 数字孪生体一书还介绍了数字孪生制造、数字孪生城市、数字孪生航 空航天、数字孪生能源和数字孪生国防。 最近几年时间，电力行业逐步引入数字孪生体技术，逐步形成了较为 广泛的数字孪生体应用场景。根据数字孪生体产业发展的现状，工业 4 .0 研究院提出了“数字孪生 + ” 概念，以描述和指引各行各业的数字孪生体 应用。截止到 2 021 年初，“数字孪生 + ” 在制造、汽车、电力、矿山、石 化、水利和城市等领域得到应用，形成了多行业探索应用的态势。 工业4 .0研究院在2 020年底发布的数字孪生体报告（2 021） 5 中指出， 数字孪生体时代到来了。 1.2 中国数字孪生创新计划 在工业 4 .0 研究院支撑下，国家发改委和中央网信办于 2 020 年4月 7 日在关于推进“上云用数赋智”行动 培育新经济发展实施方案中提 出了包含数字孪生体的新一代数字技术，同时提出了“数字孪生创新计划”， 以解决数字化转型的关键核心技术等问题。这是我国首次提出数字孪生体 战略，体现了我国对未来产业的高瞻远瞩和战略判断。 2020年8月2 1日，国资委进一步落实“数字孪生创新计划”，发布了关 5 数字孪生体报告（2 021）于 2 020 年1 2 月3 1 日发布，数字孪生体联盟成员可以联系秘 书处领取该报告。预计 2 022 年 1 月公开数字孪生体报告（ 2021）电子版，请注意数字孪生 体联盟微信号发布的通知。 3 于加快推进国有企业数字化转型的通知，其中多处强调国有企业应主动 作为，全面推动数字孪生体的应用。 工业 4 .0 研究院为此做了分析，具体体现为： (1) 建设基础数字技术平台。 数字孪生体技术是很关键的基础数字技 术平台，它有助于着力夯实数字化转型基础。 (2) 推进生产运营智能化。 实现作业现场全要素、全过程自动感知、 实时分析和自适应优化决策，提高生产质量、效率和资产运营水平，赋能 企业提质增效。 (3) 加快关键核心技术攻关。 数字孪生被认定为前沿技术，应把它打 造形成国际先进、安全可控的数字化转型技术体系。 (4) 打造制造类企业数字化转型示范。 增强基于数字孪生的设计制造 水平，加快形成动态感知、预测预警、自主决策和精准执行能力，全面提 升企业研发、设计和生产的智能化水平。 表格 1 数字孪生体相关政策文件（国家级） 序号 文件名称 单位 时间 数字孪生体相关内容 1 关于推进“上云用数赋智” 行动 培育新经济发展实施 方案 国家发改 委、中央 网信办 2020 年4 月7日 n 数字孪生体为新一代 数字技术 n 数字孪生创新计划， 突破关键核心技术 2 关于加快推进国有企业数 字化转型工作的通知 国资委 2020 年8 月2 1 日 n 建设基础数字技术平 台 n 推进生产运营智能化 n 加快关键核心技术攻 关 n 打造制造类企业数字 化转型示范 数字孪生体联盟发布，2021 年 4 3 “十四五”智能制造发展 规划（征求意见稿） 工信部 2021 年4 月1 4 日 n 数字孪生体制造业创 新中心 n 探索形成一批“数字 孪生 +”智能场景 n 推动数字孪生新技术 创新应用 n 推动数字孪生基础共 性标准研制 在国资委文件指引下，国有企业敢于担当，迅速启动了数字孪生体相 关工作。 2021 年初，国家电网、南方电网、华电煤业等国有企业相继发布 文件，要求开展能源互联网数字孪生体顶层架构设计和相关战略规划。 除了国有企业，私营企业更为积极，数字孪生体联盟大部分企业为私 营企业，它们积极参与数字孪生体应用的探索，已经在各个领域取得了不 少成果，包括制造、汽车、机械、城市等领域。数字孪生体报告（2 021） 精选了 1 0 大案例，展现了我国数字孪生体产业丰富多彩的探索景象。 5 2. 数字孪生电网概念 工业 4 .0 研究院的分析显示，电网行业具有价值较高、技术要求不复 杂等特点，非常适合作为数字孪生体应用的先导性场景。部分电力企业虽 然引入了数字孪生体技术，但主要应用在发电厂和配电厂的数字孪生化， 简单讲即为可视化，其他场景的应用存在各种各样的问题，并未形成全局 和全生命周期的应用。 从我国主要的电力公司推进数字化转型和数字孪生体的情况来看，大 部分没有形成公司级别的战略和规划，更谈不上形成全局和全生命周期的 数字孪生体，这不利于数字孪生体技术在电网领域的应用和普及。 图表 2 数字孪生电网基本图 示 具体来讲，目前电网行业主要有三方面的挑战： 一是缺乏理论支撑。 对于什么是数字孪生电网缺乏系统和统一的认知， 甚至于有时候还是互相矛盾的说法，其知识大都来自于国防领域或航空航 天，并不适合电网这样的模块化特征较为明显的领域。 二是缺乏系统的规划。 多家电网公司的调研显示，各家公司大都采用 供应商提供的资料做规划，因此往往陷入供应商埋下的坑中，难以响应企 数字孪生体联盟发布，2021 年 6 业经营中创新的需要。 三是现有技术风险巨大。 从各电网公司采用的数字孪生体解决方案来 看，大部分采用了游戏引擎（例如 Unity、UE 等）和消费互联网技术（例 如数据中台等），这在解决管理信息化方面能起到一定作用，但不太容易 满足电网公司精细化或精准化管理等高级需求。 表格 2 主要电力公司数字孪生体应用情况 编号 企业 主题 数字孪生体应用 1 国家电网有限公司 能源互联网 开展电网数字孪生顶层设 计 2 中国南方电网有限责任公司 数字电网 发布主网数字孪生建设 工作指引（2 021） 3 中国华能集团有限公司 数字华能 利用数字技术为电力生产 和能源服务赋能 4 中国大唐集团有限公司 数字智慧 构建发电行业首个数字化 作战室 5 中国华电集团有限公司 数字华电 暂无公司级举措 6 国家能源投资集团有限责任 公司 数字化运营 暂无公司级举措 7 国家电力投资集团有限公司 以数转型 用数发展 因数创新 暂无公司级举措 经过全面系统的研究，工业 4 .0 研究院率先提出了完整的 “数字孪 生电网”（DTG，Digital Twin Grid） 概念，广义上指电力行业的数字孪 生体应用，狭义上指从发电、输电、配电和用电全生命周期场景下的数字 孪生体应用。 数字孪生电网定义如下： 数字孪生电网是基于数字孪生基础设施的电网数字化转型方法，通过 在数字空间建设电网、环境、人员和业务四要素，实现数据驱动的全局、 全生命周期的数字孪生体，从而达到不断改善的应用目的。 跟行业内其他定义不同，工业 4 .0 研究院给出的数字孪生电网定义， 引入了数字孪生基础设施，以解决平台烟囱的弊端。跟现有的电力企业高 度集成的数字孪生体实践不同，数字孪生电网更强调模块化和开放架构， 7 这有助于形成可持续改进的技术体系，实现“前向兼容”的目标。 另外，数字孪生电网采用了实体化的方法，能够固化各种数字孪生化 成果，有助于技术专业化分工形成，最终各个模块可以独立进行优化改进， 避免了技术体系的复杂性，导致管理成本过高和过于复杂，从而无法实现 预定的可持续改进要求。 必须指出的一点是，数字孪生电网概念和体系还在建设初期，在实际 应用中既要不断改进，以适配应用场景需要，又要不断修正调整，为电网 行业的生产经营提供价值。 简而言之，数字孪生电网相关理论研究还需要持续开展，一方面可以 为实践保驾护航，另一方面可以引入一些新的理念和技术，与时俱进保持 数字孪生电网概念的领先性。 数字孪生体联盟发布，2021 年 8 3. 数字孪生电网参考架构 3.1 参考架构简要介绍 根据数字孪生电网的定义，工业 4 .0 研究院设计了数字孪生电网参考 架构，总体分为三个层面：数字孪生基础设施、数字孪生体平台和数字孪 生体应用，以便电力企业在实际应用中参考。 从数字孪生电网工程实现来讲，应建立一个物理世界和数字空间对应 的数字孪生基础设施，主要包含电网、环境、人员和业务四大要素，进一 步实现数据驱动的全局、全生命周期的数字孪生体，达到不断改善的应用 目的。 图表 3 数字孪生电网参考架构 跟电网行业通常采用的平台和模型高度耦合模式不同，数字孪生电网 强调开放架构（Open Architecture），实现了数字孪生模型的基础设施化， 平台主要承担能力建设和提供功能，避免了烟囱式平台的出现，这正是目 前上云用数赋智的潜在风险，大多数云平台或工业互联网平台，采取了能 9 力内敛的方式，给数字孪生体应用提供的创新空间较小，较小的利益相关 方难以构建自己的核心竞争力，长期将不利于数字孪生体技术生态的持续 演进和发展。 在数字孪生电网参考架构中，传感设备、边缘计算和物联网等没有被 强调，因为这些技术较为成熟，可以从市场上很容易获得。作为独立的研 究机构，工业 4 .0 研究院需要考虑数字孪生电网参考架构自身的创新意义， 而无需考虑利益相关者的保护，因此数字孪生电网参考架构中引入了有价 值的技术元素。 当然没有列入数字孪生电网参考架构的一些要素并非不重要，例如安 全模块等，之所以没有显性列入，是因为它们可以在各个模块之下构建， 从而使之无所不在，保障数字孪生电网的安全运行。通过把关键模块展现 出来，有助于体系设计者把握数字孪生电网的关键要素，释放数字孪生体 的全局和全生命周期的价值和潜能。 3.2 数字孪生基础设施 依据数字孪生体一书所介绍的数字孪生化方法，对数字孪生电 网的电网、环境、人员和业务四个要素进行分级数字孪生化（Digital Twinning），形成一个可持续改进的数字基础设施。当然，电网企业可以 根据投资和应用需求，先建设亟需的数字孪生基础设施，待应用条件更为 成熟的时候，才开始建设更高级的数字孪生化水平。 数字孪生体联盟发布，2021 年 10 图表 4 数字孪生电网的基础设施 工业 4 .0 研究院对电网企业的调研显示，目前提供数字孪生体解决方 案的供应商，大都采用 BIM 建模，基本上可以呈现数字孪生化第一个等级 （DTL1，Digital Twinning Level 1 ） 的要求，即满足几何形状要求，这 通常采用点云技术来实现的，有部分供应商也雇佣低成本的建模团队实现， 这是所谓正向建模方式（即 CAD 建模）。 在实现了基本的几何建模之后，如果贴上纹理等“好看”的可视化效 果，可以满足不少电网企业领导追求的大屏展示效果。然而这样的效果已 经不能满足进一步管理的需要，这促使电网企业开始正视数字孪生体的本 质价值。按照数字孪生体一书提出的数字孪生化五级划分，可以在几 何模型上面继续深化数据融合，从而实现更丰富的数据驱动效果。 以上正是数字孪生基础设施要突破的关键核心技术，从目前行业实践 来看，还没有突出的解决方案，因为一些理论上的问题还要进一步研究， 厘清相关应用体系和场景，从而才可以设计和探索出有效的工程工具和方 法。 11 3.3 数字孪生体平台 在数字孪生电网参考架构中，数字孪生体平台是能力构建的关键系统。 数字孪生体联盟成员需要认识到，部分商业企业把数字孪生体平台称为数 字孪生操作系统或者其他名称，其实质没有不同，它们都是为了实现平台 赋能的价值，这是数字孪生体时代的一个重要特征。 建设数字孪生电网的平台，应该遵循面向开发者的基本要求，同时应 包含经常使用的场景库、方便使用的开发平台和资源丰富的开源社区，这 是一个成功的数字孪生体平台应该具备的基本要素。 图表 5 数字孪生电网的平台体系 国内大部分数字孪生体平台不满足这样的条件 ，工业 4 .0 研究院分析 认为，这主要是企业经营策略不成熟和不先进造成的，过于囿于单一项目 的需要，而没有能力设计出高质量的商业模式，同时也没有能力去执行这 样的策略。例如，国内几乎没有企业可以把开源社区和经营策略完美结合， 但在美国几乎成为一种标准配置。 数字孪生体联盟成员北京优锘科技有限公司开发了 ThingJS，实现了 数字孪生体联盟发布，2021 年 12 面向开发者的简化目标，它通过为数字孪生体应用场景构建模板，实现了 场景化开发，较大幅度降低了开发者的困难。不过，它目前还没有引入开 源社区，如果可以搭配资源丰富的开源社区， ThingJS 可能会具有吸引 3.4 数字孪生体应用 从电网行业的特点来看，发电、输电、变电、配电和用电全流程都有 应用潜力，但出于投资主体的原因，目前行业实践主要以发电厂和变电站 两大应用为主，市场上可以看到的数字孪生电网项目，也主要以这两个物 理场景的数字孪生化为主，它们通常的应用方式是可视化，以满足在展示 厅的大屏上显示出发电厂或变电站为主。 由于建设方投资能力不同，加上行业鱼龙混杂和是似而非的解决方案， 即便是发电厂和变电站的技术手段也花样百出。 有的采用正向建模，雇佣摄影师拍摄，然后雇佣临时工或学生来完 成 CAD 建模，再来进行渲染或加工；还有的采用点云技术建模后，再来 进行加工处置，或者根据客户需要，最终建成虚拟现实（VR，Virtual Reality）或者动画，以满足领导更高的动态效果要求。 这些可视化实践无可厚非，而且电网领域的规模并不是最突出的，如 果以智慧城市来看，智慧城市中关于数字孪生体的应用，差不多都是类似 的做法。随着数字孪生体技术的成熟，数字孪生体应用也开始呈现更为丰 富的应用模式。 数字孪生电网的应用也不例外，如何实现数字孪生电网一张图？这可 能需要从开发工具上突破，现有的游戏引擎或开发平台显然不能满足数字 孪生电网建设需要，仿真目的的工具更不能满足数字孪生电网进一步的要 求，开发真正面向数字孪生电网的系统，既是电网行业发展的挑战，同时 也是一个巨大的机遇。 13 4. 数字孪生电网演进 工业 4 .0 研究院把数字孪生电网分为三个阶段，其基础设施、平台和 应用在不同阶段具有不同的要求，分别称之为 1 .0、2 .0 和3 .0 阶段，体 现了数字孪生电网可持续改进的核心价值。 表格 3 数字孪生电网 1 .0-3.0 演进 数字孪生电网 1 .0 数字孪生电网 2 .0 数字孪生电网 3 .0 核心任务 基本完成四大要素 建设任务 实现全局数据机制 实现全局和全生命周期数 据机制 基础设施 搭建好数字孪生基 础设施框架，完成 DTL1 数字孪生化 引入 GIS、室内定位等 数据并融合，能实现四 要素 DTL 2-3 数字孪生 化 全面建立点云驱动的数字 孪生化和数据机制，能够 实现不断改进的目标 平台 搭建好开发平台、 开源社区和场景编 排等基本功能 能够实现操作系统所 要求的即插即用 拥有一定规模的开发群 体，并具有持续改善能力 应用 重点实现资产管理 类应用 重点实现全局优化类 应用 重点实现全生命周期类应 用 数字孪生体联盟发布，2021 年 14 4.1 数字孪生电网 1 .0 当前电网行业的目标是建设数字孪生电网 1 .0，它的成功将影响 2 .0 和3 .0 的基础是否坚实，可持续改进的目标能否实现。数字孪生电网 1 .0 核心任务是完成电网、环境、人员和业务四要素的建设任务，这也是数字 孪生电网建设的起点，它决定了其数字化转型的基本技术路径和方法。 在基础设施方面，应搭建好数字孪生基础设施框架，完成初级的数字 孪生化（即 DTL1）, 这个阶段的数字孪生化要求是几何形状。 需要指出的是，DTL 1 对建模要求是基本的，是不是建立人感觉真实 的游戏模型，并不是必须的，而且有的时候会加大数字孪生基础设施的数 据量，影响未来进一步数字孪生化。 在数字孪生电网 1 .0 阶段，应该把开发平台、开源社区和场景编排等 基本功能建设完成，以便电网企业在其上根据场景开发相关应用。从应用 开发的重点来讲，应重点突破资产管理的难点，利用数字孪生基础设施建 设的契机，争取降低数字孪生资产管理的成本，形成规模化应用的局面。 4.2 数字孪生电网 2.0 只有搭建好数字孪生电网的基本架构，才可能推进 2 .0 的建设工作。 这个时期工作的核心任务为实现全局数据机制，这是能否发挥数字孪生基 础设施和数字孪生体平台的潜能的标识，同时也能够验证数字孪生体应用 是否繁荣。 在数字孪生电网 1 .0 基础上，可以为数字孪生基础设施引入 GIS、室 15 内定位等数据，加强电网、环境、人员和业务四要素的数字孪生化水平。 工业 4 .0 研究院分析认为，数字孪生电网 2 .0 阶段可以实现 DTL 2-3，这将 推动数字孪生平台进入到一个新水平和阶段。 随着数字孪生基础设施的完善和丰富，数字孪生体平台将能够实现类 似操作系统的即插即用，也就是可以实现各种能力的简单获得，同时便于 针对大量的应用场景进行配置，而不是个性化开发。跟其他非标数字孪生 体应用场景不同，电网行业属于集中式统一管理的网络型企业，较容易统 一采购和建设，因此其数字孪生体平台需要建设的场景并不多，即便场景 较多，也容易最终实现覆盖。 在数字孪生电网 2 .0 阶段，由于数据较为丰富，平台功能较为强大， 可以重点解决全局优化的问题，开发一些关键的全局优化的数字孪生体应 用。针对发电、输电、变电、配电和用电的一些较大范围的优化工作，诸 如为了满足碳达峰等要求，可以充分发挥数字孪生电网 2 .0 的价值。 4.3 数字孪生电网 3 .0 工业 4 .0 研究院分析显示，数字孪生电网 1 .0 和2 .0 大致需要五年左 右的时间实现，接下来可以基于已经建成的基础设施和平台不断改进能力， 不断完善相关数据机制，最终满足深度学习分析所要求的数据规模性，形 成真正的“深度数字孪生体”（Deep Digital Twin）应用。 斯坦福大学李飞飞针对二维图像，建立了深度学习基础设施 ImageNet，大大推进了新一代人工智能的进步和发展。随着深度数字 孪生体理论的发展，麻省理工学院和工业4 .0 研究院等机构正在研究 DigitaltwinNet，希望为三维或多维的数字模型建立深度学习机制。 如果深度数字孪生理论在五年内得到突破，那么数字孪生电网 3 .0 将 是深度学习所驱动的，这将大大提升其智能化程度，达到真正的智能化决 数字孪生体联盟发布，2021 年 16 策，按照数字孪生电网理论研究所显示，3 .0 阶段能实现全局和全生命周 期数据机制。 对于数字孪生电网 3 .0 阶段的基础设施，应全面建设点云驱动的数字 孪生化流程，实现数据自动化目标，降低数字孪生电网建设的成本，实现 全面数字化转型目标。如果数字孪生基础设施可以达到这样的目标，数字 孪生体平台将拥有无穷无尽的数据来构建能力，会吸引一定规模的开发者， 并具有持续改善能力。 在此基础上，数字孪生电网 3 .0 将重点实现全生命周期的应用开发， 为真正的无人值守或源网荷储一体化实现提供基本条件。对于目前电网行 业所提出的一些目标，现有研究还不够，技术也不成熟，在最近几年不太 可能满足。 行业人士需要多一些耐心，把数字孪生电网的理论研究工作做好，同 时把数字孪生基础设施打造起来，拥有了足够多的数据，才可能实现数字 孪生电网更高级的目标。 17 5. 数字孪生电网开源社区 5.1 建立 激励相容的 开源社区 数字孪生体技术是第四次工 业革命的新一代通用目的技术，这意味着 数字孪生电网也是一种新型的应用形态。人类社会过去 5 0 年数字技术应 用经验显示，如果要抢占该技术的先机，应通过开源社区加速其发展，以 形成专业化分工的技术生态。 埃里克马斯金（Eric Maskin）是 2007 年诺贝尔经济学奖获得者， 他的主要成就为“机制设计理论”。 2014 年获得诺贝尔经济学奖的让梯 若尔（Jean Tirole）还专门针对开源社区做了经济学研究，撰写了开 源的简单经济学等文章，很好揭示了开源社区的价值和意义 6 。 简单的讲，开源社区解决了“机制设计”问题，即实现了“激励相容” 的目标，使“个人理性和集体理性保持一致”。开源社区让开发者以代码 方式披露自己的创新，有助于参与者之间建立信任，共同加速推进技术专 业化分工，从而实现技术快速成熟，达到“产业化”的共同目标。 工业 4 .0 研究院院长胡权在中国计算机学会 2 021 未来计算机教育峰 会上指出，作为第四次工业革命的通用目的技术，推动其专业化分工和技 6 工业4.0研究院院长胡权在中国计算机学会2021未来计算机教育峰会上做了演讲，题目为数 字孪生体和开源，对开源社区做了经济学分析。 数字孪生体联盟发布，2021 年 18 术生态的快速形成，应保证具有创新能力的中小企业和数字孪生体联盟的 目标一致，那就是共创共赢。 从开源社区的目标来看，应围绕基础性和杀手级应用开源，前者可以 给新技术奠定技术路径，后者可以吸引更多的开发者参与。 数字孪生电网开源社区建设就遵循了这样的原则。 5.2 数字孪生电网开源模块 工业 4 .0 研究院在 2 020 年底提出“数字孪生 + ” 战略，要求加强理 论研究、关键技术攻关和开源社区建设。开源社区是“数字孪生 + ” 标准 配置，数字孪生电网开源社区建设工作非常重要。 表格 4 数字孪生电网开源模块 编号 模块 基本价值 开发阶段 1 数字孪生化 解决低成本建模问题 内部孵化 2 资产管理 解决资产管理问题 IOT 3000，已经成熟 3 物联网 解决设备或系统数据更新问题 IOT 3000，已经成熟 4 GIS 系统 解决电网设备定位问题 Gemini 2020，预计 2022 年开源 5 5G 模组 作为物联网通信模块 内部孵化 6 数字孪生大脑 7 解决深度数字孪生问题 内部孵化 经过工业 4 .0 研究院深入研究，对数字孪生电网做了一定的预测，考 虑到利益相关者介入的可能性，为了保证数字孪生电网持续有机发展，设 计了包含六大模块的开源社区，部分项目还处于内部孵化阶段，待孵化完 成，将公开给数字孪生联盟成员，邀请大家共同参与开发和应用。 7 数字孪生大脑是翼络数字的注册商标。 19 6. 数字孪生电网案例 6.1 基于数字孪生体的能源运行保障平台（优锘科技） 为满足某大型活动的能源运行保障工作，为用户构建了数字化、智能 化、可视化的能源运行保障指挥平台，全力确保活动稳定、可靠、灵活的 能源供应。基于云计算、大数据、物联网、5 G、人工智能等新型信息通信 技术，融合各能源要素及用户数据，贯穿用能保障全过程，实现能源保障 资源及业务流程的数智化。基于对各能源要素、保障资源的实时感知能力， 实现对重要用户全方位监控和保障。 本项目基于数字孪生理念为用户打造统一的能源运行保障平台，在云 大物移智等现代信息技术的支撑下，结合优锘科技的全栈可视化能力与数 据底座，深度融合能源业务，连接、智能、高效的数字能源，赋能保障工作， 推动保障业务的数字化转型。 平台融合传统能源调度、传输、营销、城市运行数据、重点用户数据、 新能源数据、保障指挥等数据，以能源供应保障为核心，实现活动保障相 关内外部数据全接入、全覆盖、全融合。基于优锘的数字孪生平台和全栈 可是能力，重点完成了能源网架、保障指挥、节能环保、城市保障、重点 用户保障五大主题应用场景。 数字孪生体联盟发布，2021 年 20 图表 6 能源运行保障平台业务架构图 能源运行保障平台共分为网架概览、保障指挥、节能环保、城市保障、 重点用户保障五大主题场景。详细描述如下： （一）网架概览 网架概览主题主要通过一张图展示能源网架、保障对象信息，实现用 上下级双向追溯，自动定位故障区域及影响范围，为指挥人员辅助决策提 供支撑。 （二） 保障指挥 保障指挥主题主要通过不同地图层级的设置呈现能源要素、保障力量 及保障对象，通过地图逐层逐级穿透实现宏观、微观的指挥调度，强化保 障业务的管控能力。融合多系统数据，通过对故障进行主动预警、实时定位， 根据网架拓扑关系实现供能路径分析溯源，通过定位、视频技术完成对于 故障的抢修过程管控，实现保障处理全景可视化管理。 21 （三）节能环保 节能环保主题可进行活动相关清洁能源和设施设备的展示和监控。通 过地图不同的层级展示风电、光伏、储能电站、燃气发电相关场所的位置 及清洁能源输送线路。同时针对不同的场所和设施可详细展示各清洁能源 的基本信息、运行图、运行曲线、节能指标等。针对各个重要用户，可进 行不同时间段的电能消耗统计和能耗分析。 （四）城市保障 城市保障主题则通过融合城市交通数据、气象信息，基于 G IS 地图展 示城市主干线路交通状况、交通限行区域；并可以查看各区域交通限行信 息，以及各道路应急指挥信息，助力活动顺利举行，方便出行。 （五）重要用户保障 展示重要用户地理位置分布、道路以及周边环境，同时配合定制化菜 单，包括保障预案、抢修工单、故障简报、故障研判等故障处置信息，实 现基于重要用户管理的相关应用。同时可展示各区域重要用户安排与重要 通知，在 GIS 地图上显示重要用户计划、事项变更等信息，显示重要用户 变更和调整标记。 优锘保障一张图解决方案，通过融合多源数据，实现需求、设备、人 员“三要素”可视化展示及设备状态、环境的智能感知，提供高效的穿透 式指挥，全面保障能源供应和应急指挥的工作需求，探索“智慧保障”的 新模式，实现能源保障业务的可视、可查、可管和可溯。 n 可视：实现能源在地球、国家、省、市、区域、厂站、重要负荷 等不同层级的 360逐级可视，呈现多层级多视角的保电数字化 世界。 n 可查：可便捷的查询数字空间内基础部件、网架资源、人员车辆、 数字孪生体联盟发布，2021 年 22 视频画面、工单、告警及业务等信息。 n 可管：通过对保障全流程、全过程、全方位、全数据的数字孪生 构建，实现对保障工作的指挥和监视。 n 可溯：实现人员定位、车辆定位、行动轨迹、巡检路线等的可视 化追溯，及各保障事件的历史溯源。 以数字孪生场景为载体，基于数字孪生的保障平台将业务系统的各项 关键数据进行整合，形成统一的运营管理窗口，支持从规划、保障、网架、 风险、环保监测管理等多个维度进行监测与管理，以及突发事件的应急指 挥调度，为能源保障运行工作提供数据支撑和统一平台。 北京优锘科技有限公司简介： 北京优锘科技有限公司致力于以数字孪生体的理念提供新一代智能可 视管理平台，实现对万物互联的数字化世界的可视化、智能化、人性化、 众创化的创新管理，是数字孪生可视化领域的先行者及践行者。优锘科技 开创性的将数字孪生技术与可视化相结合，对现实世界中的实体对象，在 数字世界中进行完整描述，通过可视化的手段对实体对象进行仿真、监测、 分析和控制，致力于通过数字孪生可视化技术，帮助人们更好的认知与管 理现实世界。 优锘科技的技术团队由来自 IT 管理软件和计算机图形两个领域的顶 尖专家组成，专注于用户交互方式的不断创新，以“让人们更好的认知和 管理数字化新世界”为企业愿景，自主创意并研发了世界上首款专业的 IT 智能可视运营平台 Tarsier 和新一代物联网可视化 PaaS 平台 ThingJS。凭 籍前瞻的战略眼光、超强的技术实力和跨界的创新理念，优锘科技已经成 为中国成长最快的数据可视化管理软件厂商。 23 图表 7 优锘科技平台级能力设计 优锘科技基于数字孪生理念打造能源产品体系，在云大物移智等现代 信息技术的支撑下，结合全栈可视化能力，与能源业务深度融合，连接、 智能、高效的数字能源，提供电网一张图、智慧变电站、智慧园区、综合 能源、I T 运维等专业解决方案，赋能电力行业提质增效，推动行业数字化 转型。 6.2 火力发电厂数字孪生 EIM 平台（和信瑞通） 智慧电厂数字孪生平台以三维 GIS 基础平台为支撑，基于能源信息模 型（EIM），融合厂区空间、IOT 及业务数据，构建火力发电厂数字孪生体， 实现