基于數(shù)字孿生的多能互補(bǔ)微型能源網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

姚娟，張曉文，宋嘉，董新偉

(1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司嘉興供電公司，浙江 嘉興 334201；2.中國礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221000)

近年來，氣候變暖、溫室效應(yīng)等一系列的影響人類生存的環(huán)境問題，日益受到社會各界的持續(xù)關(guān)注，一次次占據(jù)熱點(diǎn)話題。化石能源無疑是人類歷史上長久以來推動我們發(fā)展繁榮的能源主體，但它同時也是大氣中“碳”量激增的罪魁禍?zhǔn)住?021年上半年，中央財經(jīng)委員會第九次會議上提出“構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)”，光伏、風(fēng)電首次躍升為市場主體能源。對傳統(tǒng)電力系統(tǒng)跨越升級，打造安全可控、智能開放、互動友好、清潔低碳的新型電力系統(tǒng)，在“雙碳”大背景下勢在必行。浙江是能源資源小省，外來電占比大。當(dāng)前浙江“無電可用”與“有電限用”相互交織，這將成為今后一段時期的新常態(tài)。聚焦諸如風(fēng)能、太陽能等在內(nèi)的分布式新能源，水能、地?zé)崮艿瓤稍偕茉吹膮f(xié)調(diào)利用，推動源網(wǎng)荷儲互動共濟(jì)是解決能源危機(jī)的關(guān)鍵。

分布式能源的發(fā)展同步壯大了微電網(wǎng)的研究隊(duì)伍，尤其在能源利用率上。單純對某單一能源利用優(yōu)化，成本高且應(yīng)用效果不佳，在此背景下，構(gòu)建多能互補(bǔ)的能源網(wǎng)絡(luò)，把不可再生的與可再生的能源綜合起來考慮，不僅能夠減少化石能源消耗，還能促進(jìn)可再生能源的就地消納，從而把它們的綜合利用率提高一個層次[1]。數(shù)字孿生技術(shù)融合眾多前沿科技，作為當(dāng)前客觀反應(yīng)物理世界的有效手段，能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬空間與物理實(shí)體間全尺度、全生命周期的實(shí)時連接、動態(tài)交互、雙向映射，幫助物理實(shí)體擺脫現(xiàn)實(shí)空間、距離限制，發(fā)展至今，因其普遍適用性，在醫(yī)學(xué)分析、產(chǎn)品設(shè)計、工程建設(shè)、智能制造等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，其在規(guī)劃設(shè)計、運(yùn)維服務(wù)等各個環(huán)節(jié)的價值回饋與電網(wǎng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型需求高度契合[2]。因此本文考慮以某一小微園區(qū)為研究對象依托數(shù)字孿生技術(shù)建立多能互補(bǔ)的微型能源網(wǎng)絡(luò)。

1 多能互補(bǔ)微型能源網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

考慮分公司轄區(qū)內(nèi)當(dāng)前產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與能源利用現(xiàn)狀，本文選取小微園區(qū)作為多能互補(bǔ)微型能源網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的研究對象。

1.1 多能互補(bǔ)能源利用形式分析

本文綜合考量多能互補(bǔ)系統(tǒng)的建立要素，將系統(tǒng)內(nèi)能源的輸入與產(chǎn)出同步納入考慮范圍。輸入主要是原始能源類型的多種多樣，輸出則針對用戶的用能需求，因而要兼顧輸送形式的多樣性和產(chǎn)出功能的差異化。它不是多種能源形勢的簡單疊加，而是要統(tǒng)籌協(xié)調(diào)各能源間的轉(zhuǎn)換使用與配合關(guān)系，依照不同能源品位高低在系統(tǒng)高度對它們綜合互補(bǔ)利用[3-4]。

圖1 園區(qū)多能互補(bǔ)能源利用形式分析Fig.1 Analysis of multi-energy complementary energy utilization forms in the park

該系統(tǒng)把一體化整合理念具象于能源系統(tǒng)工程領(lǐng)域，綜合了可再生能源的互補(bǔ)性以及傳統(tǒng)能源與新能源的聯(lián)合開發(fā)，是傳統(tǒng)分布式能源的應(yīng)用拓展。通過對能源自身特點(diǎn)綜合考量，實(shí)現(xiàn)熱、冷、氣、電等多種能源形勢的補(bǔ)充利用，全方位提升能源的整體利用率[5]。整個園區(qū)能源系統(tǒng)里的各種能源，都能夠通過這個“區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)”系統(tǒng)，考量系統(tǒng)中其他能源的出力減少或缺失，從而對自身的出力做出對應(yīng)調(diào)節(jié)，以此平穩(wěn)能源系統(tǒng)的整體運(yùn)行[6]。借由多能互補(bǔ)能源系統(tǒng)，分布式能源的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了從點(diǎn)到面、從局部域到系統(tǒng)層的發(fā)展過渡。

1.2 多能互補(bǔ)能源體系架構(gòu)

本文從當(dāng)前應(yīng)用效果剖析，按照顯示層、應(yīng)用層、數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)源層等由上至下五個層級[7]搭建多能互補(bǔ)能源體系架構(gòu)。

圖2 多能互補(bǔ)能源體系理論架構(gòu)Fig.2 Theoretical framework of multi-energy complementary system

1)顯示層[8]：基于電力系統(tǒng)常用的GIS、OPEN-3000等，以圖表、能流圖、報警圖等為媒介，利用可視化技術(shù)，將平臺中包括報警、監(jiān)視、優(yōu)化、分析在內(nèi)的各種響應(yīng)過程以及用能信息可視化展現(xiàn)，提升平臺的展示和交互功能的同時，使得演示和操作界面更加友好。

2)應(yīng)用層：本層主要實(shí)現(xiàn)新能源與傳統(tǒng)能源的監(jiān)測、用能評估與配置優(yōu)化等綜合管理的功能，同時也兼做能源特性分析[9]，以此為系統(tǒng)提供調(diào)蓄調(diào)峰策略參考等。

3)數(shù)據(jù)層：包括應(yīng)用、空間、歷史及實(shí)時數(shù)據(jù)等[10]。應(yīng)用數(shù)據(jù)主要是平臺應(yīng)用分析報表等的數(shù)據(jù)信息，空間數(shù)據(jù)主要是轄區(qū)內(nèi)用于GIS能源監(jiān)控與對外展示的地理信息系統(tǒng)(GIS)的空間數(shù)據(jù)，平臺支持?jǐn)?shù)據(jù)的深度挖掘并預(yù)留信息上報與系統(tǒng)交互的接口。

4)網(wǎng)絡(luò)層：通過電力線載波、光纖、無線專網(wǎng)、2G/3G/4G/5G移動互聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等將用能數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)層[11]。

5)數(shù)據(jù)源層：利用底層傳感采集設(shè)備采集發(fā)電量、功率、供熱量等在內(nèi)的滿足上層應(yīng)用需求，支持多能互補(bǔ)能源體系架構(gòu)綜合管理應(yīng)用的基本信息[12]。

2 數(shù)字孿生技術(shù)

2.1 數(shù)字孿生要素關(guān)系

數(shù)字孿生(digital twins)最初由鏡像空間模型演化而生，提出以來在產(chǎn)業(yè)界和政府決策層等引起廣泛熱議[13]。目前，不同領(lǐng)域?qū)ζ湔J(rèn)識并不統(tǒng)一，NASA定義其為仿真過程，由此衍生出關(guān)于數(shù)字孿生的三種概念：一部分人認(rèn)為數(shù)字孿生就是模型、數(shù)據(jù)、仿真的集合；一部分人在集合體中把物理實(shí)體加入進(jìn)來；當(dāng)然，也有人堅持?jǐn)?shù)字孿生就是數(shù)字化模型。不可否認(rèn)，數(shù)字孿生等同于物理實(shí)體建立的數(shù)字化模型與這些觀點(diǎn)都不矛盾。

圖3 數(shù)字孿生要素關(guān)系模型Fig.3 Relationship model of digital twinning elements

結(jié)合以往大量研究，本文認(rèn)為數(shù)字孿生就是參照物理實(shí)體搭建非分析性動態(tài)模型，將實(shí)體中反映客觀規(guī)律的數(shù)據(jù)在一系列模型的復(fù)雜組合中仿真處理，探索物理實(shí)體發(fā)展變化的復(fù)雜過程。這個過程的復(fù)雜性在于，它并不是本體、對象、信息、方法的單一映射，更多注重建立要素間的反饋機(jī)制。

2.2數(shù)字孿生架構(gòu)模型構(gòu)建

本文從物理實(shí)體、孿生模型、服務(wù)機(jī)制、數(shù)據(jù)系統(tǒng)以及四者間的連接關(guān)系[14]五個方面構(gòu)建數(shù)字孿生模型：

圖4 數(shù)字孿生架構(gòu)解析Fig.4 Analysis of digital twin architecture

1)物理實(shí)體：作為數(shù)字孿生模型搭建的參照對象，物理實(shí)體是整個模型架構(gòu)的基礎(chǔ)，對它的有效分析與準(zhǔn)確反應(yīng)是構(gòu)建孿生模型的前提。

2)孿生數(shù)據(jù)：包含物理實(shí)體、孿生模型、服務(wù)機(jī)制以及連接關(guān)系數(shù)據(jù)等[15]。物理實(shí)體數(shù)據(jù)主要包括實(shí)體即時反映的動態(tài)數(shù)據(jù)及其歷史信息貢獻(xiàn)的靜態(tài)數(shù)據(jù)；孿生模型數(shù)據(jù)包括模型構(gòu)建用到的邊界、載荷、約束等條件數(shù)據(jù)，涉及的規(guī)律規(guī)則、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、知識經(jīng)驗(yàn)等領(lǐng)域知識，以及模型使用中的動態(tài)仿真數(shù)據(jù)；虛擬服務(wù)數(shù)據(jù)包括服務(wù)封裝、調(diào)用、組合等一系列過程數(shù)據(jù)，以及輔助服務(wù)完成產(chǎn)生的分析、預(yù)測、優(yōu)化、評估等結(jié)果數(shù)據(jù)；連接關(guān)系數(shù)據(jù)是將物理實(shí)體、孿生模型、虛擬服務(wù)轉(zhuǎn)換融合，集成處理得到表征三者關(guān)系的數(shù)據(jù)集合，它不僅使得信息表達(dá)更加準(zhǔn)確全面，更兼顧生命周期、時空關(guān)聯(lián)、歷史統(tǒng)計等信息的整合，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的增值與共享。

3)孿生模型：是數(shù)字孿生的本體，它作為一個整體概念，具有多重含義，不僅表征某一單一物理狀態(tài)，更指向一系列模型的復(fù)雜組合。包括行為、幾何、物理、規(guī)則等模型。行為模型就是不同時間不同空間，物理實(shí)體在內(nèi)部機(jī)制與外部干擾共同作用下的實(shí)時行為表現(xiàn)；幾何模型是表征物理實(shí)體關(guān)系(組裝關(guān)系等)與幾何參數(shù)(長度、位置、形狀等)的三維模型，對細(xì)節(jié)的深入刻畫有助于物理實(shí)體真實(shí)再現(xiàn)；物理模型是幾何模型的升級，相較于幾何模型，它不僅具備了上述的結(jié)構(gòu)功能，更增加了特征、屬性、約束等物理特性；規(guī)則模型基于對數(shù)據(jù)、方法、規(guī)則、標(biāo)準(zhǔn)等歷史經(jīng)驗(yàn)的解讀和相關(guān)領(lǐng)域隱性知識的概括。

4)虛擬服務(wù)：利用服務(wù)化封裝技術(shù)對孿生模型的算法、模型、數(shù)據(jù)、結(jié)果、仿真等處理，然后綜合動態(tài)調(diào)度、服務(wù)組合優(yōu)化、容錯機(jī)制等，利用外部功能服務(wù)、內(nèi)部業(yè)務(wù)服務(wù)分別完成外部用戶提交的任務(wù)和模型自身的優(yōu)化運(yùn)行等需求。

5)連接關(guān)系：物理實(shí)體、孿生模型、服務(wù)機(jī)制、數(shù)據(jù)系統(tǒng)這四者要通過連接關(guān)系形成整體。這個連接關(guān)系不僅包括物理實(shí)體與孿生模型、與服務(wù)機(jī)制、與數(shù)據(jù)系統(tǒng)的連接，也包括孿生模型與服務(wù)機(jī)制、與數(shù)據(jù)系統(tǒng)的連接，還包括服務(wù)機(jī)制與數(shù)據(jù)系統(tǒng)的連接。

3 數(shù)字孿生在多能互補(bǔ)能源網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)

3.1 微型能源網(wǎng)絡(luò)建立可行性分析

本文以濱海轄區(qū)OZ小微園區(qū)為研究對象，利用Tp(動態(tài)投資回收期)、NPV(財務(wù)凈現(xiàn)值)以及IRR(財務(wù)內(nèi)部效益率)三個經(jīng)濟(jì)性評價指標(biāo)[16-17]，分析對其建立微型能源網(wǎng)絡(luò)可行性。

動態(tài)投資回收期：

(1)

其中，CI為第t年收入，即現(xiàn)金流入；CO為第t年投資或支出，即現(xiàn)金流出；i0為行業(yè)基準(zhǔn)折現(xiàn)率。

財務(wù)凈現(xiàn)值：

NPV=∑lt/(1+R)-∑Ot/(1+R)

(2)

其中，lt是第t年現(xiàn)金的流入；Ot是第t年現(xiàn)金的流出；R代表折現(xiàn)率；

財務(wù)內(nèi)部效益率：

IRR=s+[NPVa/(NPVa-NPVb)]*(b-a)

(3)

其中，a、b是折現(xiàn)率，且a>b；NPVa是折現(xiàn)率a對應(yīng)的凈現(xiàn)值，NPVa>0；NPVb是折現(xiàn)率b對應(yīng)的凈現(xiàn)值，NPVb<0。

現(xiàn)擬在原配電系統(tǒng)中增加配置光伏與儲能設(shè)施。

1)光伏。OZ小微園區(qū)屋頂光伏總計可安裝面積3.52萬平方米，墻面光伏總計可安裝面積1.34萬平方米，項(xiàng)目計劃全壽命周期25年，計算預(yù)計首年發(fā)電量520.67萬千瓦時，按照衰減率折減后，OZ小微園區(qū)25年總計發(fā)電量在11778.88萬千瓦時。不計屋頂租金，按5%考慮運(yùn)行維護(hù)成本，0.15%考慮保險費(fèi)用，全部自籌資金。預(yù)計靜態(tài)總投資2282.18萬元， 100%消納的情況下，計算所得稅前內(nèi)含報酬率8.7%，凈現(xiàn)值522.98萬元，靜態(tài)回收期9.49年，動態(tài)回收期15.33年。由此可知，在OZ小微園區(qū)建設(shè)光伏項(xiàng)目滿足經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)要求，項(xiàng)目具有可行性。

除此之外，根據(jù)IEA(國際能源署)發(fā)布的《世界能源展望2007》，我國二氧化碳的排放指數(shù)在0.814kg/kWh，同時，火電廠上網(wǎng)電量每1kWh需消耗標(biāo)準(zhǔn)煤305g，依照脫硫前統(tǒng)計數(shù)據(jù)和脫氮前統(tǒng)計數(shù)據(jù)，要排放6.2g的硫氧化物(SOx)和2.1g的氮氧化物(NOx)[18]，就此計算出本次光伏項(xiàng)目25年總計減少二氧化碳排放95880.08噸，減少硫氧化物排放730.29噸，減少氮氧化物排放247.36噸，環(huán)境效益顯著，光伏項(xiàng)目建設(shè)具備一定必要性。

2)儲能。對從生產(chǎn)管理系統(tǒng)、電力營銷系統(tǒng)等獲取的用戶用電負(fù)荷數(shù)據(jù)，中長期負(fù)荷預(yù)測。考慮碳電比例、實(shí)際可用空間及園區(qū)用能情況，對OZ小微園區(qū)配置0.8MW儲能電站?？紤]儲能設(shè)施運(yùn)行期內(nèi)容量衰減率與蓄電池更換成本，按照項(xiàng)目計劃全壽命周期25年，做經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)計算。不計場地費(fèi)用，按5%考慮運(yùn)行維護(hù)成本，0.15%考慮保險費(fèi)用，全部自籌資金。預(yù)計靜態(tài)總投資198.4萬元，計算所得稅前內(nèi)含報酬率64.98%，凈現(xiàn)值1080.39萬元，靜態(tài)回收期2.04年，動態(tài)回收期1.35年。由此可知，OZ小微園區(qū)建設(shè)儲能項(xiàng)目滿足經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)要求，項(xiàng)目具有可行性。

同時，儲能電站的建設(shè)一定程度上實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)削峰填谷，解決電力在時間和空間上的不平衡，緩和電網(wǎng)峰谷供需矛盾，社會效益顯著，儲能項(xiàng)目建設(shè)具備一定必要性。

3)氫能。OZ小微園區(qū)原有氫能發(fā)電設(shè)備本次不做成本核算，僅將數(shù)據(jù)同步孿生模型。

3.2 微型能源網(wǎng)絡(luò)數(shù)字孿生模型框架搭建

綜合考慮數(shù)字孿生模型構(gòu)建的五個維度以及多能互補(bǔ)能源網(wǎng)絡(luò)的五個層級，搭建框架模型。

圖5 微型能源網(wǎng)絡(luò)數(shù)字孿生模型框架搭建Fig.5 Construction of a digital twin model framework for micro-energy networks

1)基礎(chǔ)支撐層。依托電力物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)、邊緣層感知裝置、傳感網(wǎng)絡(luò)等為多能互補(bǔ)微型能源網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字孿生提供建模數(shù)據(jù)。包括基于控制器與傳感裝置獲取的表征冷熱電實(shí)時動態(tài)的電氣量、熱學(xué)、光電數(shù)據(jù)，基于能源大數(shù)據(jù)中心的第三方服務(wù)機(jī)構(gòu)的實(shí)體參數(shù)數(shù)據(jù)等。

2)數(shù)據(jù)互動層。依托Paas層的數(shù)據(jù)管理工具，利用Iaas層的云基礎(chǔ)設(shè)施，對模型孿生出的數(shù)據(jù)及基礎(chǔ)支撐層的上送數(shù)據(jù)傳輸、存儲、融合與處理[19-20]。DDS協(xié)議滿足了高實(shí)時性與可靠性要求的數(shù)據(jù)傳輸，MOTT與COAP解決了數(shù)據(jù)在不可靠網(wǎng)絡(luò)場景、低寬帶及物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備資源受限情況下的傳輸問題，AMQP為移動式采集設(shè)備獲取的數(shù)據(jù)上送云端分析提供支撐，XMPP倚仗及時通信指令及TCP傳輸完成操作指令下達(dá)，REST/HTTP通過開放API實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)在互聯(lián)網(wǎng)的調(diào)用和分析，數(shù)據(jù)庫是數(shù)據(jù)存儲和讀取的媒介，它有關(guān)系型和非關(guān)系型兩種，前者用二維表對數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)間關(guān)系進(jìn)行存儲，后者的存儲系統(tǒng)遵循ACID原則；常用的數(shù)據(jù)融合技術(shù)有小波分析、模糊集理論、卡爾曼濾波器等，通過這些技術(shù)對孿生數(shù)據(jù)和多傳感數(shù)據(jù)優(yōu)化組合獲取更多有用信息；獲得的原始數(shù)據(jù)要清洗處理，然后依據(jù)需求決定是否集成變換，再進(jìn)行規(guī)約和離散化等，缺失數(shù)據(jù)可以依靠限制玻爾茲曼機(jī)、多維插值技術(shù)、主成分分析、生成對抗網(wǎng)絡(luò)等補(bǔ)足，云計算遠(yuǎn)程供給可測量、可擴(kuò)展資源的效用模型與邊緣計算就近采集處理功能配合，為高效的數(shù)據(jù)處理提供支撐[21]。

3)建模仿真層。孿生模型的構(gòu)建要么基于數(shù)據(jù)要么基于模型來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動[22-23]。前者是利用機(jī)器學(xué)習(xí)方法，避開復(fù)雜的物理建模，直接寫入采集、控制裝置的測試、監(jiān)測數(shù)據(jù)等，利用輸入輸出的數(shù)據(jù)描述物理過程，構(gòu)建數(shù)據(jù)模型。有監(jiān)督學(xué)習(xí)是機(jī)器學(xué)習(xí)的一種，可以通過訓(xùn)練系統(tǒng)歷史輸入輸出數(shù)據(jù)獲取最優(yōu)模型，并將這個模型與系統(tǒng)擬合，最終新的輸入在最優(yōu)模型中映出相應(yīng)輸出，在機(jī)器學(xué)習(xí)中起到了重要作用；后者能夠從物理過程和機(jī)理反映物理實(shí)體，通過模型驅(qū)動構(gòu)建數(shù)字模型，實(shí)現(xiàn)過程分實(shí)景化孿生模型構(gòu)建和實(shí)體規(guī)則和行為表征兩個步驟。實(shí)景化孿生模型構(gòu)建依托三維可視化仿真技術(shù)與模型輕量化技術(shù)，本文的三維可視化仿真技術(shù)基于VR-Platform，輕量化技術(shù)靠EVdvue實(shí)現(xiàn)。實(shí)體規(guī)則和行為表征主要利用全尺度多物理場仿真機(jī)模型降階技術(shù)。

4)功能應(yīng)用層。以工業(yè)軟件及APP的形式將邊緣層、IaaS層、PaaS層等的研究成果固化與封裝，最終服務(wù)于動態(tài)調(diào)度、策略控制等全生命周期[24-26]。

3.3 多能互補(bǔ)微型能源網(wǎng)絡(luò)數(shù)字孿生的實(shí)現(xiàn)方法

多能互補(bǔ)微型能源網(wǎng)絡(luò)數(shù)字孿生的實(shí)現(xiàn)，關(guān)鍵在于三個方面[27-28]。一是采集層，為滿足不同應(yīng)用場景，要綜合考慮面向多種物理量的一體化、智能化、小型化采集終端；二是終端側(cè)，考慮效率，裝置需要根據(jù)場景具有一定的邊緣計算能力，對于簡單重復(fù)類數(shù)據(jù)能夠利用智能算法和邊緣計算終端就地采集分析；三是云端，為實(shí)現(xiàn)驅(qū)動應(yīng)用，各類數(shù)據(jù)要在云端充分分析融合，從而實(shí)現(xiàn)其中各形式能源動態(tài)及用戶實(shí)時用能需求的即時感知。在此基礎(chǔ)上，本文提出基于ANSYS Twin Builder及Microsoft Azure IoT的多能互補(bǔ)微型能源網(wǎng)絡(luò)數(shù)字孿生實(shí)現(xiàn)方法。通過對濱海轄區(qū)OZ小微園區(qū)建立微型能源網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建數(shù)字孿生模型實(shí)時仿真，即時分析了解能源網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)分布。

圖6即為本文提出的基于Microsoft Azure IoT的多能互補(bǔ)微型能源網(wǎng)絡(luò)數(shù)字孿生的實(shí)現(xiàn)框架，孿生功能的實(shí)現(xiàn)分為三個階段：監(jiān)測數(shù)據(jù)流發(fā)送至云、多物理場仿真平臺上構(gòu)建數(shù)字孿生模型并以Paas層建模導(dǎo)出至IoT平臺、孿生模型與監(jiān)測數(shù)據(jù)通過IoT平臺集成最終實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生。

圖6 多能互補(bǔ)微型能源網(wǎng)絡(luò)數(shù)字孿生實(shí)現(xiàn)方法Fig.6 Digital twin implementation method of multi-energy complementary micro-energy network

階段1：在模擬平臺——Microsoft Azure IoT上上傳發(fā)監(jiān)測數(shù)據(jù)，把數(shù)據(jù)送達(dá)云。

面對監(jiān)測裝置的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議可能都不同的現(xiàn)狀，我們首先要通過網(wǎng)關(guān)或直連的方式將它轉(zhuǎn)化為MOTT等協(xié)議，然后再將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送到Azure的IoT Hub；紅外圖譜和各類文檔等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的文檔，則要通過SDK上傳至Azure的IoT Hub。最終，這些數(shù)據(jù)在Azure上進(jìn)一步部署，對數(shù)據(jù)的分析、融合、存儲、可視化等。至此，各類監(jiān)測數(shù)據(jù)以及非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)都在這個階段被傳送至云，為實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)微型能源網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字孿生提供數(shù)據(jù)源。

階段2：數(shù)字孿生模型構(gòu)建

這一階段，要在Twin Builder上構(gòu)建多物理場的數(shù)字孿生模型，這一模型能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時數(shù)據(jù)多物理場即時仿真的同時，文件導(dǎo)出以Azure為支撐的數(shù)字孿生建模語言。

圖7為基于Twin Builder多能互補(bǔ)微型能源網(wǎng)絡(luò)多物理場孿生模型的構(gòu)建過程。上圖中實(shí)時場的輸入是包括輻照強(qiáng)度、風(fēng)力風(fēng)速、溫濕度等在內(nèi)的表征環(huán)境特性的指標(biāo)參數(shù)，實(shí)時場用能需求特性的輸入為用能實(shí)體在冷、熱、電方面的終端需求，經(jīng)Modelia模型、能量場部分降階模型分析處理，最終以．twin文件的形式導(dǎo)出的孿生模型配合Twin Deloyer衍生的SDK部署到Azure平臺。

圖7 基于Twin Builder的多能互補(bǔ)微型能源網(wǎng)絡(luò)多物理場孿生模型Fig.7 Twin model of multi physical fields in multi-energy complementary micro energy network based on twin builder

階段3：孿生模型與監(jiān)測數(shù)據(jù)通過Azure集成，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生。

圖8 模型與數(shù)據(jù)在Azure的集成Fig.8 Integration of model and data in Azure

基于Azure前期部署，促成模型與數(shù)據(jù)的集成。利用數(shù)據(jù)對孿生模型的驅(qū)動作用，通過Azure實(shí)時調(diào)用和仿真結(jié)果顯示，實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生。

圖9 濱海轄區(qū)某小微園區(qū)微型能源網(wǎng)絡(luò)孿生模型應(yīng)用效果Fig.9 Application effect of twin model of micro energy network in a small and micro Park in Binhai area

4 結(jié)論

隨著雙碳目標(biāo)的逐步落地，多能互補(bǔ)協(xié)調(diào)利用、微電網(wǎng)日益壯大成為當(dāng)前能源行業(yè)發(fā)展的必然趨勢[29-30]。本文研究了數(shù)字孿生模型框架里的要素關(guān)系，就多能互補(bǔ)能源利用現(xiàn)狀展開分析，搭建了多能互補(bǔ)能源體系數(shù)字孿生模型框架，提出了基于ANSYS Twin Builder及Microsoft Azure IoT的多能互補(bǔ)微型能源網(wǎng)絡(luò)數(shù)字孿生實(shí)現(xiàn)方法，以此對濱海轄區(qū)某一小微園區(qū)現(xiàn)有微型能源網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建孿生模型，即時分析了解能源網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)分布，為園區(qū)內(nèi)各種能源形勢的動態(tài)調(diào)度提供輔助決策。希望本次研究，能為打造小區(qū)間的多能互補(bǔ)微型能源網(wǎng)絡(luò)，形成小微園區(qū)零碳、負(fù)碳生態(tài)樣板提供理論參考，從而以點(diǎn)帶線，以線帶面，助力構(gòu)建區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)，推動新型電力系統(tǒng)建設(shè)和雙碳目標(biāo)達(dá)成。