能源行业正经历一场深刻变革，脱碳增效、确保电网可靠性成为当务之急。面对可再生能源的间歇性、老旧基础设施的维护压力以及不断变化的监管要求，电力生产商正寻求突破。一项关键技术正崭露头角，成为实现运营卓越的核心驱动力——人工智能（AI）驱动的数字孪生技术。
数字孪生：从静态模型到动态“活资产”
数字孪生不再是物理系统的静态镜像，而是与现实世界实时同步的动态生态系统，能够反映并模拟运营中的实时变化。通过融入AI技术，数字孪生从单纯的诊断工具进化为预测性洞察平台，甚至支持火力、核能及可再生能源发电设施的自主优化运营。
根据Guidehouse Insights的报告，能源行业数字孪生市场预计将从2022年的3.31亿美元增长到2031年的近25亿美元。这一快速增长反映了市场对AI集成数字孪生技术的投资热潮，旨在实现资产优化、预测性维护以及向更可持续、数据驱动的运营模式转型。
AI赋能：从被动反应到预测，再到自主运营
传统电厂自动化依赖固定控制逻辑和人工干预，而AI驱动的数字孪生则利用机器学习、数据分析和传感器输入，开启了一系列自动化功能。它们能够预测设备老化，减少非计划停机时间，优化运行效率，降低排放，同时平衡最大化输出与减少关键部件磨损的矛盾。更重要的是，AI数字孪生能从新数据中持续学习，逐步提升性能。
这种从被动到预测、再到自主运营的演进正在逐步展开，为电厂性能和可靠性带来显著提升。德勤研究显示，预测性维护可将维护成本降低25%，非计划停机时间减少高达70%，显著提升设备可用性和运营连续性。这在夏季用电高峰期尤为关键，能为电网稳定提供重要保障。
火力发电：提升效率与可靠性
尽管可再生能源快速增长，火力发电在应对需求激增时仍不可或缺。在燃气轮机和燃煤电厂中，AI驱动的数字孪生通过实时监测，及早发现部件磨损、燃烧不稳定或系统效率低下的迹象。这些工具还能在不同负载条件下优化热效率和燃烧参数，提升燃料利用率并改善排放表现。
麦肯锡的一项案例研究显示，德克萨斯州一家电厂通过AI优化在三个月内实现2%的效率提升，年节省燃料成本450万美元，并减少34万吨碳排放。当该技术扩展到26家工厂的67个机组后，平均效率提升1%，年节省超过2300万美元，碳排放减少约160万吨。这表明，AI驱动的数字孪生技术在火力发电领域的规模化应用具有显著的经济与环境效益。
在AVEVA的实践中，类似成果也在火力发电领域显现。例如，我们与一家炼油行业的大型运营商合作，通过数字孪生技术实现实时工艺优化，每座原油蒸馏装置年节省超200万美元，投资回报期不到一年。
核电：提升安全与决策效率
核电站因严格的安全与监管要求，对实时性能洞察需求极高。数字孪生技术早已用于培训和模拟，而AI的融入进一步提升了预测分析、自动化合规数据生成、应急场景建模及异常检测能力。美国能源部核能办公室将数字孪生列为优先创新领域，强调其在提升安全裕度、降低运营成本及增强决策支持方面的潜力。
AVEVA近期与一家全球领先的核电运营商合作，展示了AI驱动数字孪生的变革力。通过统一的数字孪生环境，全球团队得以协作，整合设计学科和3D模型，消除信息孤岛，减少数据不一致，提升工程效率，从而实现更安全、更明智的运营。
可再生能源：智能应对复杂挑战
风能、太阳能和水电等可再生能源面临独特的运营挑战，需要智能预测与控制来优化资源管理、效率和可靠性。以水电为例，需平衡水资源管理、波动性电力需求以及环境因素（如极端高温）和监管要求。AI数字孪生通过整合实时传感器数据和历史运营信息，优化涡轮性能、预测维护需求、简化关键报告并更高效地管理水流。
新冠疫情期间，一家中东基础设施运营商利用AI数字孪生技术远程调试关键设施。通过实时测试、性能分析和优化，项目团队在旅行限制下实现更高效的协作、更快的调试进度和长期运营改进，显著降低了风险并加速了交付。
电网整合：迈向自主化的挑战
尽管AI数字孪生的优势显著，但其整合仍面临挑战。AI的成功依赖高质量数据——数据需干净、一致且具语境化，以确保结果可靠。在关键任务场景中，运营商需清楚了解AI推荐的依据，这种可解释性对建立信任和确保安全至关重要。
此外，变革管理同样重要，团队需接受培训以适应新工具。网络安全也是重中之重，数字孪生的实时数据连接性使其成为网络攻击的潜在目标。据KnowBe4的2024年全球基础设施报告，2023年1月至2024年1月，关键基础设施遭受超4.2亿次网络攻击，同比增长30%。这凸显了构建稳健、可扩展的网络安全解决方案的迫切需求。
行业动能：显著成果推动转型
全球能源企业正通过AI数字孪生技术实现显著收益。在美国，一家电厂利用数字孪生技术将启动和关闭时间缩短44%，节省大量燃料并提升培训效率。另一家电力公司通过数字孪生优化了新设施的调试，降低成本。还有企业通过在开发早期引入模拟，加速了新电厂的启动。
根据2025年EY能源未来调查，50%的油气和化工企业已采用数字孪生管理资产，92%的企业计划在未来五年内实施或开发新的数字孪生应用。这表明，AI数字孪生正在推动更智能、更具适应性和韧性的能源系统。
负责任的创新：以价值为导向
AI在能源行业的应用需以可靠性、效率和安全为基础。其核心价值在于增强而非取代运营专长，通过提供深度洞察和分析降低风险。AI数字孪生为电力生产商提供了一个实用且可扩展的路径，助力优化资产性能、维护管理及应对日益复杂的运营挑战。
随着能源生产向分布式、脱碳和数字化方向迈进，AI驱动的数字孪生正从静态控制转向动态、适应性和自主系统，逐步成为现实。通过将AI数字孪生作为数字化运营的使能者，能源行业将加速迈向更具韧性、可持续和智能的未来。
原文链接：
https://www.powermag.com/creating-a-living-asset-the-role-of-ai-enhanced-digital-twins-in-autonomous-operations/
作者：Arti Garg
本文已进行编译。
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