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本书分析了电力设备数字孪生技术的发展现状与总体趋势，从产、学、研、用多视角阐述了数字孪生技术在电力设备行业应用的价值与意义。从物理层、数据层、孪生层和应用层等不同方面介绍了数字孪生技术，结合数字孪生技术在发、输、配、用电和储能领域的应用，提出了具有前瞻性的观点；同时，结合电力设备数字孪生领域具有创新性和推广价值的典型应用案例，分析了数字孪生技术在电力行业的应用发展情况，并提出了相关的标准化工作需求。本书适合从事电力数字孪生技术的相关人员阅读，也可供相关领域的人员参考。

第 1 章 数字孪生技术发展概述 001
1.1 数字孪生技术概述 003
1.2 数字孪生的发展历程 005
1.2.1? 数字孪生的起源 005
1.2.2? 数字孪生的早期发展 005
1.2.3? 数字孪生在电力行业的应用 009
1.3 电力设备数字孪生的意义 013
1.3.1? 提高电力设备设计的生产质量和效率 014
1.3.2? 保障电力设备可靠运行 015
1.3.3? 降低电力设备健康管理与故障诊断成本 016
1.3.4? 故障智能决策与检修策略智能化制定 017
1.3.5? 促进电网“源网荷储”一体化 018
1.3.6? 降低企业员工培训成本 019
第 2 章 电力设备数字孪生建设目标和总体架构 021
2.1 电力设备数字孪生建设目标 023
2.2 电力设备数字孪生体总体架构 024
第 3 章 电力设备数字孪生关键技术 027
3.1 数字孪生体物理感知层关键技术 029
3.1.1? 物联网技术 029
3.1.2? 时间、空间模型构建技术 029
3.1.3? 设备状态感知技术 030
3.1.4? 高效采集技术 031
3.2 数字孪生体数据层关键技术 031
3.2.1? 数据处理 032
3.2.2? 数据隐私与安全防御技术 033
3.3 数字孪生体孪生层关键技术 035
3.3.1? 先进数据管理与分析 035
3.3.2? 云边协同计算 035
3.3.3? 人工智能算法 036
3.3.4? 多物理场耦合分析技术 037
3.4 数字孪生体应用层关键技术 038
3.4.1? 人机交互技术 038
3.4.2? 服务迁移技术 039
3.4.3? 多参数匹配寻优技术 039
3.4.4? 复杂多维信息合成与可视化技术 040
3.4.5? 电力设备多物理场仿真技术 040
第 4 章 电力设备数字孪生体构建实例 045
4.1 电力设备分类及模型 047
4.1.1? 电力设备分类 047
4.1.2? 模型分类 047
4.2 电源侧设备 048
4.2.1? 逆变器 048
4.2.2? 风力发电机组 051
4.3 电网侧设备 054
4.3.1? 输电线路 054
4.3.2? 变压器 056
4.3.3? 断路器 058
4.4 储能设备 061
4.4.1? 抽水蓄能用电动发电机 061
4.4.2? 化学储能单元 063
4.5 负荷设备：充电桩 065
第 5 章 电力设备数字孪生典型应用 069
5.1 电力设备设计和制造案例 071
5.2 电力设备供应链管理 078
5.3 电力设备运维 082
5.3.1? 案例一：和盈大厦配电室数字孪生平台 082
5.3.2? 案例二：输电线路及设备空天技术数字化
? ? ? 服务平台 086
5.3.3? 案例三：县域海量“源网荷储”分布式资源
? ? ? 数字孪生体构建聚合与协同应用 094
5.3.4? 案例四：南方电网变电站运维数字孪生
? ? ? 解决方案 100
5.3.5? 案例五：王家寨微电网控制服务系统 107
5.4 电力设备状态评估 110
5.4.1? 案例一：基于 supET工业互联网平台的
? ? ? 电力变压器数字孪生系统 110
5.4.2? 案例二：某 220kV变电站GIS筒体应力
? ? ? 数字孪生系统 113
5.4.3? 案例三：基于COMSOL多物理仿真平台
? ? ? 的电缆线路状态分析专家系统 115
5.4.4? 案例四：基于COMSOL多物理仿真平台
? ? ? 的母线温升计算平台 118
第 6 章 电力设备数字孪生标准体系 121
6.1 标准体系建设目标与原则 123
6.1.1? 建设目标 123
6.1.2? 构建原则 124
6.2 标准建设现状 125
6.2.1? 国际组织工作现状 125
6.2.2? 中国工作现状 128
6.3 电力设备数字孪生标准体系框架 130
6.3.1? 总体框架 130
6.3.2? 标准布局 132
第 7 章 挑战与展望 135
7.1 电力设备数字孪生面临的挑战 137
7.2 电力设备数字孪生的展望 139
参考文献 143

随着电力系统的快速发展和人工智能及感知技术的深度融合，电力电子装备和智能电气装备大量接入电网，对电力设备的安全性和可靠性提出了更高要求，设备资产管理和运维面临越来越大的挑战。对“源网荷储”侧海量电力设备全生命周期的深度状态感知，更精准实时地掌握设备整体特性并预测未来变化趋势，已成为现代设备资产管理的必然需求。
数字孪生技术的快速发展，为电力设备的深度全面感知带来了新的机遇。数字孪生技术是集成多尺度、多物理量、多概率的前沿数字化技术，与人工智能相融合，具有感知全面、诊断准确直观、辅助决策效率高等优点。借助各种高性能传感器和高速通信，数字孪生可以通过集成电力设备的多维数据，辅以数据分析和人工智能技术，近乎实时地呈现电力设备的实际情况，并通过虚实相生对电力设备进行反馈控制，将电力设备在不同真实场景中的全生命周期过程进行精准映射，从而实现事前电力设备状态的全息感知、风险智能预警，事中电力设备及外部资源快速协同，事后电力设备故障智能分析、辅助决策。
当前，数字孪生技术的研究和应用在电力领域还处于探索阶段，电力设备数字孪生总体架构、底层技术、上层应用、标准体系、软件工具等方面的技术和问题亟待解决，对具体业务场景下电力设备数字孪生实现方式缺乏规约，导致共性基础服务重复构建，标准不一致，孪生体难以互通，我们应围绕“源网荷储”电力设备的实际业务需求，整合数字资源，聚焦基础数字孪生工具和关键技术路径，规范基础服务能力应用，实现电力设备的精益化管理。
本白皮书立足于电力系统中的“源网荷储”四类电力设备，首先分析了电力设备数字孪生发展现状、总体趋势与建设意义，提出了电力设备数字孪生的总体建设目标。其次根据电力设备数字孪生的业务需求，
白皮书构建了包含“物理层、感知层、数据层、孪生层、应用层”的5层电力设备数字孪生体系架构，并对各层涉及的关键技术进行总结归纳，并用实例分析了电力设备数字孪生体的构建。针对电力设备设计和制造、供应链管理、设备运维、状态评估4类数智化示范应用场景进行了归纳总结，形成了11个典型电力应用场景。围绕标准体系建设目标，构建形成包含基础共性、关键技术、服务与平台、应用、安全5大领域的标准体系框架。最后对电力设备数字孪生现存的挑战进行分析，并从顶层设计、技术攻关、生态构建、标准化4个层面提出相关建议，希望为电力设备数字孪生的建设与实施提供指导建议。
本书由IEEE PES电力设备数字孪生工作组发起并组织编制，英文版的“Digital Twin for Power Equipment”于2024年1月通过IEEE Resource Center正式发布，发布编号为DOI 10.17023/5afd-r810。
由于时间有限，书中难免有疏漏之处，欢迎广大读者批评指正。

IEEE PES电力设备数字孪生工作组是由IEEE PES输配电技术委员会（中国）联合北美对口输配电技术委员会(IEEE PES Transmission & Distribution Committee)共同组建的IEEE电力与能源领域首个研究数字孪生技术的联合工作组。工作组2022年3月正式获批成立，将坚持“共建、共享、共用”的理念，致力于为国内外电力企业和专家学者搭建一个数字孪生领域技术研究、标准制定、产业搭建、成果推广、人才培养的平台。

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