服務(wù)于新型電力系統(tǒng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的數(shù)字孿生技術(shù)和工程實(shí)踐
數(shù)字化是新型電力系統(tǒng)建設(shè)的核心內(nèi)容，數(shù)字孿生是數(shù)字化應(yīng)用的價(jià)值體現(xiàn)。
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0.?引言
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深入貫徹習(xí)近平生態(tài)文明思想，準(zhǔn)確、全面貫徹新發(fā)展理念，構(gòu)建新發(fā)展格局。深入推動(dòng)能源消費(fèi)革命、供給革命、技術(shù)革命。加快構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展全面綠色轉(zhuǎn)型。推動(dòng)“碳達(dá)峰、碳中和”健康有序發(fā)展。
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“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”構(gòu)建的新型電力系統(tǒng)呈現(xiàn)出新特征，其一，源網(wǎng)荷儲(chǔ)協(xié)同互動(dòng)更頻繁，電源和負(fù)荷不確定性增大，電纜、變壓器等設(shè)備運(yùn)行工況更復(fù)雜，安全穩(wěn)定運(yùn)行不利因素增多，對(duì)配電網(wǎng)控制與優(yōu)化能力要求更高；其二，為提升配網(wǎng)承載能力，需要對(duì)電磁-溫度-流體-結(jié)構(gòu)-濕度等多物理場耦合特性進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)設(shè)備性能非線性與飽和閾值快速計(jì)算。誠然，新型電力系統(tǒng)依賴于電力系統(tǒng)數(shù)字化，結(jié)果數(shù)據(jù)不影響結(jié)果，狀態(tài)數(shù)據(jù)影響結(jié)果，只有實(shí)時(shí)掌握狀態(tài)演變數(shù)據(jù)才能實(shí)現(xiàn)物理空間與數(shù)字空間的全映射，才能保障安全可靠的能源供給。為此，在南方電網(wǎng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的戰(zhàn)略布局下，深圳供電局以配電網(wǎng)業(yè)務(wù)為落腳點(diǎn)，通過實(shí)際工程案例開展數(shù)字孿生技術(shù)的實(shí)踐活動(dòng)，為實(shí)體經(jīng)濟(jì)向數(shù)字服務(wù)型實(shí)體經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型開展探索之路。
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1.?數(shù)字孿生組成和辨識(shí)
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1.1?數(shù)字孿生組成
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由于數(shù)字孿生概念較為抽象，且目前仍沒有公認(rèn)的定義，因此不同人對(duì)該概念的理解不同，產(chǎn)生諸多認(rèn)識(shí)問題。通過工程實(shí)踐應(yīng)用，從其功能特征劃分，可分為數(shù)字孿生體、物理-數(shù)字孿生系統(tǒng)、數(shù)字孿生技術(shù)三部分，具體描述如下：
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數(shù)字孿生體：特指在數(shù)字空間與物理空間形成的一一對(duì)應(yīng)的模型。
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物理-數(shù)字孿生系統(tǒng)：是指物理空間和數(shù)字空間內(nèi)在同步映射、推演與互動(dòng)的閉環(huán)信息物理系統(tǒng)，物理空間的變化能在數(shù)字空間顯示，數(shù)字空間的變化能在物理空間體現(xiàn)。
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數(shù)字孿生技術(shù)：設(shè)計(jì)物理空間的數(shù)字孿生體架構(gòu)、基于數(shù)字孿生體的仿真、分析、預(yù)測(cè)和控制決策相關(guān)技術(shù)。是指物理空間的演變過程能夠通過數(shù)字空間實(shí)時(shí)顯現(xiàn)，且數(shù)字空間的量變到質(zhì)變推演過程能夠在物理空間展現(xiàn)。
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1.2?數(shù)字孿生辨識(shí)
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當(dāng)前數(shù)字孿生項(xiàng)目眾多，在沒有評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系環(huán)境下，如何辨識(shí)“數(shù)據(jù)孿生項(xiàng)目”尤為重要。例如在綠色能源發(fā)展過程中，要重點(diǎn)識(shí)別綠色能源的屬性、能效、可持續(xù)性，要建立完善的評(píng)級(jí)、評(píng)價(jià)機(jī)制，應(yīng)用科技手段建立人工智能與物理數(shù)據(jù)識(shí)別的綠色能源鑒別測(cè)評(píng)系統(tǒng)，防范刷綠和涂綠現(xiàn)象發(fā)生。為此，在數(shù)字化發(fā)展進(jìn)程中，絕不是在設(shè)備現(xiàn)場上傳視頻圖像和設(shè)備表征數(shù)據(jù)就視為“數(shù)據(jù)孿生”，同樣要防范“充數(shù)和偽數(shù)”現(xiàn)象發(fā)生。
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新型電力系統(tǒng)“數(shù)字孿生”具有完整的組合形態(tài)，有著系統(tǒng)性的數(shù)據(jù)應(yīng)用與能效耦合的密切聯(lián)系。具體呈現(xiàn)以下幾個(gè)特征：可觀測(cè)性——通過泛在傳感網(wǎng)絡(luò)將新型電力系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集并傳輸?shù)教摂M鏡像之中，形象地、實(shí)時(shí)地將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行展示?？深A(yù)測(cè)性、可假設(shè)性、可解釋性——通過先進(jìn)建模技術(shù)和高性能仿真計(jì)算工具，經(jīng)過不斷糾偏、修正、校驗(yàn)過程實(shí)現(xiàn)的鏡像功能，是數(shù)字孿生技術(shù)解決實(shí)際問題、支撐電網(wǎng)業(yè)務(wù)的共同基礎(chǔ)，因此也可以將其統(tǒng)一概括為“可計(jì)算性”?？苫?dòng)性——數(shù)字孿生技術(shù)解決實(shí)際問題、創(chuàng)造價(jià)值的途徑，也是數(shù)字孿生體時(shí)刻與實(shí)際系統(tǒng)保持同步的前提，使物理系統(tǒng)與數(shù)字孿生體形成“閉環(huán)”。
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在示范工程項(xiàng)目的實(shí)踐中，歸納出數(shù)字孿生的五個(gè)特征，可以做為評(píng)價(jià)數(shù)字孿生項(xiàng)目的五個(gè)指標(biāo)：
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可互動(dòng)性：可以連接數(shù)學(xué)模型和物理實(shí)體，一方面實(shí)現(xiàn)最優(yōu)決策的下達(dá)和執(zhí)行，另一方面收集物理反饋并更新數(shù)學(xué)模型和決策指令。
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可預(yù)測(cè)性：利用物理/數(shù)學(xué)的建模技術(shù)以及最新的傳感器數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備未來狀態(tài)的預(yù)測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)基于狀態(tài)的運(yùn)營維護(hù)。
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可假設(shè)性：允許運(yùn)營者對(duì)數(shù)字模型輸入不同假設(shè)條件，以模擬現(xiàn)實(shí)工作中不切實(shí)際的情況，從而獲得某些極端情況下設(shè)備的真實(shí)反映。
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可解釋性：可以讓運(yùn)營者理解單個(gè)設(shè)備或系統(tǒng)的行為，并從數(shù)學(xué)模型出發(fā)對(duì)設(shè)備或系統(tǒng)行為做出合理解釋。
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可觀測(cè)性：讓運(yùn)營者從數(shù)字角度看到設(shè)備以及大規(guī)模系統(tǒng)的運(yùn)行演變狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備以及大規(guī)模系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和高效管理。
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2.?構(gòu)建新型電力系統(tǒng)數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)
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數(shù)字孿生雖然在不同文獻(xiàn)中的定義不盡相同，但其技術(shù)的核心幾乎都指向建模和仿真。為此，下面重點(diǎn)針對(duì)新型電力系統(tǒng)中的數(shù)字孿生建模和仿真技術(shù)進(jìn)行介紹。
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2.1?數(shù)據(jù)和知識(shí)共同驅(qū)動(dòng)的融合建模技術(shù)
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依據(jù)數(shù)字孿生“可觀測(cè)性、可預(yù)測(cè)性、可解釋性”等特征要求，同時(shí)受新型電力系統(tǒng)環(huán)境中物理實(shí)體的復(fù)雜性影響，難以獲取純機(jī)理模型。在構(gòu)建能源電力系統(tǒng)的數(shù)字孿生模型時(shí)，需考慮機(jī)理與數(shù)據(jù)共同驅(qū)動(dòng)的信息物理能源網(wǎng)絡(luò)與數(shù)字空間融合建模。如圖1所示
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圖1?機(jī)理和數(shù)據(jù)共同驅(qū)動(dòng)的融合建模
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融合建模的步驟主要包含以下三步：①通過泛在傳感網(wǎng)絡(luò)獲得海量系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，并基于統(tǒng)計(jì)和學(xué)習(xí)構(gòu)建數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的相關(guān)性模型；②基于人造物理系統(tǒng)的基本物理原理，通過數(shù)字建模，形成能源電力系統(tǒng)偏微分代數(shù)模型；③將系統(tǒng)機(jī)理模型和數(shù)據(jù)挖掘所得相關(guān)性模型融合，形成能源電力系統(tǒng)數(shù)字孿生分析模型，支撐多種應(yīng)用。
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2.2?高性能仿真技術(shù)
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根據(jù)上文所述的數(shù)字孿生的“可預(yù)測(cè)性、可假設(shè)性、可解釋性、可互動(dòng)性”特征可知，構(gòu)建新型電力系統(tǒng)數(shù)字孿生還需要高性能仿真技術(shù)。需要特別強(qiáng)調(diào)的是這里所指的“仿真”，不能先入為主的認(rèn)為是電氣學(xué)科中傳統(tǒng)的潮流計(jì)算、機(jī)電暫態(tài)仿真、電磁暫態(tài)仿真等，而應(yīng)該是多物理場、多時(shí)間尺度、多概率的全生命周期仿真。對(duì)于不同的應(yīng)用側(cè)重，也需要采用不同形式的仿真分析工具：
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在電網(wǎng)運(yùn)行方面，海量電力電子設(shè)備接入系統(tǒng)增大了系統(tǒng)的復(fù)雜度和維數(shù)，新能源滲透率的不斷提高將引入大量不確定性。為此，需要高性能仿真工具，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模系統(tǒng)海量復(fù)雜運(yùn)行場景的高效分析；
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在設(shè)備運(yùn)行方面，需要通過大量數(shù)字仿真模擬進(jìn)行設(shè)備故障溯因，需要通過在線多物理場仿真開展設(shè)備狀態(tài)評(píng)估與預(yù)測(cè)性維修，以及需要通過數(shù)?；旌戏抡婀ぞ咴O(shè)計(jì)并驗(yàn)證設(shè)備設(shè)計(jì)和性能。所以，亟需高效一體化的數(shù)字模擬和數(shù)?；旌戏抡娣治龉ぞ?；
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多物理場和場路耦合仿真方面，由于配電網(wǎng)中綜合能源系統(tǒng)的接入，系統(tǒng)中將同時(shí)包含冷、熱、電、氣等多種形式的能源，需要采用多物理場及場路耦合仿真工具，對(duì)含綜合能源的電力系統(tǒng)進(jìn)行分析。
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3.?服務(wù)于新型電力系統(tǒng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的數(shù)字孿生實(shí)踐
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基于上述的數(shù)字孿生技術(shù)，深圳供電局立足于企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，以配電網(wǎng)業(yè)務(wù)作為抓手，使用高性能仿真平臺(tái)CloudPSS為建模仿真內(nèi)核，開展了一二次設(shè)備融合、配電網(wǎng)設(shè)備資產(chǎn)管理等多個(gè)數(shù)字孿生項(xiàng)目研究，獲得了寶貴的數(shù)字孿生項(xiàng)目實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，并取得了初步成效。
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以基于數(shù)字孿生的配電網(wǎng)設(shè)備資產(chǎn)管理項(xiàng)目為例，該項(xiàng)目設(shè)計(jì)了基于數(shù)字孿生中的全生命周期管理理念，即：從①規(guī)劃：設(shè)備仿真推演，設(shè)備接入運(yùn)行規(guī)劃，到②入場：設(shè)備外掛通信設(shè)置，入場后自動(dòng)化接入，完成設(shè)備數(shù)字化交付，到③運(yùn)行：建立設(shè)備健康度評(píng)價(jià)模型，監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，到④故障：基于運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行故障識(shí)別，根據(jù)故障報(bào)警信息開展故障診斷，到⑤維護(hù)：風(fēng)險(xiǎn)設(shè)備預(yù)測(cè)性檢修，故障設(shè)備針對(duì)性維護(hù)，到⑥退役：報(bào)廢設(shè)備退役離場，對(duì)新設(shè)備接入預(yù)先規(guī)劃。如圖2所示
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圖2?全生命周期管理
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在配電網(wǎng)資產(chǎn)設(shè)備的全生命周期管理實(shí)踐中，以數(shù)字孿生評(píng)價(jià)體系為“骨架”，構(gòu)建了多個(gè)數(shù)字孿生應(yīng)用場景，涵蓋五大特征：1）可互動(dòng)性——配電設(shè)備數(shù)字化交付應(yīng)用；2）可預(yù)測(cè)性——設(shè)備健康度評(píng)價(jià)應(yīng)用；3）可解釋性——配電設(shè)備智能運(yùn)維應(yīng)用；4）可假設(shè)性——配電網(wǎng)電能質(zhì)量治理；5）可觀測(cè)性——配電網(wǎng)全景觀測(cè)應(yīng)用。
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項(xiàng)目首先構(gòu)建了數(shù)字化交付應(yīng)用；在完成數(shù)字化交付后，根據(jù)實(shí)際需求，生成不同的數(shù)字孿生體，進(jìn)一步構(gòu)建數(shù)字孿生應(yīng)用，完成基于數(shù)字孿生的衍生業(yè)務(wù)應(yīng)用；最終，研發(fā)了3D數(shù)字孿生系統(tǒng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)可視化交互和智能化協(xié)同。其核心內(nèi)容如下：
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1）配網(wǎng)設(shè)備數(shù)字化交付應(yīng)用
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配網(wǎng)設(shè)備數(shù)字化交付應(yīng)用通過嵌入式芯片、智能網(wǎng)關(guān)等硬件設(shè)備以及在線軟件應(yīng)用實(shí)現(xiàn)設(shè)備接入的自動(dòng)識(shí)別、設(shè)備資產(chǎn)信息的自動(dòng)寫入、設(shè)備模型信息（包括仿真模型、3D結(jié)構(gòu)模型等）的自動(dòng)上傳以及傳感器數(shù)據(jù)的自動(dòng)注冊(cè)識(shí)別等。該應(yīng)用中，數(shù)字交付芯片技術(shù)與射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）相融合，設(shè)備在現(xiàn)場安裝時(shí)，即可將設(shè)備信息自動(dòng)識(shí)別并上傳至數(shù)字交付平臺(tái)。數(shù)字化交付解決了人工錄入、電子化移交、臺(tái)帳管理等數(shù)據(jù)質(zhì)量方面的實(shí)際痛點(diǎn)，避免了重復(fù)性的錄入設(shè)備信息以及設(shè)備安裝后是否啟用的狀態(tài)不明確等問題。如圖3所示
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圖3?數(shù)字交付軟硬件原型系統(tǒng)
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數(shù)字化交付應(yīng)用是數(shù)字孿生系統(tǒng)“可互動(dòng)性”的重要一環(huán)，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)在數(shù)字空間的實(shí)時(shí)映射。
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2）電纜數(shù)字化健康度評(píng)價(jià)應(yīng)用
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通過對(duì)運(yùn)行電纜導(dǎo)體溫度的采集、分析，并與運(yùn)行電流、電壓、環(huán)境溫度、時(shí)空等參數(shù)組成數(shù)據(jù)鏈形成演變數(shù)據(jù)，為電纜運(yùn)維提供精準(zhǔn)的狀態(tài)評(píng)估和調(diào)控方法。依據(jù)智能電纜生命周期規(guī)律和數(shù)字孿生技術(shù)，建立電熱耦合仿真模型，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)閾值、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、區(qū)域調(diào)荷、故障定位導(dǎo)航、自動(dòng)巡檢等功能。同時(shí)采用模型類比探究存量電纜生命周期評(píng)判方法，實(shí)現(xiàn)電纜壽命演變過程的可視化，將指導(dǎo)存量電纜安全運(yùn)行，大幅提高電纜使用性能和資產(chǎn)利用率。如圖4所示
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圖4 (a)電纜狀態(tài)全景監(jiān)測(cè)；(b)導(dǎo)體溫度與電流、時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系
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電纜健康度評(píng)價(jià)應(yīng)用是數(shù)字孿生系統(tǒng)“可預(yù)測(cè)性、可假設(shè)性、可解釋性”的具體表現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)與數(shù)字空間的實(shí)時(shí)鏡像。
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3）數(shù)字孿生的配電網(wǎng)全景監(jiān)測(cè)平臺(tái)
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通過數(shù)字孿生的增強(qiáng)交互能力，結(jié)合仿真技術(shù)以及數(shù)字空間三維模型生成技術(shù)，開發(fā)了變電站、電纜、配電設(shè)備的三維可視化全景監(jiān)測(cè)平臺(tái)。該平臺(tái)集三維空間測(cè)量、三維空間分析、數(shù)字化交付等功能于一體，支撐起配電網(wǎng)運(yùn)檢智能分析決策系統(tǒng)應(yīng)用。隨著數(shù)字孿生技術(shù)迭代，其應(yīng)用空間廣闊。如圖5所示
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圖5?基于數(shù)字孿生的三維可視化平臺(tái)
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三維全景監(jiān)測(cè)平臺(tái)應(yīng)用是數(shù)字孿生系統(tǒng)“可視化”的關(guān)鍵技術(shù)體現(xiàn)，通過現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)與數(shù)字空間的實(shí)時(shí)影像，實(shí)現(xiàn)了透明電網(wǎng)的精準(zhǔn)運(yùn)檢。
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綜上，基于數(shù)字孿生的配電網(wǎng)設(shè)備資產(chǎn)管理項(xiàng)目所研發(fā)的數(shù)字孿生平臺(tái)連接多種業(yè)務(wù)系統(tǒng)，形成了信息共享和交互的渠道，可以提高電網(wǎng)數(shù)字化水平、提升資產(chǎn)運(yùn)營收益、提升運(yùn)維效率，降低停電損失、提高資產(chǎn)管理水平。
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4.?結(jié)束語
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數(shù)字化是新型電力系統(tǒng)建設(shè)的核心內(nèi)容，數(shù)字孿生是數(shù)字化應(yīng)用的價(jià)值體現(xiàn)。隨著IDC廣泛應(yīng)用，數(shù)字孿生不僅是電能、設(shè)備、電磁等數(shù)據(jù)的應(yīng)用，也將融合環(huán)境、能耗、金融、碳資產(chǎn)等數(shù)據(jù)，形成滿足環(huán)境條件要求的高能效、低碳排的安全運(yùn)行方式指引?？傊?，數(shù)據(jù)已成為重要生產(chǎn)要素和無形資產(chǎn)，數(shù)據(jù)孿生是數(shù)字服務(wù)經(jīng)濟(jì)的必經(jīng)環(huán)節(jié)，將廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，數(shù)據(jù)孿生技術(shù)的深度發(fā)展與應(yīng)用，為南方電網(wǎng)在服務(wù)經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域開拓新思路、拓展新市場、提供新途徑。
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