9月24日，國家主席習近平在聯(lián)合國氣候變化峰會發(fā)表視頻致辭，宣布中國新一輪國家自主貢獻：到2035年，中國全經(jīng)濟范圍溫室氣體凈排放量比峰值下降7%-10%，力爭做得更好。非化石能源消費占能源消費總量的比重達到30%以上，風電和太陽能發(fā)電總裝機容量達到2020年的6倍以上、力爭達到36億千瓦。
36億千瓦！這一令世人矚目的數(shù)字，是中國向世界作出的“綠色承諾”，是推動構(gòu)建人類命運共同體的大國擔當。新能源的蓬勃發(fā)展，將是一場能源體系向低碳轉(zhuǎn)型的深刻變革，也是一次驅(qū)動社會綠色、可持續(xù)、高質(zhì)量發(fā)展的重大機遇。隨著清潔能源“走進”千家萬戶，每個人都能用上更安全、更清潔、更實惠的“綠色”電力。
優(yōu)化電網(wǎng)運行控制體系是提高國家能源安全和保障能力的題中之義。數(shù)字孿生技術(shù)的探索與應(yīng)用以其精準推演、全局仿真、智能調(diào)控的優(yōu)勢，有望成為有效支撐36億千瓦綠色裝機目標落地的關(guān)鍵舉措之一。
■新能源“成長的煩惱”
據(jù)測算，未來十年，我國將每年新增超2億千瓦的新能源裝機。電力系統(tǒng)向“新”而行，新能源大規(guī)模并網(wǎng)，帶來了波動性大、支撐力弱、互動性強等考驗，對電網(wǎng)運行控制體系的挑戰(zhàn)與日俱增。
一是波動性掣肘，電網(wǎng)供需難平衡。我國資源稟賦與負荷中心呈逆向分布，“發(fā)電在西北、負荷往東南”的格局，導致新能源發(fā)電需要特高壓大規(guī)模遠距離輸送。在36億千瓦的新目標下，新能源必將成為滿足負荷增長需求的核心電源，煤電的功能定位相應(yīng)由基礎(chǔ)電源轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)與保障性電源。與傳統(tǒng)電源“因需而動”不同，新能源“靠天吃飯”，出力時有時無，而電力本身光速傳輸、無法儲存、發(fā)用瞬時平衡，導致供需易錯開、難匹配。特別是高溫、寒潮等極端天氣和自然災害頻發(fā)，空調(diào)等調(diào)溫負荷規(guī)模大、攀升快，電力供需極易形成巨大“剪刀差”，成為電網(wǎng)系統(tǒng)面臨的新難題。
國家能源局公布的數(shù)據(jù)顯示，截至2025年8月底，我國太陽能、風電裝機已達約17億千瓦，風光裝機占比超過46%。業(yè)內(nèi)普遍認為，新能源裝機容量占比超過50%時，電網(wǎng)將面臨出力波動性、間歇性等系統(tǒng)性風險，平衡難度大。
而現(xiàn)在，我國青海、甘肅等地電網(wǎng)新能源最大出力占比已經(jīng)超過80%。若要在2035年實現(xiàn)36億千瓦的目標，未來十年需新增約19億千瓦，相當于100多座三峽電站的總裝機。在新型電力系統(tǒng)加快建設(shè)的背景下，新能源裝機比例必將繼續(xù)攀升，電網(wǎng)安全面臨前所未有的挑戰(zhàn)。
二是支撐力不足，電網(wǎng)安全換機理。傳統(tǒng)同步發(fā)電機保障電網(wǎng)安全的關(guān)鍵在于“轉(zhuǎn)動慣量”，這是風光發(fā)電所不具備的能力。新能源場站并網(wǎng)需要變流器、逆變器等大量電力電子設(shè)備，這些電力電子設(shè)備以微秒級速度開關(guān)，導致發(fā)電出力驟升驟降，給電網(wǎng)安全穩(wěn)定帶來嚴重威脅。
這一本質(zhì)差異讓電網(wǎng)出現(xiàn)故障的形式和故障連鎖反應(yīng)的特點發(fā)生根本改變。系統(tǒng)抗干擾能力變差，頻率、電壓的穩(wěn)定性弱，小故障可能引發(fā)快速的連鎖反應(yīng)，傳統(tǒng)安全防御體系面臨失效，在部分實際運行場景下，現(xiàn)有穩(wěn)定分析與控制理論及技術(shù)體系的有效性邊界已逐漸顯現(xiàn)。今年西班牙、葡萄牙新能源出力驟然爬升至70%，系統(tǒng)安全裕度降低，局部故障引發(fā)的大停電蔓延至整個伊比利亞半島，給我們敲響了警鐘。
三是互動性升級，調(diào)度控制變復雜。36億千瓦的裝機推動新能源產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，除了大規(guī)模集中式新能源場站之外，分布式電源、電動汽車、儲能設(shè)備等也將快速增長。這直接導致電網(wǎng)的調(diào)度對象從過去的幾百個大型電廠，變成了千萬級分散的電力設(shè)備。配電網(wǎng)從“只用電不發(fā)電”的無源網(wǎng)絡(luò)，變成了“又用電又發(fā)電”的有源網(wǎng)絡(luò)。電流潮流方向也從過去的“單向輸送”變成了“雙向流動”。
相應(yīng)地，電網(wǎng)調(diào)度模式將從“發(fā)電跟著用電走”變?yōu)椤霸淳W(wǎng)荷儲”協(xié)同優(yōu)化，調(diào)度員的角色會從安排發(fā)電的“鍵盤手”變?yōu)閰f(xié)調(diào)各方資源的“樂隊指揮家”。這必須依靠智能數(shù)字平臺、超強算力與先進算法的支撐才能實現(xiàn)，整個調(diào)度系統(tǒng)的復雜程度大幅提高。
■數(shù)字孿生電網(wǎng)“未來已來”
簡單來說，數(shù)字孿生就是為物理世界的實體在數(shù)字空間構(gòu)建一個1:1的“雙胞胎”——既能實時反映物理實體的狀態(tài)，又能推演未來變化，為新型電力系統(tǒng)運行控制技術(shù)發(fā)展帶來重大機遇。
數(shù)字孿生電網(wǎng)，不是簡單的3D示意圖，也不是傳統(tǒng)的離線仿真工具，而是一個“會思考、能決策”的智能系統(tǒng)。隨著新能源占比的逐年提升，電網(wǎng)呈現(xiàn)出結(jié)構(gòu)更加復雜、設(shè)備更加繁多、技術(shù)更加龐雜的發(fā)展趨勢，數(shù)字孿生電網(wǎng)通過全方位采集電網(wǎng)實時數(shù)據(jù)，進行數(shù)字化映射模擬，利用通用技術(shù)建模預測，推動電網(wǎng)運行控制從經(jīng)驗調(diào)度向智慧調(diào)度發(fā)展。
超前推演：風險早預判，保用電無憂。夏季停空調(diào)、冬季斷暖氣，是大家遇到就會鬧心的用電問題。數(shù)字孿生電網(wǎng)就像“預言家”，通過挖掘過往發(fā)電、用電規(guī)律，結(jié)合氣象預測、地理數(shù)據(jù)等信息，采用人工智能計算，能提前數(shù)小時甚至數(shù)天，精準預測新能源發(fā)電量與民眾用電量，確保電網(wǎng)發(fā)電與用電之間的供需平衡。無論是平常日子，還是臺風、高溫等極端天氣，數(shù)字孿生電網(wǎng)可以評估電網(wǎng)的承載能力、最大供電量等，幫助工作人員提前準備，防范風險。
如遇上高溫天，它會提前發(fā)出此類預警：“下午2點云量增多，光伏發(fā)電預計減少20%，用電負荷預計增長30%。”工作人員據(jù)此及時調(diào)配儲能、開啟備用電源，同時可以向公眾展示調(diào)度原理，讓大家明白保障措施的目的，從而舒舒服服吹空調(diào)，完全不用擔心中途“拉閘”。
基于精準預判，36億千瓦新能源能得到更合理地利用。這將減少化石能源消耗與污染物排放，給地球“減負擔”。
仿真驗證：試錯低成本，護電網(wǎng)安全。傳統(tǒng)電網(wǎng)若直接開展試驗，無論是設(shè)備升級小偏差，還是政策調(diào)整小疏漏，都可能引發(fā)居民停電、企業(yè)停產(chǎn)，既費錢又危險。比如2024年的歐洲電網(wǎng)，因軟件升級故障導致交易所脫離市場，引發(fā)多國電價極端波動。這類風險在數(shù)字孿生電網(wǎng)應(yīng)用后，完全可以避免。
數(shù)字孿生電網(wǎng)搭建了高保真的“虛擬試驗場”，能像顯微鏡一樣觀察電網(wǎng)波動、識別潛在規(guī)律，精準模擬設(shè)備故障、負荷波動、極端天氣等各類復雜場景。深度分析高比例新能源電網(wǎng)的運行趨勢，最大限度避免類似于西班牙、葡萄牙經(jīng)歷的大停電事件。無論是新設(shè)備測試、調(diào)度方案策劃，還是電價效果推演，都能在虛擬空間無限試錯：提前摸清風險，不用花“冤枉錢”，不用擔心引發(fā)安全事故，甚至還能幫助大家推算出更經(jīng)濟的用電方案。
閉環(huán)控制：調(diào)分散資源，賺補貼雙贏。如今，許多家庭都擁有家用光伏板、電動汽車電池、小型家用儲能等“碎片化”電力資源。以往，這些資源產(chǎn)生的電力要么白白浪費，要么在用電高峰時充電加重電網(wǎng)負荷，難以發(fā)揮實際價值。
數(shù)字孿生電網(wǎng)則將這些分散的電力資源全面“納入麾下”，實時監(jiān)測家用光伏發(fā)電量、電動汽車電池剩余容量、家用儲能設(shè)備儲電狀態(tài)，再結(jié)合區(qū)域用電負荷，精準判斷電網(wǎng)供需情況。一旦面臨用電高峰、電網(wǎng)缺電，系統(tǒng)可以通過電力服務(wù)平臺實時向用戶發(fā)送邀請：“當前區(qū)域用電緊張，您家可向電網(wǎng)輸送2度電，還能獲得補貼。”
用戶點擊“確認”后，家中的電力平穩(wěn)輸送至電網(wǎng)，且可以實時查看電力輸送進度、補貼到賬情況，整個過程透明可追溯。這既有效緩解了區(qū)域用電壓力，又讓用戶賺取了額外福利，實現(xiàn)妥妥的雙贏！
■筑牢能源安全“國之大者”
電網(wǎng)運行控制系統(tǒng)，既是高效穩(wěn)定運行的“指揮大腦”，又是構(gòu)建數(shù)字孿生電網(wǎng)的“智慧內(nèi)核”。國電南瑞始終立足“國之大者”，以自主創(chuàng)新為核心驅(qū)動力，長期深耕電網(wǎng)運行控制核心技術(shù)，其發(fā)展歷程與我國電網(wǎng)的升級迭代同頻共振，循著清晰的時間軸線，正走著一條從技術(shù)突破到場景落地的進階之路。
從研制新中國第一套電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)起步，歷經(jīng)長期技術(shù)積累與迭代，國電南瑞以自主創(chuàng)新成功實現(xiàn)從“跟跑”“追趕”“并行”到“超越”“領(lǐng)跑”的變化，高比例新能源電網(wǎng)運行控制、城市電網(wǎng)多時空聯(lián)合預警與超前控制等多項核心技術(shù)處于國際領(lǐng)先水平。
肩負“提高國家能源安全和保障能力”重大使命，國電南瑞正聚焦數(shù)字孿生電網(wǎng)的“技術(shù)研發(fā)”，將產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新和科技創(chuàng)新相融合，努力實現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用“場景落地”。目前，國電南瑞依托電力行業(yè)重大問題聯(lián)合攻關(guān)團隊，牽頭開展中國電機工程學會“基于數(shù)字孿生電網(wǎng)的新型電力系統(tǒng)運行控制體系研究布局與技術(shù)實現(xiàn)路徑”課題研究，加快建設(shè)數(shù)字孿生實驗室，全力構(gòu)建基于數(shù)字孿生電網(wǎng)的新型電力系統(tǒng)運行控制體系，在統(tǒng)一數(shù)據(jù)底座、電力調(diào)度科學智算、全過程在線仿真、多時序全要素平衡等方向發(fā)力，推動電網(wǎng)控制模式向“以虛預實、以虛優(yōu)實、虛實共生”的高級形態(tài)演進。
未來，數(shù)字孿生電網(wǎng)全面投入運行，電網(wǎng)調(diào)度中心將呈現(xiàn)出全新的場景：調(diào)度大廳巨大弧形屏幕上不再是靜態(tài)的電力線路圖，而是與實體電網(wǎng)完全同步的動態(tài)鏡像——每一臺風機、每一座鐵塔、每一臺變壓器......都在虛擬空間中以流光溢彩的數(shù)字化展現(xiàn)，實時閃爍著電壓、電流、功率等關(guān)鍵運行數(shù)據(jù)。
可以想見這樣的場景：調(diào)度員輕觸屏幕，界面即刻切換至區(qū)域新能源運行看板。讀罷數(shù)據(jù)，只見他將手指向右拖拽，數(shù)字孿生電網(wǎng)瞬間“穿越”到黃昏時刻，快速計算并顯示發(fā)電和用電負荷情況。調(diào)度員盯緊屏幕上的動態(tài)仿真曲線，確認儲能電站、備用電源的調(diào)節(jié)能力是否可完全覆蓋缺口。待到日落時分，實體電網(wǎng)的實際運行數(shù)據(jù)與數(shù)字孿生鏡像中的預測結(jié)果完全吻合，無需人工核算，數(shù)字孿生電網(wǎng)已提前完成所有決策與驗證。
這美好的時刻，正是數(shù)字孿生電網(wǎng)默默守護的成果——它以科技的力量，讓綠色能源平穩(wěn)流淌，讓每一盞燈都明亮如初，讓36億千瓦目標下的美好生活照進現(xiàn)實。
