能源互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字孿生及其應用

劉恩偉

[摘? ? 要]能源互聯(lián)網(wǎng)是以電力系統(tǒng)為基礎(chǔ)，將電力交通網(wǎng)與多能源網(wǎng)利用信息技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)等多種先進技術(shù)實現(xiàn)互聯(lián)，從而建立起能源共享網(wǎng)絡，提高能源利用率。能源互聯(lián)網(wǎng)具有其自身的特性，從規(guī)劃、運行、管理、維護等多個方面都存在很多難題。數(shù)字孿生技術(shù)利用多種先進的數(shù)字技術(shù)通過對物理實體對象的建模、仿真、描述和監(jiān)測，能夠?qū)崿F(xiàn)對能源互聯(lián)網(wǎng)的規(guī)劃、感知和優(yōu)化，是解決能源互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建運行過程中難題的有效途徑。

[關(guān)鍵詞]能源互聯(lián)網(wǎng);數(shù)字孿生;應用

[中圖分類號]TM73;TK01 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（21）04–0–02

Energy Internet Digital Twinning and Applications

Liu En-wei

[Abstract]The energy Internet is based on the power system， which interconnects the electric traffic network with the multi-energy network by using many advanced technologies such as information technology， network technology， power generation technology and so on， so as to establish the energy sharing network and improve the energy utilization ratio. Energy Internet has its own characteristics， from the planning， operation， management， maintenance and other aspects of many problems. Digital twinning technology can realize the planning， perception and optimization of energy Internet through modeling， simulation， description and monitoring of physical entity objects using a variety of advanced digital technologies. It is an effective way to solve the difficult problems in the construction and operation of energy Internet.

[Keywords]energy internet; digital twinning; applications

能源互聯(lián)網(wǎng)是將能源系統(tǒng)與現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)良好結(jié)合，實現(xiàn)能源之間的優(yōu)勢互補，使資源得到優(yōu)化配置，這是能源系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，也是能源行業(yè)領(lǐng)域眾多專家和學者研究的熱點問題?！暗谒拇喂I(yè)革命”推動了全球工業(yè)發(fā)展腳步的加快，“萬物互聯(lián)”的數(shù)字化時代已經(jīng)到來。我國緊跟時代發(fā)展的步伐，在數(shù)字技術(shù)方面加大研究力度，積極推進數(shù)字技術(shù)的發(fā)展。能源互聯(lián)網(wǎng)的建立和發(fā)展代表著電力能源新的發(fā)展態(tài)勢，更是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)落實在行業(yè)領(lǐng)域中的典型代表。

1 能源互聯(lián)網(wǎng)概述

人類的生存和發(fā)展離不開能源，能源不僅與人們的生產(chǎn)生活息息相關(guān)，而且更是國家發(fā)展戰(zhàn)略中必不可少的重要因素，可以說，一個國家的戰(zhàn)略競爭力的強弱，能源起著非常關(guān)鍵的作用。傳統(tǒng)的單一的能源形式和能源決策無法實現(xiàn)平穩(wěn)的可持續(xù)性發(fā)展，如何將多種能源之間有效的聯(lián)系起來，實現(xiàn)優(yōu)勢互補，構(gòu)建能源互聯(lián)網(wǎng)，提高能源利用率，是現(xiàn)代能源領(lǐng)域共同關(guān)注的熱點問題。

能源互聯(lián)網(wǎng)是建立在智能電力系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上，以電為核心，將以信息技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)、能源技術(shù)等為代表的多種先進技術(shù)進行深度融合形成的能源互聯(lián)共享網(wǎng)絡。能源互聯(lián)網(wǎng)具有自身獨特的優(yōu)勢：智能化、開放化、多能源互聯(lián)互補、高效互動等，是一種智能型能源互聯(lián)系統(tǒng)。多能源系統(tǒng)互聯(lián)，且具有開放性，能夠?qū)崿F(xiàn)多能協(xié)同，這是能源互聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建的基本要求。依托物理互聯(lián)，利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)使能源資源以數(shù)字化的形式呈現(xiàn)，數(shù)據(jù)之間能夠?qū)崿F(xiàn)開放性的互聯(lián)共享。目前國內(nèi)外對于能源互聯(lián)網(wǎng)的研究主要分為以下幾個方面：

（1）建模仿真。目前能源互聯(lián)網(wǎng)的建模仿真仍然沿用物理機理和數(shù)學公式建模，通過對關(guān)鍵設(shè)備選擇定容和優(yōu)化網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的方法來實現(xiàn)規(guī)劃目標。能源互聯(lián)網(wǎng)的規(guī)劃是一個復雜的過程，因為不僅包括能源系統(tǒng)中的各種復雜電源，還包括雙向符合，需要優(yōu)化的目標是多個。而且模型中有很多因素是具有不確定性的，無法對其進行量化，如何能夠讓規(guī)劃保持長久持續(xù)的有效性是最大的難題?；谀芰苛鞅旧硭哂袕碗s性高且不確定性等特點，傳統(tǒng)的白盒模型顯然無法滿足安全，因此，人工智能方法在這里就顯得優(yōu)勢突出，由于其是由數(shù)據(jù)驅(qū)動，具有靈活性高，適應性強等特點，能夠滿足多種能源規(guī)劃的要求。但是無論采用的那種規(guī)劃方法，都缺乏可以實時演進的系統(tǒng)驗證。

（2）監(jiān)測分析。能源互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測分析的重點是對子系統(tǒng)工況數(shù)據(jù)的監(jiān)測。不同種類的監(jiān)測系統(tǒng)具有不同的采集頻率，氣、熱、冷能量為分鐘級，而電能則為秒級。如果是穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)分析沒有問題，但是對于電力系統(tǒng)來說，通常暫態(tài)故障為微秒級，僅依靠監(jiān)測數(shù)據(jù)來直接對故障進行分析和判斷是有一定難度的。

（3）優(yōu)化調(diào)度。優(yōu)化調(diào)度主要針對的是可再生能源的消納，致力于能源利用率的提升，不僅要保證能源系統(tǒng)的運行平穩(wěn)，更要追求能源利用的高效性。從目前的研究成果來看，關(guān)于能源互聯(lián)網(wǎng)的最優(yōu)多能量流的研究通常是以仿真模型為基礎(chǔ)，通過線性化的方法配合凸優(yōu)化算法對非線性優(yōu)化模型求解。但是這種方法對穩(wěn)態(tài)模型有效，只支持仿真環(huán)境下的驗證，如果系統(tǒng)動態(tài)運行，這種方法就缺乏了實際應用性。

2 數(shù)字孿生概述

數(shù)字孿生一詞最早是由美國的Dr.Grieves提出，是指利用設(shè)備的物理數(shù)據(jù)來構(gòu)建數(shù)學三維模型來對物理設(shè)備進行表征，以更好地對理論與實際進行詮釋理解，從而提高設(shè)備有效管理能力。數(shù)字孿生的定義并不是一層不變的，多年來，隨著對數(shù)字孿生研究的逐漸深入，數(shù)字孿生的定義也在不斷的發(fā)生改變。簡單來說，數(shù)字孿生就是集合多方面數(shù)據(jù)，集成多種仿真過程實現(xiàn)在虛擬空間對實體裝備全生命周期的映射。近年來，數(shù)字孿生越來越受到多個行業(yè)領(lǐng)域的關(guān)注，涉及領(lǐng)域越來越廣泛，相關(guān)學術(shù)文章已超百篇，逐漸發(fā)展成為戰(zhàn)略技術(shù)。

數(shù)字孿生與數(shù)字影子、數(shù)字模型存在一定差別，數(shù)字影子和數(shù)字模型都是以數(shù)字的形式來表現(xiàn)物理實體，但是數(shù)字模型是一種靜態(tài)模型，數(shù)字影子只能進行單向的數(shù)據(jù)傳輸。而數(shù)字孿生的數(shù)據(jù)傳輸是雙向的，數(shù)字孿生不僅可以進行實時修整，同時可以將仿真優(yōu)化的結(jié)果實時向物理實體進行反饋，是一種動態(tài)模型。因此，數(shù)字孿生的重點優(yōu)勢在于數(shù)據(jù)的雙向傳輸，物理實體與數(shù)字孿生之間可以實現(xiàn)運行狀態(tài)下的同步反映。將數(shù)字孿生應用于能源系統(tǒng)，可以提高系統(tǒng)運行的完全性、穩(wěn)定性。

3 能源互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字孿生架構(gòu)

本文根據(jù)實際運行環(huán)境下能源互聯(lián)網(wǎng)的需求，結(jié)合能源系統(tǒng)運行的各個業(yè)務環(huán)節(jié)，以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，利用傳感器技術(shù)、人工智能技術(shù)等對物理實體進行建模和描述，構(gòu)建能源互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字孿生整體架構(gòu)。

3.1 物理感知

能源互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字孿生系統(tǒng)的建立，數(shù)據(jù)采集與感知是必要條件，而數(shù)據(jù)獲得的途徑就是物理感知。物理實體可以按照層級由下至上、由易到難、由小到大層層有序構(gòu)建?？梢詫⒃O(shè)備實體看作是能源互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字孿生架構(gòu)中最基礎(chǔ)的小單元，一個實體設(shè)備對應一個數(shù)字孿生體。將多個設(shè)備配置組合形成一個園區(qū)級子系統(tǒng)，負責園區(qū)能量的優(yōu)化調(diào)度;再將多個園區(qū)進行協(xié)同互補，組合構(gòu)建區(qū)域級子系統(tǒng)，負責各個不同園區(qū)之間能量的優(yōu)化調(diào)度;將多個不同區(qū)域協(xié)同構(gòu)建一個跨區(qū)級系統(tǒng)，負責對能源互聯(lián)網(wǎng)整體系統(tǒng)的分析預測。這種層級式能量優(yōu)化調(diào)度，既保證能源互聯(lián)網(wǎng)孿生系統(tǒng)的有序性，又實現(xiàn)了大規(guī)模資源協(xié)同互聯(lián)、優(yōu)化配置。

3.2 傳輸交互

傳輸交互如同一條紐帶，連接著各個環(huán)節(jié)之間的數(shù)據(jù)實時交互協(xié)同，實現(xiàn)高效連接。數(shù)據(jù)傳輸交互，承擔著六種高效連接任務，即物理實體連接虛擬空間、物體實體連接智能實體、物理實體連接數(shù)據(jù)平臺、數(shù)據(jù)平臺連接虛擬空間、數(shù)據(jù)平臺連接智能實體、虛擬空間連接智能實體。每個連接都是必要的，都在系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用。

3.3 數(shù)據(jù)共享

數(shù)據(jù)共享就如同一個動力源泉，為模型提供持續(xù)的、強大的、有效的驅(qū)動力。數(shù)據(jù)來自于物理實體、智能實體、虛擬空間、知識數(shù)據(jù)、融合數(shù)據(jù)，不僅有靜態(tài)數(shù)據(jù)，還包括動態(tài)數(shù)據(jù)。作為系統(tǒng)驅(qū)動力，數(shù)據(jù)共享就是利用傳輸交互的高效連接將數(shù)據(jù)共享，無論是智能實體還是虛擬空間都可以接收到數(shù)據(jù)信息來執(zhí)行任務。不僅支持數(shù)據(jù)接入更兼具數(shù)據(jù)管理功能，同時對數(shù)據(jù)進行存儲、計算和共享。

3.4 應用服務

應用服務是虛擬空間對物理實體的反饋，對物理實體提供在線應用服務。應用服務是以共享數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，將虛擬空間演進的結(jié)果反饋給物理實體，實現(xiàn)實時的、動態(tài)的運行輸出。能源互聯(lián)網(wǎng)應用在能源電力系統(tǒng)，主要用于故障分析與診斷，深度學習引進數(shù)字技術(shù)，實現(xiàn)設(shè)備智能化運維，改善傳統(tǒng)系統(tǒng)運維遇到的多種難題。

3.5 虛擬空間

虛擬空間是全模仿真形成的多維度虛擬化數(shù)字空間，模擬對象為物理實體和智能實體，以數(shù)字孿生體的形式將二者以鏡像復制的形式映射出來，對真實世界進行模擬。虛擬空間不受時間與空間的限制，更不受實際環(huán)境的影響，既能夠?qū)ο到y(tǒng)運行的現(xiàn)狀進行推演驗證，又可以對未來的發(fā)展進行預測判斷。不僅可以對已有故障進行分析和解決，同時可以預測未來可能發(fā)生的故障，做到提前預防，保證真實世界的系統(tǒng)運行穩(wěn)定性和安全性。

3.6 安全防護

安全防護猶如一個保護傘，保障系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的安全。從設(shè)備接入到信息傳輸交互，從使用安全到應用服務安全，建立安全保障體系都是非常重要的。傳統(tǒng)的安全防護架構(gòu)難以滿足能源互聯(lián)網(wǎng)的安全需求，能源互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字孿生系統(tǒng)本著互聯(lián)協(xié)同理念，基于物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，構(gòu)建覆蓋全部層級的全方面安全保障體系。

4 能源互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字孿生的典型應用

4.1 電力設(shè)備狀態(tài)評價

電力設(shè)備系統(tǒng)規(guī)模大、信息源多、維護復雜度高、狀態(tài)評價難度大，這些都是困擾電力系統(tǒng)運維多年的難點問題。能源互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字孿生利用多方物理設(shè)備采集的信息來建立起數(shù)字孿生體，在虛擬空間對真實設(shè)備的實際運行情況進行鏡像復制。同時，將多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合技術(shù)、圖譜技術(shù)、故障診斷技術(shù)等多種技術(shù)結(jié)合起來對電力設(shè)備的實際運行狀態(tài)進行評價。根據(jù)電力變壓器激勵和狀態(tài)數(shù)據(jù)構(gòu)建數(shù)字孿生體來對變壓器狀態(tài)進行評估并將診斷結(jié)果和建議向變壓器實體進行反饋。

4.2 電網(wǎng)安全分析與自主調(diào)控

傳統(tǒng)的仿真模型刻畫的電網(wǎng)運行狀態(tài)和過程與實際存在偏差，而且容易受到外界環(huán)境的干擾，準確度難以保證，同時無法與物理電網(wǎng)進行實時信息交互，難以實現(xiàn)同步。數(shù)字孿生的構(gòu)建使得模型能夠跟隨場景變化的步伐，與其同步進行實時更新。實時、在線、動態(tài)、高保真是數(shù)字孿生的優(yōu)勢所在，能夠?qū)﹄娋W(wǎng)行為和狀態(tài)精準描述，實現(xiàn)高效運維。數(shù)字孿生通過監(jiān)測系統(tǒng)獲得的各方面數(shù)據(jù)，利用深度學習對電網(wǎng)狀態(tài)進行識別，在虛擬空間內(nèi)構(gòu)建鏡像模擬開展在線分析和決策，再將優(yōu)化決策向物理電網(wǎng)進行反饋，達到安全分析與自主調(diào)控的目的。

4.3 用戶多元服務

數(shù)字孿生通過將內(nèi)外多種數(shù)據(jù)的融合，研究與產(chǎn)品需求相匹配的智能模型，在對多能源流的特性解析的基礎(chǔ)上進行動態(tài)分區(qū)，在虛擬空間對系統(tǒng)運行進行模擬推演，利用多能流分布資質(zhì)和多主體協(xié)同的方法，實現(xiàn)能源的綜合管理。多種能源之間不僅能夠?qū)崿F(xiàn)分布自治，而且與其他能源能互聯(lián)協(xié)同，能夠使上游和下游用戶的多種需求都得到滿足，實現(xiàn)多元化服務，提升用戶滿意度。

5 結(jié)語

面對能源互聯(lián)網(wǎng)機理模糊不清、隨機性強、復雜性高等難點問題，能源互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字孿生可以對實際環(huán)境進行感知并進行空間模擬，虛擬空間與實際空間能夠?qū)崟r交互，從而實現(xiàn)在線動態(tài)演變，進行動態(tài)化推演驗證。能源互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字孿生在我國還處于初級研究階段，還不具備大規(guī)模運行的能力，隨著對能源互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字孿生研究的不斷深入，必然會使其更具有應用和推廣價值，實現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)的高效運行，提高能源利用率。

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