黃超，卜思齊*，陳麒宇，李曉虹

（1.香港理工大學(xué)電機(jī)工程學(xué)系，香港特別行政區(qū) 九龍 999077；2.產(chǎn)品可靠性及系統(tǒng)安全研發(fā)中心，香港特別行政區(qū) 新界 999077；3.中國電力科學(xué)研究院有限公司，北京市 海淀區(qū) 100192）

0 引言

2021年10 月，中共中央國務(wù)院制定了在2030年和2060年之前分別實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和的戰(zhàn)略目標(biāo)，大力發(fā)展可再生能源是實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)的重要途徑[1-2]。大規(guī)?？稍偕茉春碗妱?dòng)汽車的滲透亟需一個(gè)運(yùn)行靈活的電力系統(tǒng)。智能電網(wǎng)作為一個(gè)集成雙向數(shù)據(jù)傳輸和計(jì)算智能的數(shù)字化電力系統(tǒng)，它的靈活運(yùn)行為可再生能源和電動(dòng)汽車的滲透提供了可能。

智能電網(wǎng)概念最早出現(xiàn)在2001 年的Wired Magazine 雜志上，隨后中國、美國和歐盟等國家和地區(qū)都對(duì)智能電網(wǎng)展開戰(zhàn)略研究[3]。通信和計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展促進(jìn)了電力系統(tǒng)的智能化，既能實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸，又能實(shí)現(xiàn)基于電力大數(shù)據(jù)的智能決策。雖然智能電網(wǎng)提高了電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、可靠性和安全性，但是它的數(shù)字化水平仍有進(jìn)一步提高的空間[4-5]，具體體現(xiàn)在兩方面，即泛在信息可視化和超時(shí)空運(yùn)行智能化。泛在信息可視化是用戶導(dǎo)向的數(shù)字化，目的是提高用戶獲取電力系統(tǒng)運(yùn)行信息的便利性和在電站環(huán)境中的沉浸性，但目前電力系統(tǒng)的信息可視化水平較低，無法為用戶提供便利和沉浸式的電站環(huán)境。超時(shí)空運(yùn)行智能化是系統(tǒng)導(dǎo)向的數(shù)字化，當(dāng)前智能電網(wǎng)主要對(duì)電力系統(tǒng)的歷史和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，但對(duì)未來和異常工況數(shù)據(jù)的分析能力較弱，預(yù)測(cè)能力仍有提高的空間。

2021 年，保證數(shù)字資產(chǎn)唯一性的非同質(zhì)化代幣掀起了元宇宙的浪潮。元宇宙最早出現(xiàn)在N.Stephenson的科幻小說《Snow Crash》中，之后一些研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者對(duì)元宇宙進(jìn)行了研究和探索。加速研究基金會(huì)將元宇宙定義為虛擬增強(qiáng)的物理現(xiàn)實(shí)和與現(xiàn)實(shí)世界一致的虛擬空間的集合體，并允許用戶體驗(yàn)其中一種形式。此外，該基金會(huì)還將元宇宙的場(chǎng)景劃分為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、日常記錄、鏡像世界和虛擬世界[6]。Ning等人[7]總結(jié)了元宇宙的特征為多技術(shù)性、強(qiáng)交互性和超時(shí)空性。元宇宙大體上由5個(gè)要素組成：現(xiàn)實(shí)、虛擬、虛實(shí)交互、智能分析和人機(jī)交互?，F(xiàn)實(shí)為元宇宙提供設(shè)備支持和建模參考；虛擬為元宇宙創(chuàng)造一個(gè)不同于現(xiàn)實(shí)的虛擬世界或與現(xiàn)實(shí)一致的鏡像世界；虛實(shí)交互負(fù)責(zé)現(xiàn)實(shí)和虛擬之間的信息轉(zhuǎn)移；智能分析負(fù)責(zé)融合和分析來自現(xiàn)實(shí)和虛擬中的數(shù)據(jù)，并向用戶提供分析結(jié)果和智能決策；人機(jī)交互實(shí)現(xiàn)元宇宙和用戶之間的信息傳遞。元宇宙的大體架構(gòu)為底層關(guān)鍵技術(shù)和上層生態(tài)環(huán)境，底層關(guān)鍵技術(shù)包括數(shù)字孿生、物聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)通信、大數(shù)據(jù)管理、計(jì)算策略、人工智能和先進(jìn)人機(jī)交互，上層生態(tài)環(huán)境是應(yīng)用了元宇宙四大場(chǎng)景的農(nóng)業(yè)、工業(yè)和服務(wù)業(yè)[8]。在工業(yè)領(lǐng)域，交通、航空航天和產(chǎn)品設(shè)計(jì)的元宇宙進(jìn)程較快。在交通領(lǐng)域，日本Nissan公司研發(fā)的Invisible-to-Visible(I2V)技術(shù)旨在為駕駛員提供難以注意到的道路信息，提高駕駛安全性。在航空航天領(lǐng)域，美國的波音公司使用混合現(xiàn)實(shí)設(shè)備培育人員維修波音737[9]。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域，英偉達(dá)公司研發(fā)的Nvidia Omniverse 是全球首個(gè)虛擬產(chǎn)品合作和仿真平臺(tái)，提高了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率。

將元宇宙引入電力系統(tǒng)能進(jìn)一步提升電力系統(tǒng)的信息化和智能化程度，形成新一代智能電網(wǎng)。元電力的多個(gè)底層關(guān)鍵技術(shù)能促進(jìn)電力系統(tǒng)運(yùn)行的靈活性、安全性和智能性，它的強(qiáng)交互性能提高電力系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和維護(hù)的便利性和沉浸性，它的超時(shí)空性能夠突破現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)空局限性，有利于加速能源戰(zhàn)略評(píng)估推演和雙碳進(jìn)程發(fā)展。本文將引入元宇宙的電力系統(tǒng)定義為元電力，首先對(duì)其概念和特征進(jìn)行闡述，然后對(duì)它的要素和場(chǎng)景進(jìn)行分析，最后對(duì)它所面臨的挑戰(zhàn)和未來發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。

1 元電力概念

元電力是元宇宙在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，它有五大要素：現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)、虛擬電力系統(tǒng)、虛實(shí)交互系統(tǒng)、智能分析系統(tǒng)和人機(jī)交互系統(tǒng)。元電力基于虛實(shí)交互系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)和虛擬電力系統(tǒng)之間的雙向數(shù)據(jù)傳輸，基于智能分析系統(tǒng)能對(duì)來自現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)和虛擬電力系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合和分析，基于人機(jī)交互系統(tǒng)能給用戶提供現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)和虛擬電力系統(tǒng)的信息。

元電力由設(shè)施層和平臺(tái)層2 部分組成，設(shè)施層包括現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)、虛擬電力系統(tǒng)和虛實(shí)交互系統(tǒng)，平臺(tái)層包括智能分析系統(tǒng)和人機(jī)交互系統(tǒng)，如圖1 所示。在設(shè)施層中，現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)是元電力的物理骨架，為虛擬電力系統(tǒng)提供建模參考；虛擬電力系統(tǒng)是元電力的數(shù)字骨架，能跟隨現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)更新，其中數(shù)字孿生是實(shí)現(xiàn)虛擬電力系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)；虛實(shí)交互系統(tǒng)是元電力的虛實(shí)通信媒介，負(fù)責(zé)現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)和虛擬電力系統(tǒng)的信息獲取、交換和存儲(chǔ)，其中物聯(lián)網(wǎng)、通信網(wǎng)絡(luò)和大數(shù)據(jù)管理是實(shí)現(xiàn)虛實(shí)交互系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。在平臺(tái)層中，智能分析系統(tǒng)是元電力的“大腦”，實(shí)現(xiàn)元電力運(yùn)行的智能化，其中計(jì)算策略和人工智能是智能分析系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)；人機(jī)交互系統(tǒng)是用戶和元電力的通信媒介，其中先進(jìn)人機(jī)交互技術(shù)是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。

圖1 元電力框架Fig.1 Framework of meta-power

在元電力設(shè)施層中，現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)、虛擬電力系統(tǒng)和虛實(shí)交互系統(tǒng)之間的紐帶構(gòu)成了元電力四大場(chǎng)景：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、日常記錄、鏡像世界和虛擬世界。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是虛擬電力系統(tǒng)流經(jīng)虛實(shí)交互系統(tǒng)到現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)的單向信息流，能夠?yàn)楝F(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)提供虛擬數(shù)據(jù)分析和虛擬可視化信息；日常記錄是現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)和虛擬電力系統(tǒng)到虛實(shí)交互系統(tǒng)的雙向信息流，能夠?qū)ΜF(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)和虛擬電力系統(tǒng)的異常事件進(jìn)行記錄和復(fù)現(xiàn)；鏡像世界是現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)和虛擬電力系統(tǒng)流經(jīng)虛實(shí)交互系統(tǒng)的雙向信息流，該場(chǎng)景下的虛擬電力系統(tǒng)相當(dāng)于一個(gè)平行控制器，負(fù)責(zé)從現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)中獲取數(shù)據(jù)，經(jīng)過分析后再向現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)發(fā)出控制命令；虛擬世界是現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)流經(jīng)虛實(shí)交互系統(tǒng)到虛擬電力系統(tǒng)的單向信息流，基于現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)的虛擬電力系統(tǒng)能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)人員和實(shí)習(xí)人員提供一個(gè)虛擬的電站環(huán)境，輔助電站設(shè)計(jì)和新人培訓(xùn)。

2 元電力特征

元電力是元宇宙在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，因此元電力和元宇宙具有共同的特征：多技術(shù)性、強(qiáng)交互性和超時(shí)空性。元電力多技術(shù)性體現(xiàn)在它由數(shù)字孿生、物聯(lián)網(wǎng)、通信網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)管理、計(jì)算策略、人工智能和先進(jìn)人機(jī)交互技術(shù)支持。元電力的強(qiáng)交互性體現(xiàn)在它不僅強(qiáng)調(diào)現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)和虛擬電力系統(tǒng)之間的交互，還強(qiáng)調(diào)元電力和用戶之間的交互。元電力的超時(shí)空性分別體現(xiàn)在系統(tǒng)和用戶層面。在系統(tǒng)層面，元電力能夠?qū)崿F(xiàn)未來能源戰(zhàn)略評(píng)估推演(時(shí)間維度)和任意多工況運(yùn)行(空間維度)。在用戶層面，元電力能夠讓用戶穿越到過去或未來的電站環(huán)境中學(xué)習(xí)和研究(時(shí)間維度)，讓用戶在任何一個(gè)虛擬電站進(jìn)行學(xué)習(xí)(空間維度)。

目前智能電網(wǎng)的信息化和智能化水平較高，能實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)運(yùn)行的自適應(yīng)性、自修復(fù)性、靈活性、可預(yù)測(cè)性、多技術(shù)性、交互性、經(jīng)濟(jì)性和安全性。但是智能電網(wǎng)仍有發(fā)展空間，具體表現(xiàn)在泛在信息可視化和超時(shí)空運(yùn)行智能化。泛在信息可視化是用戶導(dǎo)向的數(shù)字化，它旨在把電氣設(shè)備的運(yùn)行信息在電力系統(tǒng)的各個(gè)設(shè)備上進(jìn)行可視化，給用戶提供便利和沉浸的電力系統(tǒng)體驗(yàn)。超時(shí)空運(yùn)行智能化是系統(tǒng)導(dǎo)向的數(shù)字化，它是指用人工智能算法對(duì)電力系統(tǒng)歷史、當(dāng)前、未來時(shí)間段內(nèi)和任意工況下的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的能力。

元電力的強(qiáng)交互性和超時(shí)空性能夠解決智能電網(wǎng)泛在信息可視化和超時(shí)空運(yùn)行智能化不足的問題，是成為新一代智能電網(wǎng)的關(guān)鍵特征。先進(jìn)人機(jī)交互技術(shù)，如擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)(extended reality，XR)設(shè)備和全息投影，能夠提高運(yùn)維人員在巡檢過程中的便利性和沉浸性，運(yùn)維人員能在電站環(huán)境中無處不在、無時(shí)無刻地獲取設(shè)備的運(yùn)行信息，并且能用這些先進(jìn)人機(jī)交互技術(shù)與電氣設(shè)備進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)泛在信息可視化?；跀?shù)字孿生的虛擬電力系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)元電力超時(shí)空性的核心技術(shù)，有了與現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)平行的虛擬電力系統(tǒng)之后，運(yùn)行人員和設(shè)計(jì)人員能夠用該虛擬電力系統(tǒng)對(duì)未來的能源戰(zhàn)略進(jìn)行評(píng)估推演(時(shí)間維度)以及進(jìn)行任意多工況仿真，以獲得大量電力系統(tǒng)的運(yùn)行態(tài)勢(shì)(空間維度)，實(shí)現(xiàn)超時(shí)空運(yùn)行智能化。

3 元電力要素

元電力的實(shí)施需要現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)、虛擬電力系統(tǒng)、虛實(shí)交互系統(tǒng)、智能分析系統(tǒng)和人機(jī)交互系統(tǒng)五大要素的協(xié)同運(yùn)行。

3.1 現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)

3.1.1 現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)的架構(gòu)

現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)是元電力的物理骨架，元電力的最終目的是用多種先進(jìn)技術(shù)賦予現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)泛在信息可視化和超時(shí)空運(yùn)行智能化的功能。當(dāng)前的現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)由發(fā)電、輸電、變電、配電、用電、儲(chǔ)電和調(diào)度中心組成?？稍偕茉春碗妱?dòng)汽車的滲透給電力系統(tǒng)帶來新的技術(shù)變革，分別在源、網(wǎng)、儲(chǔ)側(cè)產(chǎn)生了虛擬發(fā)電廠技術(shù)、微電網(wǎng)技術(shù)和V2G 技術(shù)3 個(gè)代表技術(shù)，圖2 描述了現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)的架構(gòu)和主要成分。

圖2 現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)的架構(gòu)Fig.2 Realistic power system framework

3.1.2 虛擬發(fā)電廠技術(shù)

虛擬發(fā)電廠是一種基于云的分布式能源管理系統(tǒng)，它利用信息技術(shù)聚合各種分布式能源向主網(wǎng)銷售能源電力或提供輔助服務(wù)。虛擬發(fā)電廠包含資源聚合和聚合協(xié)調(diào)兩大技術(shù)。資源聚合技術(shù)是控制分布式能源的技術(shù)，負(fù)責(zé)對(duì)小型風(fēng)力發(fā)電站、小型光伏發(fā)電站、空調(diào)和儲(chǔ)能系統(tǒng)等分布式能源進(jìn)行管理。聚合協(xié)調(diào)技術(shù)是分析電網(wǎng)需求的技術(shù)，負(fù)責(zé)與電網(wǎng)運(yùn)營商進(jìn)行大功率能源電力交易和小功率輔助服務(wù)支持?；谶@2 個(gè)技術(shù)的虛擬發(fā)電廠為無法直接參與電力交易的分布式能源擁有者提供了一個(gè)銷售電力的平臺(tái)，代表他們進(jìn)行電力批發(fā)。此外，虛擬發(fā)電廠能為電網(wǎng)運(yùn)營商提供頻率穩(wěn)定和瞬時(shí)需求響應(yīng)等輔助服務(wù)[10]。

3.1.3 微電網(wǎng)技術(shù)

微電網(wǎng)是一種由分布式能源、本地負(fù)荷、儲(chǔ)能設(shè)備和并網(wǎng)接口構(gòu)成的新型電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，它的優(yōu)勢(shì)在于當(dāng)主網(wǎng)發(fā)生故障后，微電網(wǎng)仍能以孤島運(yùn)行模式向某一個(gè)地區(qū)的用戶供電。微電網(wǎng)的正常運(yùn)行需要多種技術(shù)的支撐，包括電壓穩(wěn)定技術(shù)、頻率穩(wěn)定技術(shù)、并網(wǎng)運(yùn)行和孤島運(yùn)行的穩(wěn)定切換技術(shù)以及孤島運(yùn)行下的不確定性管理技術(shù)[11]。微電網(wǎng)在孤島運(yùn)行時(shí)僅靠間歇性分布式能源向當(dāng)?shù)刎?fù)荷供電，為了提高微電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性，微電網(wǎng)孤島運(yùn)行下的不確定性分析尤為重要[12]。

3.1.4 V2G技術(shù)

電動(dòng)汽車的普及使得負(fù)荷側(cè)的用電量變大且用電模式更復(fù)雜，但是電動(dòng)汽車在實(shí)際中也能給現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)帶來好處。有研究[13]表明，在大多數(shù)時(shí)間電動(dòng)汽車處于停泊狀態(tài)，電動(dòng)汽車在停泊狀態(tài)時(shí)與現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)相連，可以作為備份儲(chǔ)能單元，起“削峰填谷”的作用，減緩可再生能源發(fā)電不穩(wěn)定對(duì)現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)造成的影響，這種把電動(dòng)汽車作為移動(dòng)式儲(chǔ)能單元的技術(shù)稱為V2G技術(shù)。

3.2 虛擬電力系統(tǒng)

虛擬電力系統(tǒng)是元電力的數(shù)字骨架，是元電力具有超時(shí)空特性和實(shí)現(xiàn)超時(shí)空運(yùn)行智能化的關(guān)鍵要素。傳統(tǒng)智能電網(wǎng)主要對(duì)現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)進(jìn)行分析，而元電力需要對(duì)現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)和虛擬電力系統(tǒng)進(jìn)行分析，用多工況下的虛擬分析結(jié)果補(bǔ)充現(xiàn)實(shí)分析結(jié)果，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)分析的完備性，實(shí)現(xiàn)虛擬電力系統(tǒng)的底層關(guān)鍵技術(shù)是數(shù)字孿生。

Gartner[14]將數(shù)字孿生視為2018 年十大戰(zhàn)略技術(shù)之一，它通過與現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)相連實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)映射。Rodic[15]提出數(shù)字孿生是下一個(gè)仿真范式，它不在設(shè)計(jì)階段和運(yùn)行階段對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真?？傮w上，數(shù)字孿生的構(gòu)建需要2步：1）數(shù)字孿生建模；2）數(shù)字孿生更新。物理模型、數(shù)據(jù)模型和混合模型是進(jìn)行數(shù)字孿生建模的三大方式。物理模型基于物理定律和系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行建模；數(shù)據(jù)模型基于歷史和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)或機(jī)器學(xué)習(xí)建模；混合模型同時(shí)應(yīng)用物理模型和數(shù)據(jù)模型，用在可局部物理建模的模型中。數(shù)字孿生更新是數(shù)字孿生技術(shù)的關(guān)鍵一環(huán)，因?yàn)樗ＷC了現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)和數(shù)字孿生的一致性，圖3 為數(shù)字孿生更新的流程圖。數(shù)字孿生基于更新方法的不同，可分為系統(tǒng)模態(tài)更新和系統(tǒng)參數(shù)更新。系統(tǒng)模態(tài)更新是指模型結(jié)構(gòu)發(fā)生變化；而系統(tǒng)參數(shù)更新是指模型參數(shù)發(fā)生變化。數(shù)字孿生基于更新策略的不同，可分為基于周期和基于事件的更新。基于周期的更新是指定期更新模型；而基于事件的更新是指根據(jù)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)和數(shù)字孿生的差異來觸發(fā)更新。

圖3 數(shù)字孿生更新流程圖Fig.3 Update flowchart of digital twin

2020 年中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院編制了一本數(shù)字孿生應(yīng)用白皮書，該書對(duì)電力行業(yè)的數(shù)字孿生應(yīng)用作了總結(jié)，具體包括電廠三維可視化管理、電廠運(yùn)行優(yōu)化、電氣設(shè)備健康管理、通用電網(wǎng)模型構(gòu)建和電網(wǎng)設(shè)計(jì)及運(yùn)維管理。用數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)造虛擬電力系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確反映現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)整個(gè)生命周期的運(yùn)行狀態(tài)，為運(yùn)維人員提供了在低成本、低風(fēng)險(xiǎn)環(huán)境下進(jìn)行分析的機(jī)會(huì)。數(shù)字孿生建模在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用較為成熟，圖4 為虛擬電力系統(tǒng)模型。物理模型可分為基于結(jié)構(gòu)的有限元建模和基于拓?fù)涞南到y(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模。基于結(jié)構(gòu)的有限元建模方式主要用在虛擬電氣設(shè)備上，在發(fā)電、變電、輸配電、用電和儲(chǔ)電都有應(yīng)用[16-25]。基于拓?fù)涞南到y(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模主要用在虛擬電網(wǎng)的建模，如IEEE搭建的基于現(xiàn)實(shí)輸配電網(wǎng)的拓?fù)淠Ｐ蚚26-27]。雖然物理模型驅(qū)動(dòng)的虛擬電力系統(tǒng)有利于對(duì)現(xiàn)象進(jìn)行解釋，但是該種建模方法往往需要大量運(yùn)行時(shí)間。隨著信息和通信基礎(chǔ)設(shè)施在電力系統(tǒng)的大規(guī)模搭建，研究者開始探索基于數(shù)據(jù)的建模方法，然而現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)具有高維特征，因此用傳統(tǒng)的機(jī)器學(xué)習(xí)模型難以建立虛擬電力系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型。隨機(jī)矩陣的高維表示能力和深度學(xué)習(xí)的強(qiáng)非線性學(xué)習(xí)能力能夠分別解決電力數(shù)據(jù)高維度和電力模型強(qiáng)非線性的問題，是建立虛擬電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型的可行方向[28]。數(shù)字孿生除了能對(duì)現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)的物理側(cè)進(jìn)行建模外，還能對(duì)控制側(cè)進(jìn)行建模。一些研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)構(gòu)建了能同時(shí)仿真現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)物理側(cè)和控制側(cè)的測(cè)試平臺(tái)，如USF 智能電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室的硬件環(huán)測(cè)試臺(tái)、基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的智能電網(wǎng)測(cè)試臺(tái)以及其他具有不同功能的測(cè)試臺(tái)[29-31]。

圖4 虛擬電力系統(tǒng)模型Fig.4 Virtual power system model

在構(gòu)建好虛擬電力系統(tǒng)之后，還需要用現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)對(duì)虛擬電力系統(tǒng)進(jìn)行更新。虛擬電力系統(tǒng)的更新已經(jīng)有了一些初步成果。在電氣設(shè)備層面，文獻(xiàn)[32]采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型建立逆變器的數(shù)字孿生，并用新的數(shù)據(jù)對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行更新，實(shí)現(xiàn)虛擬逆變器模型和現(xiàn)實(shí)逆變器之間的誤差低于3%。在電網(wǎng)系統(tǒng)層面，文獻(xiàn)[33]用物理模型對(duì)電力系統(tǒng)的物理側(cè)和控制側(cè)進(jìn)行建模，并利用傳感器數(shù)據(jù)對(duì)物理模型的參數(shù)進(jìn)行更新以實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬電力系統(tǒng)的更新，該虛擬電網(wǎng)系統(tǒng)和現(xiàn)實(shí)電網(wǎng)系統(tǒng)的平均誤差不超過4%。此外，與能源分配系統(tǒng)平行的虛擬能源管理系統(tǒng)被設(shè)計(jì)出來以實(shí)現(xiàn)能源的最優(yōu)分配[34]。

3.3 虛實(shí)交互系統(tǒng)

元電力的虛實(shí)交互系統(tǒng)是現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)和虛擬電力系統(tǒng)之間的通信媒介，負(fù)責(zé)現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)和虛擬電力系統(tǒng)的感知、交互、管理和控制功能。虛實(shí)交互系統(tǒng)由物聯(lián)網(wǎng)、通信網(wǎng)絡(luò)和大數(shù)據(jù)管理技術(shù)支持，其中物聯(lián)網(wǎng)起感知和控制功能，通信網(wǎng)絡(luò)起數(shù)據(jù)傳輸功能，大數(shù)據(jù)管理起大數(shù)據(jù)預(yù)處理和管理功能。

3.3.1 物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)由設(shè)備、邊緣和平臺(tái)3個(gè)部件組成。設(shè)備是實(shí)體終端，邊緣是多個(gè)運(yùn)行設(shè)備通過邏輯關(guān)系構(gòu)成的耦合連接，平臺(tái)是多個(gè)域的中心樞紐，是一個(gè)集成的面向應(yīng)用的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)分析和系統(tǒng)控制[35]。物聯(lián)網(wǎng)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用包括監(jiān)督控制和數(shù)據(jù)采集(supervisory control and data acquisition，SCADA)系統(tǒng)、廣域監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(wide area measurement system，WAMS)和高等電表基礎(chǔ)設(shè)施(advanced metering infrastructure， AMI)， 基 于SCADA、WAMS和AMI系統(tǒng)的泛在電力物聯(lián)網(wǎng)如圖5所示。

圖5 泛在電力物聯(lián)網(wǎng)Fig.5 Ubiquitous power internet of things

SCADA 系統(tǒng)是基于上位機(jī)的集中物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的過程控制。SCADA系統(tǒng)主要由智能電子設(shè)備(intelligent electronic device，IED)、遠(yuǎn)程遙控單元(remote terminal unit，RTU)、可編程邏輯控制器(programmable logic controller，PLC)、基于主仆架構(gòu)的上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫和通信基礎(chǔ)設(shè)施組成[36]。其中IED 用于監(jiān)測(cè)斷路器、變壓器和電容器組等電氣設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)；RTU 負(fù)責(zé)與IED 交互，將IED 的傳感器讀數(shù)轉(zhuǎn)為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式，最后將傳感器數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)測(cè)站；PLC 用于實(shí)現(xiàn)過程控制；上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)從RTU 中收集數(shù)據(jù)、進(jìn)行數(shù)據(jù)分析并向PLC 發(fā)送控制指令；數(shù)據(jù)庫負(fù)責(zé)儲(chǔ)存并管理數(shù)據(jù)；通信基礎(chǔ)設(shè)施用來連接物聯(lián)網(wǎng)中的各個(gè)組件[37]。

WAMS 是由相位測(cè)量單元(phasor measurement unit，PMU)、相位數(shù)據(jù)收集器(phasor digital collector，PDC)和衛(wèi)星組成的物聯(lián)網(wǎng)，它能夠每20 ms提供同步的相位測(cè)量信息且每一個(gè)數(shù)據(jù)的同步誤差在1 ms之內(nèi)[38]。該物聯(lián)網(wǎng)中的關(guān)鍵成分是PMU，目前大多數(shù)PMU以60 Hz的頻率產(chǎn)生電壓、電流、頻率和相位角信號(hào)，中國的一些PMU已經(jīng)以100 Hz的頻率產(chǎn)生電氣信號(hào)[39]。WAMS的引入使電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性分析成為了可能。

傳統(tǒng)的智能電表物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)是自動(dòng)電表讀數(shù)(automatic meter reading，AMR)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用單向通信設(shè)計(jì)，只允許對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，但不允許對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行控制[36]。為了能對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行控制，基于雙向通信的AMI系統(tǒng)被提出。不同于SCADA系統(tǒng)，AMI系統(tǒng)是分布式物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)智能電表之間、智能電表和IED 之間以及智能電表和其他控制系統(tǒng)之間的互連。AMI 系統(tǒng)不僅可以用于獲取用電側(cè)的電能質(zhì)量、用電量和故障記錄，還能監(jiān)測(cè)分布式能源的發(fā)電量或儲(chǔ)電量[40]。

3.3.2 通信網(wǎng)絡(luò)

物聯(lián)網(wǎng)的正常運(yùn)行離不開通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸支持，通信網(wǎng)絡(luò)大體上分為有線通信和無線通信。常見的有線通信方式有電力線通信、數(shù)字用戶線通信和光纖通信，無線通信網(wǎng)絡(luò)方式有ZigBee、無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)(如射頻網(wǎng)絡(luò))和蜂窩狀網(wǎng)絡(luò)通信(如3G、4G、5G和WiMAX)。

通信網(wǎng)絡(luò)較在電力物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用較成熟。電力線通信在高壓側(cè)的1 100 kV 交直流線路上以40～500 kHz 頻段運(yùn)行，在中壓側(cè)用于變電站之間的通信，在低壓側(cè)用于AMI系統(tǒng)、V2G系統(tǒng)和家庭能源管理系統(tǒng)。數(shù)字用戶線和光纖通信用在SCADA 系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)變電站和調(diào)度中心的通信。ZigBee 功耗低、數(shù)據(jù)率低和成本低，適合用在智能避雷、電氣自動(dòng)化和自動(dòng)讀表等場(chǎng)景。射頻網(wǎng)絡(luò)和WiMAX 網(wǎng)絡(luò)可應(yīng)用在AMI 系統(tǒng)中傳輸智能電表數(shù)據(jù)。WiFi通信因其范圍小，適于在用戶側(cè)應(yīng)用，如家庭能源管理系統(tǒng)和V2G 系統(tǒng)[41-42]。此外，衛(wèi)星通信能作為電力系統(tǒng)通信的備用通信方案，在電力通信系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)通過衛(wèi)星進(jìn)行通信，進(jìn)一步提高通信可靠性。

3.3.3 大數(shù)據(jù)管理

大數(shù)據(jù)管理包含數(shù)據(jù)庫管理和數(shù)據(jù)集群管理兩大策略。數(shù)據(jù)庫管理是一種將大量不同類型的存儲(chǔ)設(shè)備集合起來對(duì)外提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和業(yè)務(wù)訪問的策略。數(shù)據(jù)集群管理是一種將不同數(shù)據(jù)源進(jìn)行收集、整理和轉(zhuǎn)換后加載到一個(gè)新的大型數(shù)據(jù)源，并對(duì)該數(shù)據(jù)源進(jìn)行集中管理和對(duì)外提供服務(wù)的策略。

數(shù)據(jù)庫大體上分為關(guān)系型數(shù)據(jù)庫和非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫。傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫需要存儲(chǔ)數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)性，不利于海量數(shù)據(jù)的存取，而非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)無需固定的表式結(jié)構(gòu)，也不存在連接操作，對(duì)海量數(shù)據(jù)擁有極高的讀寫性能，更能滿足大數(shù)據(jù)時(shí)代的數(shù)據(jù)管理需求。

數(shù)據(jù)集群管理主要有Apache基金會(huì)開發(fā)的集群系統(tǒng)架構(gòu)，包括Hadoop、Storm、Spark 和Drill[43]。Hadoop 的應(yīng)用較成熟，本文主要對(duì)Hadoop的架構(gòu)進(jìn)行分析。Hadoop架構(gòu)包括分布式文件系統(tǒng)(HDFS)、 分布式并行編程模型(MapReduce)、分布式數(shù)據(jù)庫(HBase)，其中HDFS可有效存儲(chǔ)海量數(shù)據(jù)，MapReduce 可在超大集群規(guī)模下對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行分布式處理，HBase 是一種分布式的非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，圖6 為基于Hadoop的數(shù)據(jù)管理框架。

圖6 基于Hadoop的數(shù)據(jù)管理框架Fig.6 Hadoop-based data management framework

大數(shù)據(jù)管理在電氣設(shè)備和電網(wǎng)系統(tǒng)層面都得到了有效應(yīng)用。在電氣設(shè)備層面，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電預(yù)測(cè)需要大量數(shù)據(jù)的支持，大數(shù)據(jù)管理技術(shù)的海量存儲(chǔ)、管理和篩選能力令風(fēng)電場(chǎng)的數(shù)據(jù)收集更有效率，支持中國在新能源轉(zhuǎn)型上的決策，降低新能源政策帶來的數(shù)據(jù)處理成本[44-45]。在電網(wǎng)系統(tǒng)層面，IED、PMU 和智能電表的普及極大增加了電力數(shù)據(jù)量，非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫和分布式集群系統(tǒng)架構(gòu)能有效對(duì)電網(wǎng)大數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)層面的大數(shù)據(jù)分析。

3.4 智能分析系統(tǒng)

智能分析系統(tǒng)是元電力的“大腦”，負(fù)責(zé)融合和分析來自現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)和虛擬電力系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。與只分析現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳統(tǒng)智能電網(wǎng)不同，元電力需要處理來自現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)和虛擬電力系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，這無疑為計(jì)算資源的分配和人工智能的實(shí)施帶來了挑戰(zhàn)。然而和傳統(tǒng)智能電網(wǎng)一樣，元電力智能分析系統(tǒng)的底層關(guān)鍵技術(shù)也是計(jì)算策略和人工智能，其中計(jì)算策略起實(shí)時(shí)計(jì)算的功能，人工智能起智能分析的功能。

3.4.1 計(jì)算策略

計(jì)算策略分為云計(jì)算、邊緣計(jì)算和混合計(jì)算。云計(jì)算是指把所有數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心進(jìn)行分析計(jì)算，它的優(yōu)勢(shì)是強(qiáng)計(jì)算能力，但需要所有傳感器數(shù)據(jù)都上傳到數(shù)據(jù)中心，給通信網(wǎng)絡(luò)帶來了較大負(fù)擔(dān)，且會(huì)出現(xiàn)分析延時(shí)、數(shù)據(jù)盜竊的情況。邊緣計(jì)算是指數(shù)據(jù)只在本地進(jìn)行分析，該種計(jì)算保證了分析的實(shí)時(shí)性和安全性，但是只能進(jìn)行小規(guī)模計(jì)算?；旌嫌?jì)算是指用數(shù)據(jù)中心和本地服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，該種計(jì)算策略通過合理分配云和邊緣的計(jì)算資源實(shí)現(xiàn)大規(guī)模計(jì)算的準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性和安全性?；旌嫌?jì)算基于合作策略又可分為分布式計(jì)算、分層式計(jì)算和聯(lián)邦式計(jì)算。

云計(jì)算平臺(tái)已經(jīng)被國家電網(wǎng)應(yīng)用于高負(fù)荷的重復(fù)計(jì)算和分析[46]?；谠破脚_(tái)的高性能并行計(jì)算可應(yīng)用于電力系統(tǒng)潮流計(jì)算、可靠性分析和安全評(píng)估中以提高計(jì)算效率和結(jié)果置信度。對(duì)于大型電力系統(tǒng)，時(shí)域仿真計(jì)算量很大，基于云的高性能并行計(jì)算能提高大規(guī)模電力系統(tǒng)的時(shí)域仿真速度。此外，傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)潮流計(jì)算、可靠性分析和安全評(píng)估采用確定性分析，導(dǎo)致分析結(jié)果較保守和運(yùn)行成本較高。在電力系統(tǒng)中引入云計(jì)算有利于進(jìn)行基于蒙特卡洛的概率性潮流計(jì)算、可靠性分析和安全評(píng)估，給計(jì)算結(jié)果引入不確定度以提高電力系統(tǒng)分析的置信度。

隨著多種邊緣設(shè)備，如智能繼電器、IED、智能電表、基站、無人機(jī)和本地?cái)?shù)據(jù)中心等的盛行，邊緣計(jì)算開始在電力系統(tǒng)有所實(shí)施，主要是為了能夠?qū)崿F(xiàn)低延遲的電力系統(tǒng)控制和保護(hù)。Tong等人[47]提出了一個(gè)基于邊緣計(jì)算策略的電力保護(hù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用IED作為邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)進(jìn)行電力系統(tǒng)的短路診斷。此外，文獻(xiàn)[48]用變電站服務(wù)器作為邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)，用訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的故障定位。

混合計(jì)算是一種集成云計(jì)算和邊緣計(jì)算的策略，它綜合利用了云計(jì)算高計(jì)算性能和邊緣計(jì)算低延遲性能的優(yōu)點(diǎn)，是一種對(duì)計(jì)算資源進(jìn)行最優(yōu)分配的計(jì)算策略。Liu等人[49]基于混合計(jì)算策略用深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)模型對(duì)城市的能源進(jìn)行最優(yōu)管理。在該研究中，混合計(jì)算框架的邊緣層不僅負(fù)責(zé)對(duì)電力數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、預(yù)處理并傳輸給云層，還負(fù)責(zé)從云層獲取更新后的深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)模型，對(duì)電力潮流進(jìn)行控制。云層主要負(fù)責(zé)用來自邊緣層的電力數(shù)據(jù)進(jìn)行深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的訓(xùn)練，再把訓(xùn)練好的Q值傳輸給邊緣層執(zhí)行邊緣模型的更新。

3.4.2 人工智能

人工智能技術(shù)包括機(jī)器學(xué)習(xí)、計(jì)算機(jī)視覺、自然語言處理和知識(shí)圖譜，其中機(jī)器學(xué)習(xí)因其強(qiáng)學(xué)習(xí)能力受到廣泛關(guān)注。基于學(xué)習(xí)模式的不同，機(jī)器學(xué)習(xí)可分為監(jiān)督學(xué)習(xí)、無監(jiān)督學(xué)習(xí)、集成學(xué)習(xí)和強(qiáng)化學(xué)習(xí)[50]。2006 年，具有強(qiáng)非線性學(xué)習(xí)能力的深度學(xué)習(xí)被提出，提高了對(duì)現(xiàn)實(shí)世界復(fù)雜系統(tǒng)的建模能力。機(jī)器學(xué)習(xí)已廣泛應(yīng)用在電力系統(tǒng)的發(fā)電量預(yù)測(cè)、用電量預(yù)測(cè)、電力系統(tǒng)控制、電氣設(shè)備健康評(píng)估和電力系統(tǒng)故障診斷方面。

人工智能能夠?qū)稍偕茉吹陌l(fā)電量進(jìn)行預(yù)測(cè)。對(duì)于風(fēng)電，在工業(yè)上，芬蘭的維薩拉公司和施耐德公司合作開發(fā)的WeatherSentry 軟件使用風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和氣象數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)了風(fēng)機(jī)的輸出功率[51]。在學(xué)術(shù)上，Jiao 等人[52]提出了一個(gè)基于堆疊自編碼器、粒子群優(yōu)化和反向傳播算法的風(fēng)機(jī)功率預(yù)測(cè)模型。對(duì)于光伏發(fā)電，基于深度學(xué)習(xí)的光伏輸出功率的預(yù)測(cè)方法較多，具體可參考文獻(xiàn)[53]。

除了發(fā)電預(yù)測(cè)外，人工智能還能用于用電負(fù)荷預(yù)測(cè)。負(fù)荷和電價(jià)、政策、季節(jié)等多種因素有關(guān)，難以建立精確的物理模型，人工智能技術(shù)尤其是深度學(xué)習(xí)依靠其強(qiáng)非線性能力，能夠很好地?cái)M合負(fù)荷和影響因素之間的關(guān)系，進(jìn)而對(duì)未來的負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測(cè)。負(fù)荷預(yù)測(cè)分為短期和中長期負(fù)荷預(yù)測(cè)，文獻(xiàn)[54]和[55]分別用長短期記憶網(wǎng)絡(luò)和基于注意力機(jī)制的雙向長短期記憶網(wǎng)絡(luò)對(duì)短期負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測(cè)，文獻(xiàn)[56]提出了一種用廣義極端學(xué)習(xí)機(jī)對(duì)小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練的技術(shù)，對(duì)中長期負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測(cè)。

智能控制系統(tǒng)能夠自動(dòng)規(guī)劃電力系統(tǒng)的運(yùn)行，最大化滲透可再生能源的電力系統(tǒng)的運(yùn)行效率。文獻(xiàn)[57]提出了一種深度學(xué)習(xí)模型實(shí)現(xiàn)對(duì)未來電網(wǎng)的最優(yōu)控制，且能適用于不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電力系統(tǒng)。Zhang等人[58]提出了一種用于配電網(wǎng)的共識(shí)遷移Q學(xué)習(xí)模型，該模型基于Q值矩陣實(shí)現(xiàn)去中心化發(fā)電站的最優(yōu)發(fā)電分配。

傳統(tǒng)的電氣設(shè)備健康評(píng)估方法依賴主觀選取的特征，而人工智能尤其是深度學(xué)習(xí)的強(qiáng)特征選取能力進(jìn)一步提升了電氣設(shè)備的健康分析能力，實(shí)現(xiàn)早期異常警報(bào)和剩余壽命預(yù)測(cè)。文獻(xiàn)[59]用集成回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)電力變壓器的健康狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算，相比于專家推理機(jī)能更準(zhǔn)確地描述電力變壓器的健康狀態(tài)。文獻(xiàn)[60]用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)高壓電纜進(jìn)行局部放電診斷，其診斷準(zhǔn)確性和敏感性比支持向量機(jī)和反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)高，可以有效區(qū)分局部放電信號(hào)和噪聲信號(hào)。此外，文獻(xiàn)[61]用XGBoost 算法和K-Means 算法對(duì)光伏板進(jìn)行性能評(píng)估以實(shí)現(xiàn)運(yùn)維優(yōu)化。

人工智能除了能檢測(cè)電氣設(shè)備的不良情況，還能檢測(cè)電網(wǎng)系統(tǒng)的異常運(yùn)行，包括系統(tǒng)故障識(shí)別和故障位置定位。對(duì)于系統(tǒng)故障識(shí)別，文獻(xiàn)[62]使用了決策樹、KNN、支持向量機(jī)和樸素貝葉斯方法對(duì)微電網(wǎng)的故障模式進(jìn)行了準(zhǔn)確識(shí)別。對(duì)于故障位置定位，小波變換和支持向量機(jī)能夠?qū)旊娋€路的故障位置進(jìn)行識(shí)別[63]。

3.5 人機(jī)交互系統(tǒng)

人機(jī)交互系統(tǒng)是元電力和用戶之間的通信媒介，是實(shí)現(xiàn)元電力強(qiáng)交互性和泛在信息可視化的關(guān)鍵要素。元電力的人機(jī)交互系統(tǒng)采用XR 設(shè)備和全息投影進(jìn)行信息顯示，并采用可穿戴式控制器進(jìn)行操作控制。

XR 設(shè)備包含增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(augmented reality，AR)設(shè)備、虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality，VR)設(shè)備和混合現(xiàn)實(shí)(mixed reality，MR)設(shè)備。AR 設(shè)備用于現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的交互，它使用智能傳感器和可視化界面為現(xiàn)實(shí)用戶提供虛擬體驗(yàn)或數(shù)字化信息。VR設(shè)備用于虛擬環(huán)境中的交互，交互影響只能作用于虛擬世界，而無法作用于現(xiàn)實(shí)世界。MR 設(shè)備可同時(shí)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界和虛擬世界的交互，在機(jī)器人的幫助下可實(shí)現(xiàn)在虛擬世界中對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的物體進(jìn)行操控。例如，Laaki 等人[64]設(shè)計(jì)了基于MR 的遠(yuǎn)程手術(shù)系統(tǒng)，醫(yī)生對(duì)病人的數(shù)字化身進(jìn)行的手術(shù)都將用機(jī)械臂在患者身上重復(fù)進(jìn)行。

全息投影是一種通過光學(xué)手段呈現(xiàn)物體真實(shí)三維圖像的虛擬再現(xiàn)技術(shù)。全息投影直接向用戶呈現(xiàn)三維圖像，用戶無需佩戴XR 設(shè)備便可用肉眼從不同角度查看圖像。隨著全息投影技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)實(shí)世界和虛擬世界的界限變得模糊，為實(shí)現(xiàn)元電力的泛在信息可視化打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

先前電力行業(yè)的人機(jī)交互系統(tǒng)經(jīng)歷了三代變革：第一代以模擬信號(hào)為顯示方式，以旋鈕、刀閘等機(jī)械開關(guān)為操控方式；第二代以上位機(jī)顯示屏為顯示方式，以上位機(jī)操作系統(tǒng)(如Windows)為操控方式；第三代以移動(dòng)端顯示屏為顯示方式，以移動(dòng)端操作系統(tǒng)(如Android)為操控方式。第四代人機(jī)交互系統(tǒng)將是以XR 設(shè)備和全息投影為顯示方式，以可穿戴式控制器為操控方式的元電力人機(jī)交互系統(tǒng)。圖7 為電力行業(yè)人機(jī)交互系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)程。

圖7 電力行業(yè)人機(jī)交互系統(tǒng)發(fā)展進(jìn)程Fig.7 Development process of human-machine interaction system in the power industry

元電力人機(jī)交互系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)運(yùn)維人員和元電力之間的互動(dòng)，即元電力通過XR 設(shè)備和全息投影給運(yùn)維人員提供沉浸式可視化信息，以及運(yùn)維人員借助可穿戴式控制器對(duì)元電力進(jìn)行操作控制。

元電力通過AR 設(shè)備給運(yùn)維人員提供現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)的數(shù)字化信息。運(yùn)維人員無需手提檢測(cè)裝置，戴上AR 眼鏡就能巡檢，提高了巡檢的便利性。例如，文獻(xiàn)[65]設(shè)計(jì)了一個(gè)用于注釋變壓器真實(shí)數(shù)據(jù)的AR 系統(tǒng)，將SCADA/EMS 系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)在真實(shí)變壓器設(shè)備上進(jìn)行可視化顯示。元電力通過VR 設(shè)備給運(yùn)維人員提供虛擬電力系統(tǒng)的數(shù)字化信息，用于訓(xùn)練和學(xué)習(xí)。Gorski 等人[66]用VR設(shè)計(jì)了2個(gè)訓(xùn)練場(chǎng)景，分別是在虛擬變電站中操作開關(guān)和在配電設(shè)備中接入新的電纜，并給出了詳細(xì)的操作規(guī)程。元電力通過MR 設(shè)備能夠?yàn)檫\(yùn)維人員同時(shí)提供現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)和虛擬電力系統(tǒng)的數(shù)字化信息，為運(yùn)維人員提供更多資訊，提高巡檢過程中分析的準(zhǔn)確性[67]。全息投影直接向運(yùn)維人員呈現(xiàn)現(xiàn)實(shí)電氣設(shè)備的虛擬三維圖像，運(yùn)維人員無需佩戴XR 設(shè)備便可獲取到電氣設(shè)備的運(yùn)行信息。肖東裕等人[68]用偽全息投影技術(shù)實(shí)現(xiàn)了電氣設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)安全管理的虛擬可視化。

在獲取到來自元電力的數(shù)字化信息后，運(yùn)維人員需要基于獲取到的信息進(jìn)行決策和操作。前三代的人機(jī)交互系統(tǒng)只允許運(yùn)維人員對(duì)現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)進(jìn)行操作，而第四代的元電力人機(jī)交互系統(tǒng)允許運(yùn)維人員對(duì)現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)和虛擬電力系統(tǒng)進(jìn)行操作，具體有3 種操作場(chǎng)景，分別是純現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)操作場(chǎng)景，純虛擬電力系統(tǒng)操作場(chǎng)景和虛實(shí)協(xié)同操作場(chǎng)景。純現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)操作場(chǎng)景是指運(yùn)維人員在獲得元電力的數(shù)字化信息后，用可穿戴式控制器控制機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)程檢修。純虛擬電力系統(tǒng)操作場(chǎng)景是指運(yùn)維人員在獲得元電力的數(shù)字化信息后，用可穿戴式控制器控制數(shù)字人進(jìn)行操作訓(xùn)練。虛實(shí)協(xié)同操作場(chǎng)景適用于運(yùn)維人員從元電力中接收到了未曾見過的運(yùn)行狀態(tài)后的應(yīng)急措施，本質(zhì)上是一種試錯(cuò)方案，該操作場(chǎng)景分為3步：1）把現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)的狀態(tài)映射到虛擬電力系統(tǒng)中；2）運(yùn)維人員進(jìn)入虛擬電力系統(tǒng)中嘗試多種操作，最后得到一個(gè)最優(yōu)操作方案；3）把在虛擬電力系統(tǒng)中得到的最優(yōu)操作方案實(shí)施在現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)中。

4 元電力場(chǎng)景

4.1 元電力四大場(chǎng)景

元電力場(chǎng)景是元宇宙四大場(chǎng)景在電力系統(tǒng)中的體現(xiàn)，也是元電力設(shè)施層3 個(gè)要素之間紐帶的體現(xiàn)，圖8為元電力四大場(chǎng)景。

圖8 元電力四大場(chǎng)景Fig.8 Four scenarios of meta-power

元電力的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是虛擬電力系統(tǒng)的信息向現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)的單向流動(dòng)，可分為數(shù)據(jù)增強(qiáng)和信息增強(qiáng)；日常記錄是現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)和虛擬電力系統(tǒng)的信息向數(shù)據(jù)庫的流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)歷史事件記錄和復(fù)現(xiàn)；鏡像世界是現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)和虛擬電力系統(tǒng)之間的雙向流動(dòng)，具體應(yīng)用場(chǎng)景有運(yùn)行控制、信息保護(hù)、健康管理和彈性恢復(fù)；虛擬世界是現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)的信息向虛擬電力系統(tǒng)的單向流動(dòng)，然后基于現(xiàn)實(shí)信息設(shè)計(jì)出來的虛擬電力系統(tǒng)向設(shè)計(jì)人員和培訓(xùn)人員提供設(shè)計(jì)、規(guī)劃和訓(xùn)練服務(wù)。

4.2 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)分為數(shù)據(jù)增強(qiáng)和信息增強(qiáng)。數(shù)據(jù)增強(qiáng)是指用虛擬電力系統(tǒng)進(jìn)行多工況仿真，獲取正常工況、異常工況和極端工況下的電力運(yùn)行數(shù)據(jù)。信息增強(qiáng)主要是對(duì)當(dāng)前的電氣設(shè)備和電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行信息化表示，實(shí)現(xiàn)泛在信息可視化。

數(shù)據(jù)增強(qiáng)可用于現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)發(fā)電量預(yù)測(cè)、用電量預(yù)測(cè)和態(tài)勢(shì)感知中。對(duì)于發(fā)電量和用電量預(yù)測(cè)，虛擬電力系統(tǒng)可以對(duì)多種工況下的可再生能源機(jī)組和用戶用電模式進(jìn)行仿真，增加可再生能源發(fā)電量和用戶用電量的數(shù)據(jù)數(shù)量和維度，進(jìn)一步提高深度學(xué)習(xí)模型的準(zhǔn)確性。態(tài)勢(shì)感知是指對(duì)電力系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行高分辨率描述的能力，包括感知、理解和映射3 個(gè)步驟。數(shù)據(jù)增強(qiáng)能提高運(yùn)行人員對(duì)電力系統(tǒng)的態(tài)勢(shì)感知，通過各類仿真和可視化結(jié)果幫助運(yùn)行人員理解電力系統(tǒng)在不同工況下現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)變[69]。

在元電力中，信息增強(qiáng)需要SCADA 系統(tǒng)、WAMS系統(tǒng)和AMI系統(tǒng)等信息處理系統(tǒng)和交互界面的支持。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的交互界面是二維顯示屏，但這種人機(jī)交互媒介便利性和沉浸性低，無法為巡檢人員實(shí)時(shí)提供電氣設(shè)備的運(yùn)行信息。AR的引入能向巡檢人員實(shí)時(shí)提供電氣設(shè)備的信息，準(zhǔn)確在電氣設(shè)備上顯示運(yùn)行數(shù)據(jù)信息，提高了巡檢人員的便利性和巡檢過程的沉浸性。Chae 等人[70]用AR 技術(shù)為電力系統(tǒng)開發(fā)了一套遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，AR 眼鏡與集群無線電系統(tǒng)及RTU 嵌套，將來自集群無線電系統(tǒng)和RTU 的信息在AR 眼鏡上可視化，讓巡檢人員能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)電氣設(shè)備的運(yùn)行信息，并把巡檢過程中的視頻記錄下來，分享給專家進(jìn)行分析。

4.3 日常記錄

在元電力中，日常記錄反映為對(duì)現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)和虛擬電力系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)和事件進(jìn)行收集和復(fù)現(xiàn)，便于對(duì)過去的電力系統(tǒng)進(jìn)行記錄和分析。

元電力具有現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)和虛擬電力系統(tǒng)兩大系統(tǒng)，因此元電力的數(shù)據(jù)量很大，如何合理存儲(chǔ)和管理來自現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)和虛擬電力系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，成為了實(shí)現(xiàn)日常記錄的關(guān)鍵問題。電力系統(tǒng)大多時(shí)候都運(yùn)行在正常工況下，因此正常運(yùn)行的數(shù)據(jù)要遠(yuǎn)多于異常運(yùn)行的數(shù)據(jù)，然而異常數(shù)據(jù)的價(jià)值比正常數(shù)據(jù)的價(jià)值大。當(dāng)前應(yīng)用在電力系統(tǒng)的數(shù)字故障記錄儀可用于記錄設(shè)備的故障信息，然而并沒有自動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備故障前數(shù)據(jù)序列的功能，為了擴(kuò)展元電力的事件庫或故障庫，具有自動(dòng)存儲(chǔ)故障前數(shù)據(jù)序列的故障記錄儀成為了未來的發(fā)展方向[71]。此外，為了存儲(chǔ)來自現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)和虛擬電力系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，一個(gè)合理的大數(shù)據(jù)管理策略很重要。元電力的數(shù)據(jù)庫應(yīng)該是存儲(chǔ)理解化程度高的信息而非原始數(shù)據(jù)，因此用大數(shù)據(jù)技術(shù)將海量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為運(yùn)行人員能直觀理解的信息再進(jìn)行存儲(chǔ)是一個(gè)更優(yōu)的日常記錄方案。Hadoop分布式文件系統(tǒng)、分層擴(kuò)展存儲(chǔ)機(jī)制、基于邊緣設(shè)備的微型存儲(chǔ)策略和基于云平臺(tái)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)都能成為元電力的備選數(shù)據(jù)管理方案[72-74]。

對(duì)元電力的歷史數(shù)據(jù)和事件進(jìn)行記錄是為了能夠?qū)^去的現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)進(jìn)行事件或故障復(fù)現(xiàn)。元電力的虛擬電力系統(tǒng)能夠從數(shù)據(jù)庫中獲取過去現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)發(fā)生某一個(gè)事件的數(shù)據(jù)記錄，接著用該歷史數(shù)據(jù)作為虛擬電力系統(tǒng)的輸入，對(duì)過去現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)的事件或故障進(jìn)行復(fù)現(xiàn)，有利于運(yùn)行人員對(duì)過去現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)發(fā)生的事件或故障有一個(gè)直觀了解。例如，在虛擬電力系統(tǒng)環(huán)境中復(fù)現(xiàn)切爾諾貝利核電站事故或20世紀(jì)北美大停電事故，有利于提高運(yùn)行人員的操作安全意識(shí)。

4.4 鏡像世界

元電力的鏡像世界場(chǎng)景反映為現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)和虛擬電力系統(tǒng)之間的交互控制，該場(chǎng)景主要對(duì)當(dāng)前正在運(yùn)行的電力系統(tǒng)進(jìn)行分析和控制。現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)用傳感器和通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)教摂M電力系統(tǒng)中，虛擬電力系統(tǒng)基于獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行虛擬運(yùn)行，并將運(yùn)行結(jié)果可視化，以輔助操作員間接或以控制器形式直接做決策，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)的最優(yōu)運(yùn)行。元電力鏡像世界這一場(chǎng)景可應(yīng)用在電力系統(tǒng)運(yùn)行控制、信息保護(hù)、健康管理和彈性恢復(fù)方面[73-74]。

在鏡像世界場(chǎng)景中，現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)和虛擬電力系統(tǒng)將并行運(yùn)行。這2 個(gè)電力系統(tǒng)將協(xié)助運(yùn)行人員進(jìn)行電力系統(tǒng)的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)評(píng)估以做出最優(yōu)控制決策。在供需平衡方面，能源管理系統(tǒng)和配電管理系統(tǒng)對(duì)能源的輸配電進(jìn)行控制。然而，目前控制中心的供需平衡分析主要進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析，即先對(duì)供需平衡策略進(jìn)行潮流計(jì)算，然后識(shí)別穩(wěn)態(tài)下設(shè)備的溫度和電壓情況，設(shè)定電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行邊界。虛擬電力系統(tǒng)的高保真性和高數(shù)據(jù)率將實(shí)現(xiàn)供需平衡策略的暫態(tài)評(píng)估，確定電力系統(tǒng)的暫態(tài)運(yùn)行邊界。在運(yùn)行保護(hù)方面，虛擬電力系統(tǒng)不僅能夠反映現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，還能模擬未來演變對(duì)狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)?；谔摂M電力系統(tǒng)的暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)評(píng)估可以對(duì)現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)的異常運(yùn)行進(jìn)行檢測(cè)，并及時(shí)切換控制策略進(jìn)行保護(hù)，防止現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)受到嚴(yán)重?fù)p壞。

信息安全是智能電網(wǎng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵保障，智能電網(wǎng)的通信漏洞分為3 類：設(shè)備漏洞、網(wǎng)絡(luò)漏洞和數(shù)據(jù)漏洞。虛擬電力系統(tǒng)可以仿真現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)不同攻擊場(chǎng)景，用來及時(shí)檢測(cè)信息泄露、篡改和入侵的情況。文獻(xiàn)[75]使用了亞馬遜網(wǎng)絡(luò)服務(wù)建立虛擬電力系統(tǒng)平臺(tái)對(duì)配電系統(tǒng)進(jìn)行安全分析，能夠阻止虛擬數(shù)據(jù)注入、拒絕服務(wù)和協(xié)同攻擊等類型的攻擊。虛擬電力系統(tǒng)除了能夠仿真攻擊場(chǎng)景外，還能作為一個(gè)保護(hù)機(jī)制對(duì)現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)。例如，基于物理模型的虛擬電力系統(tǒng)能夠識(shí)別與物理定律不匹配的數(shù)據(jù)，將攻擊者注入的數(shù)據(jù)標(biāo)記為異常數(shù)據(jù)，提高現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。

退化是現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)不可避免的現(xiàn)象，它會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降并增加運(yùn)行成本。虛擬電力系統(tǒng)能對(duì)電氣設(shè)備的健康狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)并預(yù)測(cè)它的剩余壽命，有利于讓維修方案從定期預(yù)防性維修向預(yù)測(cè)性維修轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣設(shè)備更高效的維修?；阽R像世界場(chǎng)景的健康管理大體上分為四步：1）基于幾何結(jié)構(gòu)、材料信息和運(yùn)行機(jī)理，構(gòu)建現(xiàn)實(shí)電氣設(shè)備的高保真虛擬電氣設(shè)備；2）基于現(xiàn)實(shí)電氣設(shè)備和虛擬電氣設(shè)備的交互，檢測(cè)現(xiàn)實(shí)電氣設(shè)備的異?；蛱摂M電氣設(shè)備的設(shè)計(jì)缺陷；3）融合來自現(xiàn)實(shí)電氣設(shè)備和虛擬電氣設(shè)備的數(shù)據(jù)，對(duì)現(xiàn)實(shí)設(shè)備的健康狀態(tài)和剩余壽命進(jìn)行分析；4）基于健康分析結(jié)果執(zhí)行預(yù)測(cè)性維修，提前購置所需的部件以減少停機(jī)時(shí)間。如今，基于鏡像世界場(chǎng)景的健康管理已經(jīng)在電力電子變換器、電池組、海上風(fēng)電機(jī)組和大型發(fā)電機(jī)組中有所應(yīng)用[76-77]。

為了應(yīng)對(duì)由外部因素引起的高影響、低概率事件，如地震和龍卷風(fēng)，電力系統(tǒng)引入了彈性恢復(fù)概念。彈性恢復(fù)是指系統(tǒng)預(yù)測(cè)和承受外部沖擊、盡快恢復(fù)到?jīng)_擊前的狀態(tài)并更好應(yīng)對(duì)未來災(zāi)難事件的能力。鏡像世界能通過降低退化程度、退化速度和持續(xù)時(shí)間的方式提高電力系統(tǒng)的彈性恢復(fù)力，有助于提高操作員對(duì)不同攻擊的理解，發(fā)展出一個(gè)適用于攻擊前、攻擊期間和攻擊后的緩解策略，使電力系統(tǒng)從不同程度的系統(tǒng)異常中實(shí)現(xiàn)彈性恢復(fù)。文獻(xiàn)[78]用虛擬電力系統(tǒng)評(píng)估微網(wǎng)控制器在彈性恢復(fù)方面的性能。

4.5 虛擬世界

元電力的虛擬世界場(chǎng)景是現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)向虛擬電力系統(tǒng)的單向信息流，該場(chǎng)景在系統(tǒng)層面上強(qiáng)調(diào)對(duì)未來的電力系統(tǒng)進(jìn)行分析，在用戶層面上為用戶提供超時(shí)空的電站接入平臺(tái)，用戶可以在任何地方進(jìn)入任何時(shí)間的虛擬電站環(huán)境?；诂F(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)的虛擬電力系統(tǒng)能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)人員、檢修人員和培訓(xùn)人員提供一個(gè)低風(fēng)險(xiǎn)、低成本的仿真平臺(tái)。在元電力中，虛擬世界場(chǎng)景的應(yīng)用有電力設(shè)計(jì)、未來能源規(guī)劃和檢修培訓(xùn)。

元電力虛擬世界場(chǎng)景能夠分別在設(shè)備和系統(tǒng)層面提高現(xiàn)代電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)性能，對(duì)設(shè)備和系統(tǒng)的效率、可靠性和安全性進(jìn)行分析，進(jìn)一步優(yōu)化現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在設(shè)備層面，虛擬世界場(chǎng)景可以幫助設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)階段仿真不同故障模式下的運(yùn)行情況以優(yōu)化電氣設(shè)備設(shè)計(jì)，降低未來投入運(yùn)行的電氣設(shè)備的故障率。在系統(tǒng)層面，設(shè)計(jì)好虛擬電網(wǎng)模型后，對(duì)虛擬電網(wǎng)模型進(jìn)行仿真以評(píng)估系統(tǒng)在不同工況下的運(yùn)行情況，最后消除潛在的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

由于電力需求的增加和新能源戰(zhàn)略的提出，現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)的發(fā)電量和技術(shù)正在不斷發(fā)展，能源戰(zhàn)略發(fā)展一直是學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的關(guān)鍵問題之一。能源戰(zhàn)略發(fā)展是一項(xiàng)戰(zhàn)略決策，與電力公司的經(jīng)濟(jì)效益密切相關(guān)，因此應(yīng)在需求增長、技術(shù)趨勢(shì)及監(jiān)管規(guī)則等方面的長期預(yù)測(cè)足夠準(zhǔn)確的條件下做出能源戰(zhàn)略發(fā)展決策。虛擬電力系統(tǒng)提供了一個(gè)有效的測(cè)試平臺(tái)預(yù)測(cè)電力系統(tǒng)在不同時(shí)間，不同運(yùn)行場(chǎng)景下的響應(yīng)。虛擬電力系統(tǒng)可以對(duì)不同的激勵(lì)機(jī)制、需求響應(yīng)策略、電價(jià)方案、可再生能源接入方案和電動(dòng)汽車滲透策略的短期和長期影響進(jìn)行分析，促進(jìn)未來能源戰(zhàn)略的評(píng)估推演。

元電力的虛擬世界場(chǎng)景提供了一個(gè)低成本、低風(fēng)險(xiǎn)的虛擬環(huán)境，讓實(shí)習(xí)人員和檢修人員在該虛擬環(huán)境進(jìn)行培訓(xùn)和檢修演練。培訓(xùn)是提高實(shí)習(xí)人員實(shí)操技能的手段，對(duì)保障電力系統(tǒng)的安全具有重要意義。利用VR 設(shè)備建立虛擬電站環(huán)境能夠?yàn)閷?shí)習(xí)人員提供更高的沉浸感和操作感。國內(nèi)外已經(jīng)開始對(duì)虛擬電站展開了研究。例如我國已經(jīng)應(yīng)用VR 技術(shù)設(shè)計(jì)出了同比例的變電站，實(shí)現(xiàn)變電站的實(shí)操學(xué)習(xí)和運(yùn)維檢修。該VR 技術(shù)能夠?qū)⑦\(yùn)行指令以可視化方式提示，監(jiān)督實(shí)習(xí)人員按規(guī)程完成訓(xùn)練。德國電力公司E.ON基于VR技術(shù)對(duì)高壓變電站進(jìn)行等比例設(shè)計(jì)，因業(yè)務(wù)需到該變電站的人員只要佩戴VR 設(shè)備就能在遠(yuǎn)程進(jìn)行受訓(xùn)。

5 元電力面臨的挑戰(zhàn)

元電力的主要目的是用虛擬電力系統(tǒng)、虛實(shí)交互系統(tǒng)、智能分析系統(tǒng)和人機(jī)交互系統(tǒng)四大要素提高現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)運(yùn)行的靈活性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)的泛在信息可視化和超時(shí)空運(yùn)行智能化，所以元電力面臨的挑戰(zhàn)主要出現(xiàn)在虛擬電力系統(tǒng)、虛實(shí)交互系統(tǒng)、智能分析系統(tǒng)和人機(jī)交互系統(tǒng)中。

5.1 虛擬電力系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)

虛擬電力系統(tǒng)的更新和安全是運(yùn)行虛擬電力系統(tǒng)的兩大研究挑戰(zhàn)。虛擬電力系統(tǒng)的更新又分為2 個(gè)方面的難點(diǎn)：收斂率和更新率。如何保證虛擬電力系統(tǒng)和現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)的同步準(zhǔn)確度是未來需要攻克的難關(guān)。此外，如何選擇最優(yōu)的虛擬電力系統(tǒng)更新率也是需要考慮的問題，雖然更新率越高，電力系統(tǒng)分析越準(zhǔn)確及時(shí)，但高更新率會(huì)給通信網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算資源帶來很大的負(fù)擔(dān)。對(duì)于虛擬電力系統(tǒng)的更新難點(diǎn)，本文提出了2 個(gè)潛在解決方案：1）建立硬件環(huán)測(cè)試床來驗(yàn)證更新算法的準(zhǔn)確性；2）成立專家委員會(huì)制定虛擬電力系統(tǒng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。此外，虛擬電力系統(tǒng)作為元電力的基本要素，它也會(huì)有被惡意攻擊的風(fēng)險(xiǎn)，因此能夠同時(shí)保證現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)和虛擬電力系統(tǒng)安全的加密技術(shù)是未來的研究趨勢(shì)。

5.2 虛實(shí)交互系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)

元電力同時(shí)擁有現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)和虛擬電力系統(tǒng)，因此元電力將會(huì)產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，能夠?qū)ΜF(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)和虛擬電力系統(tǒng)的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行管理的先進(jìn)數(shù)據(jù)管理技術(shù)亟需研發(fā)。本文針對(duì)該研究挑戰(zhàn)分別從數(shù)據(jù)集成角度和應(yīng)用需求角度提出2 個(gè)潛在的方向。內(nèi)存數(shù)據(jù)網(wǎng)格可以把來自現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)和虛擬電力系統(tǒng)的數(shù)據(jù)駐留在隨機(jī)存取存儲(chǔ)器中，并廣泛分布在多個(gè)計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)。該種架構(gòu)可以支持每秒數(shù)十萬次更新，并支持?jǐn)?shù)據(jù)的高速處理，因此可以作為元電力的數(shù)據(jù)集成方案?；趹?yīng)用需求的數(shù)據(jù)管理是指基于應(yīng)用需求對(duì)數(shù)據(jù)采集頻率進(jìn)行動(dòng)態(tài)改變來減輕數(shù)據(jù)量的負(fù)擔(dān)。以AMI 系統(tǒng)為例，標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行時(shí)，數(shù)據(jù)采樣周期設(shè)為15 min，進(jìn)行需求響應(yīng)分析時(shí)，數(shù)據(jù)采樣周期設(shè)為1 min。

5.3 智能分析系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)

如今大多數(shù)人工智能算法主要對(duì)現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)流進(jìn)行分析，然而元電力有現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)流和虛擬數(shù)據(jù)流，如何合理對(duì)現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)流和虛擬數(shù)據(jù)流進(jìn)行分析是元電力智能分析系統(tǒng)的研究挑戰(zhàn)。圖9 為元電力智能分析系統(tǒng)的平行學(xué)習(xí)框架。該平行學(xué)習(xí)框架分為訓(xùn)練階段和實(shí)施階段。在訓(xùn)練階段，平行學(xué)習(xí)從現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)和虛擬電力系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)中進(jìn)行學(xué)習(xí)，接著把訓(xùn)練好的模型投入實(shí)踐中進(jìn)行實(shí)時(shí)推理。如果訓(xùn)練的模型是監(jiān)督學(xué)習(xí)或無監(jiān)督學(xué)習(xí)模型，則訓(xùn)練好的模型負(fù)責(zé)對(duì)現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)和虛擬電力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流進(jìn)行預(yù)測(cè)分析；如果訓(xùn)練的模型是強(qiáng)化學(xué)習(xí)模型，則訓(xùn)練好的模型對(duì)現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

圖9 平行學(xué)習(xí)框架Fig.9 Framework of parallel learning

5.4 人機(jī)交互系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)

元電力人機(jī)交互系統(tǒng)的研究挑戰(zhàn)主要是XR設(shè)備和全息投影設(shè)備的研究挑戰(zhàn)。對(duì)于VR設(shè)備，通信是主要問題，因?yàn)槠渲猩婕艾F(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)向虛擬電力系統(tǒng)的信息傳輸以及用戶操作數(shù)字人的操作指令傳輸，尤其在用戶量大時(shí)易產(chǎn)生通信延遲。對(duì)于AR 技術(shù)，追蹤精度和有效視野是主要問題，這2 點(diǎn)會(huì)對(duì)運(yùn)維人員檢修過程的便利性和沉浸性造成影響。MR 設(shè)備是VR 設(shè)備和AR 設(shè)備的集成體，因此通信、追蹤精度和有效視野都是MR 設(shè)備進(jìn)一步發(fā)展需要克服的難題。全息投影雖然能實(shí)現(xiàn)電站環(huán)境的虛實(shí)融合，將電力系統(tǒng)的運(yùn)行信息進(jìn)行泛在可視化，但是全息投影目前仍有4 個(gè)方面的弱點(diǎn)，即分辨率低、顯示尺寸小、移動(dòng)性差和成本高，克服這些弱點(diǎn)后，全息投影便有機(jī)會(huì)大規(guī)模應(yīng)用在現(xiàn)實(shí)電力系統(tǒng)中，進(jìn)一步推動(dòng)元電力的發(fā)展進(jìn)程。

6 結(jié)論

元電力是一個(gè)多技術(shù)集成的具有強(qiáng)交互性和超時(shí)空性的新一代智能電網(wǎng)，在滿足智能電網(wǎng)原始特征之外，還能實(shí)現(xiàn)泛在信息可視化和超時(shí)空運(yùn)行智能化。元電力的實(shí)現(xiàn)需要多種先進(jìn)技術(shù)的支撐，尤其是先進(jìn)人機(jī)交互技術(shù)和數(shù)字孿生技術(shù)?；赬R 設(shè)備和全息投影的先進(jìn)人機(jī)交互技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)元電力的強(qiáng)交互性，提高電力信息的泛在可視化，保證運(yùn)維人員的便利性和沉浸性?；跀?shù)字孿生技術(shù)的虛擬電力系統(tǒng)能夠?qū)^去的電力系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)現(xiàn)、對(duì)當(dāng)下的電力系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和控制，對(duì)未來的電力系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估推演，實(shí)現(xiàn)元電力的超時(shí)空運(yùn)行智能化。在未來，元電力將會(huì)出現(xiàn)更多的應(yīng)用，增強(qiáng)具有高電力電子比例、高可再生能源比例和高電動(dòng)汽車比例的電力系統(tǒng)的運(yùn)行靈活性，加速實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)。