《数字孪生电网白皮书》之三：参考架构

导读：由工业4.0研究院编写，数字孪生体联盟发布的《数字孪生电网白皮书》于2021年7月公布，引起了很大的反响。为了便于大家进一步探讨交流，计划分10期全文在“数字孪生电网”公众号刊登所有内容。

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。

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。

图表 3 数字孪生电网参考架构

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。

（一）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。

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 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。

（二）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可能会具有吸引力。

（三）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。