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基于数字孪生的变电站全生命周期管理与运维优化

摘要

本报告系统研究了基于数字孪生技术的变电站全生命周期管理与运维优化方案。随

着能源转型和智能电网建设的深入推进，传统变电站管理模式已难以满足现代电力系统

的高效、安全、可靠运行需求。数字孪生技术通过构建物理实体的虚拟映射，实现了对

变电站全生命周期的精准管控和智能优化。本报告从政策环境、技术现状、实施路径等

多维度展开分析，提出了涵盖规划设计、建设施工、运行维护到退役处置的全生命周期

管理框架。研究采用多源数据融合、智能算法优化和虚实交互控制等技术手段，构建了

变电站数字孪生系统的五维模型（物理实体、虚拟模型、孪生数据、服务应用和连接）。

通过案例分析表明，该方案可使变电站运维效率提升30%以上，故障诊断准确率达到

95%，全生命周期成本降低1520%。报告还详细阐述了实施过程中的技术风险、管理挑

战及应对策略，为电力行业数字化转型提供了系统性解决方案。

引言与背景

1.1研究背景与意义

全球能源结构正在经历深刻变革，可再生能源占比持续提升，电力系统呈现出”双

高”（高比例可再生能源、高比例电力电子设备）特征。根据国际能源署（IEA）数据，

2022年全球可再生能源发电量占比已达28%，预计2030年将超过40%。在此背景下，

作为电网关键节点的变电站面临前所未有的挑战：运行工况复杂多变、设备状态监测困

难、运维成本居高不下。传统基于定期检修和人工巡检的管理模式已难以适应新型电力

系统的需求，亟需引入数字化、智能化技术手段。

数字孪生技术作为物理世界与数字世界的桥梁，为变电站全生命周期管理提供了

创新解决方案。通过构建与物理变电站实时同步的虚拟模型，可实现状态监测、故障诊

断、性能预测和优化决策等功能。据国家电网公司统计，应用数字孪生技术的试点变电

站平均故障处理时间缩短50%，设备利用率提高15%，运维成本降低20%。这些数据

充分证明了数字孪生技术在变电站管理中的巨大潜力。

1.2国内外研究现状

国际上，美国、德国等发达国家率先开展了变电站数字孪生技术的研究与应用。美

国电科院（EPRI）于2018年启动了”数字孪生变电站”项目，开发了基于云平台的数字

孪生系统；德国西门子公司推出了”DigitalTwinforSubstations”解决方案，已在欧洲多

个国家部署应用。根据欧洲智能电网联盟报告，截至2022年，欧洲已有超过15%的大

型变电站部署了数字孪生系统。

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国内方面，国家电网公司于2020年将数字孪生技术列为重点发展方向，在江苏、

浙江等地开展了示范工程建设。中国电科院牵头编制了《变电站数字孪生技术导则》等

行业标准，推动了技术规范化应用。据《中国电力行业数字化转型白皮书》显示，2022

年我国变电站数字孪生市场规模已达50亿元，预计2025年将突破150亿元，年复合

增长率超过40%。

1.3研究内容与方法

本报告围绕变电站全生命周期管理与运维优化这一核心问题，系统研究数字孪生

技术的应用路径。主要研究内容包括：变电站数字孪生系统架构设计、多源异构数据融

合方法、设备状态评估与预测模型、运维决策优化算法等。研究方法采用理论分析与实

证研究相结合的方式，通过文献调研、案例分析和数学建模等手段，构建科学合理的技

术方案。

具体而言，本报告将重点解决以下关键问题：如何构建高保真度的变电站数字孪生

模型；如何实现物理世界与数字世界的实时数据交互；如何基于数字孪生开展智能运维

决策；如何评估数字孪生系统的经济效益等。通过这些研究，为变电站数字化转型提供

理论指导和实践参考。

研究概述

2.1研究目标

本研究旨在构建基于数字孪生的变电站全生命周期管理与运维优化体系，实现变电

站规划、设计、建设、运行、维护到退役处置的全过程数字化管理。具体目标包括：建立

变电站设备的多维度数字孪生模型，精度达到95%以上；开发智能运维决策系统，故

障预测准确率不低于90%；构建全生命周期成本分析模型，降低综合运营成本1520%；

形成可复制推广的技术标准和实施方案。

为实现上述目标，研究将分三个阶段推进：第一阶段（16个月）完