數(shù)字孿生技術(shù)在特高壓直流輸電系統(tǒng)能效管理的潛在方法與挑戰(zhàn)綜述

陳 驍 孫劍橋 郭 鵬 張海校 周 毅 傅月江

(國網(wǎng)浙江省電力有限公司)

0 引言

特高壓直流輸電技術(shù)在全球經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長和能源需求迅速擴(kuò)張的背景下, 發(fā)揮著越來越重要的作用。特高壓直流輸電系統(tǒng)具有輸電距離遠(yuǎn)、傳輸容量大、損耗低等優(yōu)點(diǎn), 成為連接遠(yuǎn)離負(fù)荷中心的清潔能源基地和實(shí)現(xiàn)區(qū)域電力互聯(lián)互通的關(guān)鍵技術(shù)。在特高壓直流輸電系統(tǒng)中, 能效管理對于降低運(yùn)行成本、減少能源損耗和提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性具有重要意義。通過有效的能效管理, 可以實(shí)現(xiàn)對輸電系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和優(yōu)化, 進(jìn)而提高電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。

數(shù)字孿生技術(shù)是一種基于物理系統(tǒng)的數(shù)字模型,可用于實(shí)時(shí)監(jiān)測、預(yù)測和優(yōu)化系統(tǒng)性能。通過收集實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行的數(shù)據(jù)構(gòu)建一個(gè)準(zhǔn)確、動(dòng)態(tài)的數(shù)字模型,從而為系統(tǒng)的分析、優(yōu)化和決策提供依據(jù)。近年來,數(shù)字孿生技術(shù)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)制造、能源管理、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域, 顯示出巨大的潛力和價(jià)值[1]。

本文旨在綜述數(shù)字孿生技術(shù)在特高壓直流輸電系統(tǒng)能效管理中的潛在方法與挑戰(zhàn), 通過闡述數(shù)字孿生技術(shù)在能效管理方面的應(yīng)用原理和優(yōu)勢, 為進(jìn)一步研究提供理論基礎(chǔ)。此外, 本文還將探討在實(shí)際應(yīng)用過程中面臨的挑戰(zhàn), 以期為行業(yè)實(shí)踐提供參考意見, 推動(dòng)特高壓直流輸電系統(tǒng)能效管理的技術(shù)創(chuàng)新和實(shí)踐探索。

1 數(shù)字孿生技術(shù)在特高壓直流輸電系統(tǒng)能效管理的潛在方法

1.1 數(shù)字孿生模型構(gòu)建

數(shù)字孿生模型是基于實(shí)際特高壓直流輸電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)創(chuàng)建的虛擬模型。通過收集和整合各種數(shù)據(jù)來源, 如傳感器、監(jiān)測設(shè)備和運(yùn)行歷史記錄等, 數(shù)字孿生模型能夠?qū)崟r(shí)地反映系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)和動(dòng)態(tài)變化。在構(gòu)建數(shù)字孿生模型過程中, 關(guān)鍵步驟包括: 數(shù)據(jù)采集與處理、模型建立與校準(zhǔn)、模型更新與優(yōu)化等。通過對模型進(jìn)行不斷優(yōu)化, 可以確保其準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性, 從而為特高壓直流輸電系統(tǒng)的能效管理提供有效支持。

1.2 能效評(píng)價(jià)指標(biāo)與方法

在特高壓直流輸電系統(tǒng)能效管理中, 建立合理的能效評(píng)價(jià)指標(biāo)體系是關(guān)鍵。這些指標(biāo)應(yīng)涵蓋系統(tǒng)的主要性能參數(shù), 如輸電損耗、設(shè)備效率、可靠性等。此外, 為了全面評(píng)估系統(tǒng)能效, 還應(yīng)考慮環(huán)境因素、運(yùn)行成本、碳排放等指標(biāo)。通過對這些指標(biāo)進(jìn)行綜合分析, 可以為特高壓直流輸電系統(tǒng)的能效優(yōu)化提供依據(jù)。

基于數(shù)字孿生模型的能效評(píng)價(jià)方法可以實(shí)現(xiàn)對特高壓直流輸電系統(tǒng)性能的實(shí)時(shí)監(jiān)測。利用模型提供的數(shù)據(jù), 可以計(jì)算出各項(xiàng)能效指標(biāo)的實(shí)時(shí)值, 從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中可能存在的問題和不足。此外, 通過對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析, 可以挖掘出系統(tǒng)能效的改進(jìn)潛力,并為優(yōu)化措施的制定提供參考。

1.3 基于數(shù)字孿生的能效監(jiān)測與優(yōu)化

基于數(shù)字孿生技術(shù)的能效監(jiān)測與優(yōu)化方法, 可以實(shí)現(xiàn)對特高壓直流輸電系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和動(dòng)態(tài)調(diào)整。利用數(shù)字孿生模型, 能夠?qū)崟r(shí)地獲取系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù), 從而實(shí)現(xiàn)對能效指標(biāo)的在線監(jiān)測。此外, 通過對模型數(shù)據(jù)進(jìn)行分析, 可以識(shí)別出系統(tǒng)中可能存在的能效問題, 并提出相應(yīng)的優(yōu)化建議[2]。

在特高壓直流輸電系統(tǒng)能效優(yōu)化方面, 數(shù)字孿生技術(shù)可應(yīng)用于以下幾個(gè)方面:

輸電線路參數(shù)優(yōu)化: 通過對數(shù)字孿生模型數(shù)據(jù)的分析, 可以實(shí)現(xiàn)輸電線路參數(shù)的優(yōu)化, 如調(diào)整線路電阻、電抗等, 從而降低輸電損耗、提高能效。

設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與維護(hù): 基于數(shù)字孿生技術(shù)的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測方法, 可以實(shí)時(shí)掌握設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和健康程度。通過對設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行分析, 可以預(yù)測設(shè)備的故障風(fēng)險(xiǎn),并制定合適的維護(hù)策略, 以確保設(shè)備的高效穩(wěn)定運(yùn)行。

調(diào)度策略優(yōu)化: 基于數(shù)字孿生模型的調(diào)度策略優(yōu)化方法, 可以實(shí)現(xiàn)對特高壓直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的動(dòng)態(tài)調(diào)整。根據(jù)系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行情況和能效指標(biāo), 可以制定合理的調(diào)度策略, 以降低能耗、提高系統(tǒng)效率。

能源損耗預(yù)測與控制: 通過對數(shù)字孿生模型數(shù)據(jù)的分析, 可以預(yù)測特高壓直流輸電系統(tǒng)的能源損耗情況, 并制定相應(yīng)的控制策略。例如, 可以根據(jù)負(fù)荷預(yù)測和設(shè)備狀態(tài)信息, 調(diào)整輸電功率、電壓等參數(shù), 以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能效的最優(yōu)控制。

1.4 基于數(shù)字孿生的可靠性與風(fēng)險(xiǎn)分析

數(shù)字孿生技術(shù)在特高壓直流輸電系統(tǒng)能效管理中, 還可以應(yīng)用于可靠性與風(fēng)險(xiǎn)分析。通過對數(shù)字孿生模型數(shù)據(jù)的分析, 可以評(píng)估系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性, 識(shí)別潛在的風(fēng)險(xiǎn)因素, 并制定相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)控制措施。例如, 可以利用數(shù)字孿生模型預(yù)測設(shè)備故障的概率, 從而優(yōu)化設(shè)備的維護(hù)策略, 提高系統(tǒng)的整體可靠性。此外, 基于數(shù)字孿生技術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)分析方法, 還可以實(shí)現(xiàn)對特高壓直流輸電系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性評(píng)估, 為運(yùn)行和維護(hù)決策提供有力支持。

2 數(shù)字孿生技術(shù)在特高壓直流輸電系統(tǒng)能效管理中面臨的挑戰(zhàn)

特高壓直流輸電系統(tǒng)數(shù)字孿生技術(shù)面臨諸多挑戰(zhàn), 包括數(shù)據(jù)質(zhì)量與完整性、模型建立與校準(zhǔn)、模型更新與優(yōu)化等方面。為了實(shí)現(xiàn)技術(shù)的高效應(yīng)用和普及, 還需要解決能效評(píng)價(jià)與優(yōu)化方法、安全性與隱私保護(hù)以及技術(shù)推廣與應(yīng)用等問題。

數(shù)據(jù)質(zhì)量與完整性: 數(shù)字孿生模型的準(zhǔn)確性和有效性依賴于數(shù)據(jù)質(zhì)量和完整性。特高壓直流輸電系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)來源多樣, 可能因設(shè)備故障、通信故障等原因?qū)е聰?shù)據(jù)丟失或損壞。因此, 確保數(shù)據(jù)質(zhì)量和完整性以提高模型的準(zhǔn)確性和可靠性是關(guān)鍵。

模型建立與校準(zhǔn): 構(gòu)建數(shù)字孿生模型需充分考慮特高壓直流輸電系統(tǒng)的特點(diǎn)和運(yùn)行規(guī)律。由于系統(tǒng)復(fù)雜性和不確定性, 可能存在建模誤差。因此, 準(zhǔn)確建立和校準(zhǔn)數(shù)字孿生模型以反映系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)是重要挑戰(zhàn)。

模型更新與優(yōu)化: 隨系統(tǒng)運(yùn)行和發(fā)展, 結(jié)構(gòu)和參數(shù)可能變化, 需及時(shí)更新和優(yōu)化模型。但由于系統(tǒng)復(fù)雜性和動(dòng)態(tài)性, 模型更新與優(yōu)化面臨困難。實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生模型的高效更新與優(yōu)化是亟待解決的挑戰(zhàn)。

能效評(píng)價(jià)與優(yōu)化方法: 制定合理能效評(píng)價(jià)體系和優(yōu)化策略是關(guān)鍵。評(píng)價(jià)過程需考慮多種因素如環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、可靠性等, 增加復(fù)雜性。特高壓直流輸電系統(tǒng)的不確定性和多變性可能影響評(píng)價(jià)和優(yōu)化結(jié)果, 因此制定合理能效評(píng)價(jià)指標(biāo)和優(yōu)化方法是重要挑戰(zhàn)。

安全性與隱私保護(hù): 應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)需確保系統(tǒng)安全性和數(shù)據(jù)隱私。敏感信息如設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)、運(yùn)行參數(shù)等可能被利用, 威脅系統(tǒng)安全。隨物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)發(fā)展, 數(shù)據(jù)安全和隱私保護(hù)問題日益突出。

技術(shù)推廣與應(yīng)用: 數(shù)字孿生技術(shù)在特高壓直流輸電系統(tǒng)能效管理中具有潛力, 但實(shí)際應(yīng)用仍面臨困難。技術(shù)推廣和應(yīng)用需要投入人力、物力和財(cái)力, 可能對部分發(fā)展中國家和地區(qū)是負(fù)擔(dān)。提高相關(guān)人員的技術(shù)水平和應(yīng)用能力也是挑戰(zhàn)。

3 發(fā)展方向

面對數(shù)字孿生技術(shù)在特高壓直流輸電系統(tǒng)能效管理中的挑戰(zhàn), 有必要探討應(yīng)對措施和未來發(fā)展方向,以充分發(fā)揮數(shù)字孿生技術(shù)的優(yōu)勢。

提高數(shù)據(jù)質(zhì)量與完整性: 要解決數(shù)據(jù)質(zhì)量與完整性問題, 首先需要完善數(shù)據(jù)采集設(shè)備和通信設(shè)備, 確保數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸。其次, 可以采用數(shù)據(jù)清洗和預(yù)處理技術(shù), 消除異常值和噪聲, 從而提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。最后, 通過數(shù)據(jù)融合和補(bǔ)充技術(shù), 如機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)方法, 填補(bǔ)數(shù)據(jù)的缺失和不確定性, 進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)質(zhì)量[3]。

精確建立與校準(zhǔn)模型: 針對模型建立與校準(zhǔn)的問題, 需要充分挖掘特高壓直流輸電系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)律和特點(diǎn), 制定合理的建模策略。利用先進(jìn)的數(shù)學(xué)和計(jì)算方法, 如有限元分析、機(jī)器學(xué)習(xí)和優(yōu)化算法, 可以提高模型的準(zhǔn)確性和適應(yīng)性。另外, 定期對數(shù)字孿生模型進(jìn)行校準(zhǔn)和驗(yàn)證, 確保其準(zhǔn)確反映系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。

高效更新與優(yōu)化模型: 實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生模型的高效更新與優(yōu)化, 首要任務(wù)是建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和傳輸機(jī)制,確保模型及時(shí)獲取系統(tǒng)的最新狀態(tài); 采用自適應(yīng)和在線學(xué)習(xí)方法, 實(shí)現(xiàn)模型的動(dòng)態(tài)調(diào)整和優(yōu)化; 引入多目標(biāo)優(yōu)化算法和決策支持系統(tǒng), 提高模型的實(shí)時(shí)性和可靠性。

制定合理的能效評(píng)價(jià)與優(yōu)化方法: 需要建立一個(gè)多維度的能效評(píng)價(jià)指標(biāo)體系, 充分考慮環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、可靠性等因素[4]。同時(shí), 引入數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和智能優(yōu)化算法, 如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等, 以提高能效評(píng)價(jià)和優(yōu)化的精度和效率。根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況, 還需制定具有針對性的能效優(yōu)化策略。

加強(qiáng)安全性與隱私保護(hù): 為確保系統(tǒng)安全性和數(shù)據(jù)隱私, 要加強(qiáng)對數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)的加密和訪問控制, 防止敏感信息泄露或被惡意攻擊; 采用安全通信協(xié)議和防護(hù)技術(shù), 如SSL/TLS、VPN 等, 確保數(shù)據(jù)在傳輸過程中的安全性; 定期進(jìn)行系統(tǒng)安全審計(jì)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估, 及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的安全威脅, 并采取相應(yīng)的預(yù)防和應(yīng)對措施。

推廣技術(shù)與提升應(yīng)用能力: 需要加強(qiáng)數(shù)字孿生技術(shù)在特高壓直流輸電系統(tǒng)能效管理領(lǐng)域的宣傳和推廣, 提高相關(guān)行業(yè)和企業(yè)的認(rèn)識(shí)和接受度; 加大對數(shù)字孿生技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用的投入, 推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新和成果轉(zhuǎn)化; 培訓(xùn)和引導(dǎo)相關(guān)人員提高數(shù)字孿生技術(shù)的理論水平和實(shí)際操作能力, 以保障技術(shù)的順利推廣和應(yīng)用。

4 結(jié)束語

本文綜述了數(shù)字孿生技術(shù)在特高壓直流輸電系統(tǒng)能效管理中的應(yīng)用現(xiàn)狀、潛在方法及面臨的挑戰(zhàn)。通過對現(xiàn)有研究和實(shí)踐的分析, 我們發(fā)現(xiàn)數(shù)字孿生技術(shù)具有實(shí)時(shí)監(jiān)測、預(yù)測和優(yōu)化特高壓直流輸電系統(tǒng)能效的巨大潛力。數(shù)字孿生模型可以為特高壓直流輸電系統(tǒng)提供全面、準(zhǔn)確的運(yùn)行狀態(tài)信息, 有助于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能效的可持續(xù)提升。

未來, 隨著數(shù)字孿生技術(shù)的不斷發(fā)展和完善, 有望為特高壓直流輸電系統(tǒng)能效管理帶來更多的機(jī)遇和突破。為實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生技術(shù)在特高壓直流輸電系統(tǒng)能效管理領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用, 相關(guān)研究和實(shí)踐應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)對技術(shù)挑戰(zhàn)的研究, 以確保技術(shù)的有效性和可靠性。同時(shí), 加大對數(shù)字孿生技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用的投入,推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新和成果轉(zhuǎn)化, 培訓(xùn)和引導(dǎo)相關(guān)人員提高技術(shù)水平和實(shí)際操作能力, 將有助于推動(dòng)特高壓直流輸電系統(tǒng)能效管理的技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)升級(jí)。