基于數(shù)字孿生技術(shù)的綜合能源系統(tǒng)仿真設(shè)計

摘 要：綜合能源系統(tǒng)的不確定性影響系統(tǒng)設(shè)計以及運行過程中的性能。數(shù)字孿生技術(shù)能夠提供優(yōu)秀的仿真運行能力，同時參考同類系統(tǒng)在整個生命周期中獲得的相關(guān)數(shù)據(jù)，使能源系統(tǒng)的性能評價更加高效和精確。基于此，本文設(shè)計了基于數(shù)字孿生技術(shù)的綜合能源系統(tǒng)數(shù)字仿真平臺，對復(fù)雜的電力系統(tǒng)做全生命周期管理。

關(guān)鍵詞：綜合能源系統(tǒng);數(shù)字孿生;仿真平臺

Abstract：The uncertainty of integrated energy system affects the performance of system design and operation.Digital twin technology is able to provide excellent simulation operation ability and make the performance evaluation of energy system more efficient and accurate by considering the relevant data obtained by similar systems in the whole life cycle.Based on this，an integrated energy system digital simulation platform based on digital twin technology is designed to manage the whole life cycle of complex power system.

Keywords：Integrated energy system;Digital twin technology;Simulation platform

國網(wǎng)能源研究院于2020年發(fā)布的《中國能源電力發(fā)展展望2020》中指出，我國近些年一次能源低碳化轉(zhuǎn)型明顯，計劃在2035年前后非化石能源（風(fēng)能、太陽能等）總規(guī)模超過煤炭[1]。我國力求在將來用電能來代替煤炭成為主要的終端用能品種，加速發(fā)展綜合能源服務(wù)、虛擬電廠等新元素新業(yè)態(tài)，同時要加強不同類型的能源基建，實現(xiàn)更大范圍的提質(zhì)增效[2]。綜合能源系統(tǒng)通過對電、氣、冷、熱等異質(zhì)能源子系統(tǒng)進行統(tǒng)籌規(guī)劃、協(xié)同調(diào)度，在滿足區(qū)域內(nèi)用戶對供電、供熱、供冷等多元化需求的同時，使接入的風(fēng)電、光伏等可再生能源能夠得到就地消納[3]，從而能夠有效提升用能效率，促進能源結(jié)構(gòu)合理化。

1 面向綜合能源系統(tǒng)的數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用

綜合能源系統(tǒng)的框架設(shè)計目標(biāo)是在一定的時間周期內(nèi)（響應(yīng)速度快），在滿足負(fù)荷需求的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)系統(tǒng)最優(yōu)系統(tǒng)配置與結(jié)構(gòu)的設(shè)計，是綜合能源技術(shù)能夠得到實際應(yīng)用的首要環(huán)節(jié)[4]。數(shù)字孿生由于其自身優(yōu)勢，給綜合能源系統(tǒng)框架設(shè)計的理論研究與實踐應(yīng)用帶來新的擴展，基于數(shù)字孿生的綜合能源系統(tǒng)框架設(shè)計如圖1所示。基于數(shù)字孿生的模塊化設(shè)計思想不僅體現(xiàn)為對綜合能源系統(tǒng)各能源模塊拓?fù)浜蛥?shù)的靈活配置，還體現(xiàn)在其對同態(tài)問題的模塊優(yōu)化能力上，這使得對于復(fù)雜系統(tǒng)而言基于數(shù)字孿生的設(shè)計更為易于實現(xiàn)。

數(shù)字孿生在整個綜合能源系統(tǒng)運維階段的應(yīng)用主要體現(xiàn)在設(shè)備層面和系統(tǒng)層面。在設(shè)備層，為實現(xiàn)對各主要設(shè)備的在線健康評估，設(shè)備級數(shù)字孿生框架的構(gòu)建會用到系統(tǒng)傳感器采集的各類運行數(shù)據(jù)以及設(shè)備歷史操作數(shù)據(jù)等。在系統(tǒng)層，各主要設(shè)備的風(fēng)險特征信息可以集成到系統(tǒng)級數(shù)字孿生中，利用相同類型設(shè)備的故障特征、歷史運維等數(shù)據(jù)借助于數(shù)據(jù)遷移等技術(shù)手段共同完成對系統(tǒng)風(fēng)險等級的描述，為更加精確的系統(tǒng)預(yù)警、監(jiān)測和維護提供理論數(shù)據(jù)支撐。

此外，利用數(shù)字孿生技術(shù)對真實系統(tǒng)實時狀態(tài)行為特征的描述能力，即全景鏡像，可以在數(shù)字空間中呈現(xiàn)各種能源的復(fù)雜因素，從而將更完整的數(shù)據(jù)特征納入優(yōu)化調(diào)度中，充分評估修正控制策略和控制效果，實現(xiàn)對綜合能源系統(tǒng)中各設(shè)備的協(xié)調(diào)閉環(huán)控制，實現(xiàn)對各種能源模式的精細(xì)調(diào)度與管控，有效提高優(yōu)化策略的應(yīng)用價值。

2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

綜合能源系統(tǒng)在“產(chǎn)—配—儲—用”過程中，考慮到多種能源形式之間的深度耦合，故其運行特征有別于傳統(tǒng)的獨立能源系統(tǒng)，具體體現(xiàn)在多物理系統(tǒng)的耦合、多時間尺度動態(tài)特性的關(guān)聯(lián)、強非線性和狀態(tài)的不確定性等混雜特征[5]。數(shù)字孿生技術(shù)是基于傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、控制理論、系統(tǒng)仿真等多技術(shù)領(lǐng)域成果的跨學(xué)科系統(tǒng)性工程。其主要特點在于，基于機理和數(shù)據(jù)的多元化建模方法，在數(shù)字空間中，將綜合能源系統(tǒng)呈現(xiàn)動態(tài)的全景鏡像，運用數(shù)據(jù)融合計算模擬出在不同工況下系統(tǒng)的動態(tài)運行狀態(tài)和系統(tǒng)輸出，技術(shù)框架如圖2。

構(gòu)建綜合能源系統(tǒng)數(shù)字孿生平臺的關(guān)鍵是對不同數(shù)據(jù)源在統(tǒng)一尺度上的融合利用。首先，由于綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，機理的不明確、狀態(tài)的不透明，故而較難構(gòu)造精確的動力學(xué)模型（數(shù)學(xué)模型），因此采用數(shù)據(jù)驅(qū)動的方式可以更有效地呈現(xiàn)整個系統(tǒng)的運行特性;其次，物理系統(tǒng)的狀態(tài)和特征在本質(zhì)上可以通過多維數(shù)據(jù)來反映，通過對狀態(tài)數(shù)據(jù)的迭代，能夠不斷在線優(yōu)化數(shù)字孿生模型及系統(tǒng)參數(shù)，提高整個系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。此外，基于全覆蓋的傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)/物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，綜合能源系統(tǒng)數(shù)字孿生能夠精確控制底層的能源裝置;借助于云端協(xié)同計算能夠?qū)崿F(xiàn)不同層次數(shù)據(jù)的實時匯集和綜合利用;通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VR技術(shù)），將綜合能源系統(tǒng)的外在形態(tài)與內(nèi)在狀態(tài)有機統(tǒng)一呈現(xiàn)，為人機交互應(yīng)用創(chuàng)造更加便捷的分析與應(yīng)用條件。

3 數(shù)字孿生平臺設(shè)計

綜合能源系統(tǒng)是指輸入為多種能源，用智能化技術(shù)分析解決目標(biāo)需求，尋找最優(yōu)方案解決能量合理、平衡輸出的能源系統(tǒng)。結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)的技術(shù)優(yōu)勢和綜合能源系統(tǒng)的應(yīng)用需求，本文擬提出基于數(shù)字孿生技術(shù)的綜合能源系統(tǒng)在不同場景下的應(yīng)用。

3.1 數(shù)字孿生技術(shù)在綜合能源系統(tǒng)建模仿真中的應(yīng)用

綜合能源系統(tǒng)模型主要包括基于知識驅(qū)動的微分代數(shù)模型和基于傳感網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)狀態(tài)的大數(shù)據(jù)驅(qū)動模型[6]。考慮到綜合能源系統(tǒng)有著不同地域位置、不同能源形式、不同上層業(yè)務(wù)等特征，綜合能源系統(tǒng)模型需要兼容各類仿真算法，以及滿足上層系統(tǒng)對仿真速率的不同要求。知識驅(qū)動綜合能源系統(tǒng)模型一般采用多時間尺度建模技術(shù)，而數(shù)據(jù)驅(qū)動模型常采用基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的模型校正及參數(shù)優(yōu)化方法。

從技術(shù)角度而言，傳統(tǒng)建模仿真是數(shù)字孿生的基礎(chǔ)，而數(shù)字孿生基于量測傳感，具有實時數(shù)據(jù)建模的能力，能夠從更高維度實現(xiàn)包含內(nèi)外部噪聲、隨機擾動、多場景事件鏈等信息的建模仿真，從而提供更精確的應(yīng)用場景，具體應(yīng)用如下。

（1）在數(shù)字孿生框架下，可通過連接類似于加拿大系統(tǒng)實時仿真平臺RTLAB的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的電力系統(tǒng)實時數(shù)字仿真平臺，通過采集綜合能源系統(tǒng)的實時電磁暫態(tài)數(shù)據(jù)，構(gòu)建面向大規(guī)模電力系統(tǒng)的實時電磁暫態(tài)仿真器。

（2）綜合能源系統(tǒng)通常含有風(fēng)力發(fā)電機、太陽能板等受環(huán)境影響較大的隨機性電源，為了在線準(zhǔn)確評估此類新能源發(fā)電系統(tǒng)能否滿足綜合能源系統(tǒng)的需求，蒙特卡洛抽樣常被用來生成運行斷面，基于海量斷面數(shù)據(jù)利用上述實時仿真器進行并發(fā)實時仿真，從而獲取相關(guān)性能指標(biāo)。

（3）在實際物理系統(tǒng)運行過程中，各類控制調(diào)度策略可能會因為內(nèi)外部噪聲、隨機波動等導(dǎo)致截然不同的動態(tài)輸出響應(yīng)，從而導(dǎo)致綜合能源系統(tǒng)走向各類不可預(yù)測的運行狀態(tài)和輸出結(jié)果。數(shù)字孿生技術(shù)能夠根據(jù)當(dāng)前時刻的運行狀態(tài)和控制策略，實時自動分叉出不同的應(yīng)用場景。

基于數(shù)字孿生技術(shù)的綜合能源系統(tǒng)建模仿真平臺構(gòu)架如圖3所示。

3.2 數(shù)字孿生技術(shù)在區(qū)域多能源系統(tǒng)運行優(yōu)化中的應(yīng)用

綜合能源系統(tǒng)運行過程中，利用其多能源、多負(fù)荷和多儲能的特性，靈活調(diào)度、消納各類可再生新能源，設(shè)計面向綜合能源系統(tǒng)的耦合轉(zhuǎn)化與梯級優(yōu)化利用控制算法。此外，根據(jù)監(jiān)控層提供的風(fēng)險點、故障點等實時信息和數(shù)據(jù)，結(jié)合對歷史數(shù)據(jù)的評估，提出多種預(yù)測控制或優(yōu)化策略。基于并行實時仿真平臺對上述控制策略進行校驗并做出規(guī)避風(fēng)險的實時決策，按照選取的優(yōu)化方案更新監(jiān)控層基礎(chǔ)控制參數(shù)。基于數(shù)字孿生的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運行構(gòu)架如圖4所示。

結(jié)語

對于綜合能源系統(tǒng)的數(shù)字孿生架構(gòu)設(shè)計，首先需要構(gòu)建有效建模與仿真。顯然綜合能源系統(tǒng)數(shù)字孿生的實時鏡像、前瞻運行模擬、動態(tài)特性跟隨等能力，已經(jīng)在規(guī)劃設(shè)計、運行優(yōu)化、預(yù)測維護、多領(lǐng)域協(xié)調(diào)互動等方面顯現(xiàn)出非凡潛力與廣闊應(yīng)用價值。數(shù)字孿生技術(shù)的實時感知能力結(jié)合計算機視覺技術(shù)可實現(xiàn)電網(wǎng)智能無人巡檢，其在工作人員難以到達(dá)的場景有著很好的應(yīng)用價值;實時決策推演能力可實現(xiàn)復(fù)雜電力設(shè)備的全生命周期管理，從而提高電力工程的安全性和可靠性。但是，數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用仍處于持續(xù)發(fā)展和不斷演化階段，各類應(yīng)用場景尚未成熟，阻礙數(shù)字孿生技術(shù)落地的因素還有很多，例如智能感知技術(shù)、數(shù)字中臺技術(shù)等重點關(guān)鍵技術(shù)在未來仍有待突破。

參考文獻：

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[6]Boschert S，Rosen R.Mechatronic futures：Digital twin——The simulation aspect.Switzerland：Springer International Publishing，2016.

作者簡介：鄧嘯巍（1983— ），男，碩士，畢業(yè)于江蘇大學(xué)電氣工程專業(yè)，研究方向：電氣信息技術(shù)。