本文得到國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體科學(xué)基金資助。
作者：沈沉1,2，賈孟碩1，陳穎1,2，黃少偉1,2，向月2
單位：1. 清華大學(xué)電機工程與應(yīng)用電子技術(shù)系；2. 清華四川能源互聯(lián)網(wǎng)研究院云仿真與智能決策研究中心
文章導(dǎo)讀
能源互聯(lián)網(wǎng)是促進可再生能源消納、提高能源使用效率的重要途徑，但因構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)多，特性差異大，能源互聯(lián)網(wǎng)的規(guī)劃、運行和控制面臨大量難題。數(shù)字孿生是融合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、通信技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)和高性能計算技術(shù)的先進仿真分析技術(shù)，有助于解決當(dāng)前能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展面臨的技術(shù)問題。本文首先給出了能源互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字孿生的構(gòu)建方式與可能應(yīng)用；然后以能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃為例，詳述了數(shù)字孿生技術(shù)解決的關(guān)鍵問題；最后，介紹了基于數(shù)字孿生的能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃平臺— CloudIEPS，通過能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃案例進一步證明了數(shù)字孿生技術(shù)的重要作用。
文章亮點
1、介紹了數(shù)字孿生的基本概念，闡述了作者對數(shù)字孿生的理解以及數(shù)字孿生與盧強院士所提“數(shù)字電力系統(tǒng)”之間的關(guān)系。
2、定義了能源互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字孿生，指出了能源互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字孿生的構(gòu)建方式主要包括物理系統(tǒng)的量測感知、數(shù)字空間建模、仿真分析決策以及云計算環(huán)境，闡述了能源互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字孿生在能源互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控及優(yōu)化運行方面的可能應(yīng)用。
3、以能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃為例，詳述了數(shù)字孿生技術(shù)解決的關(guān)鍵問題，包括多時間尺度非線性系統(tǒng)建模、復(fù)雜隨機動態(tài)模擬等。進一步介紹了基于數(shù)字孿生的能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃平臺—CloudIEPS，以證明數(shù)字孿生技術(shù)的重要作用。
主要內(nèi)容
數(shù)字孿生
美國密歇根大學(xué)的邁克爾?格里夫斯教授于2002 年提出了數(shù)字孿生(digital twin)一詞。近些年，數(shù)字孿生已連續(xù)多次(2017、2018和 2019)被高德納列入“十大戰(zhàn)略技術(shù)趨勢”。當(dāng)前有關(guān)數(shù)字孿生的研究層出不窮，涉及領(lǐng)域也由最初的航天領(lǐng)域逐步向制造業(yè)、航海、汽車、石油等領(lǐng)域擴展。
數(shù)字孿生同樣可以應(yīng)用于能源系統(tǒng)。盧強院士早在2000年就提出了數(shù)字電力系統(tǒng)的概念，其實質(zhì)便是構(gòu)建電力系統(tǒng)的數(shù)字孿生。
能源互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字孿生的定義
結(jié)合數(shù)字孿生的定義和能源互聯(lián)網(wǎng)的特點，可定義能源互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字孿生是充分利用能源互聯(lián)網(wǎng)的物理模型、在線量測數(shù)據(jù)、歷史運行數(shù)據(jù)，并集成電氣、流體、熱力、計算機、通信、氣候、經(jīng)濟等多學(xué)科知識進行的多物理量、多時空尺度、多概率的仿真過程，通過在虛擬空間中完成對能源互聯(lián)網(wǎng)的映射，反映能源互聯(lián)網(wǎng)的全生命周期過程。需要強調(diào)的是：1）雙向數(shù)據(jù)交互是數(shù)字孿生的關(guān)鍵特征，但對于變化緩慢的物理對象，并不需要高頻的實時交互，只要數(shù)字空間中的模型反映了能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)當(dāng)前的拓撲和參數(shù)即可；2）不應(yīng)將能源互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字孿生狹義地理解為在線建模仿真并僅為實時控制服務(wù)。數(shù)字孿生影響的可以是物理對象生命周期中任意時間尺度的行為或者發(fā)展軌跡。例如，利用數(shù)字孿生技術(shù)進行能源互聯(lián)網(wǎng)的規(guī)劃，規(guī)劃結(jié)果的實施其實改變了能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展軌跡。
能源互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字孿生的構(gòu)建和可能應(yīng)用
能源互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字孿生構(gòu)建的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)包括：物理系統(tǒng)的量測感知、數(shù)字空間建模、仿真分析決策以及云計算環(huán)境。
1）量測感知是對能源互聯(lián)網(wǎng)物理實體進行分析控制的前提。為此，需要在物理系統(tǒng)中布置眾多傳感器，并且還需解決與數(shù)據(jù)量測、傳輸、處理、存儲、搜索相關(guān)的一系列技術(shù)問題。
2）在數(shù)字空間中如何對能源互聯(lián)網(wǎng)進行建模取決于應(yīng)用的需求?？梢酝ㄟ^不同類型的數(shù)學(xué)模型反映物理實體不同時間尺度和空間尺度的特征，只要這些特征和物理實體當(dāng)前狀態(tài)是同步的即可。
3）仿真分析決策環(huán)節(jié)首先對數(shù)字空間的能源互聯(lián)網(wǎng)進行優(yōu)化計算，然后通過仿真驗證決策的合理性和有效性，再對數(shù)字能源互聯(lián)網(wǎng)進行復(fù)雜不確定場景的沙盤推演，最終得到合理決策指令并下發(fā)至物理系統(tǒng)。
4）云計算環(huán)境是連接物理系統(tǒng)和數(shù)字空間的橋梁，可以利用已經(jīng)掌握的能源互聯(lián)網(wǎng)物理規(guī)律和傳感器量測數(shù)據(jù)，再借助大數(shù)據(jù)分析和高性能仿真技術(shù)，實現(xiàn)對能源互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字建模和仿真模擬，計算結(jié)果可實時反饋至物理系統(tǒng)，傳感器數(shù)據(jù)同樣可實時傳遞給數(shù)字鏡像以實現(xiàn)同步。
數(shù)字孿生有可能在能源互聯(lián)網(wǎng)的規(guī)劃、運行和監(jiān)控等方面發(fā)揮重要作用。例如，數(shù)字孿生可以提升能源互聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)控水平，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運行的異常環(huán)節(jié)，有助于實現(xiàn)基于能源互聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)的精準(zhǔn)運維和優(yōu)化運行。
基于數(shù)字孿生的能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃
在能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃中，由于系統(tǒng)還未建成運行，數(shù)字孿生參與其中的主要作用是對規(guī)劃系統(tǒng)建模仿真，并將結(jié)果反饋給規(guī)劃主體以指導(dǎo)規(guī)劃決策。數(shù)字孿生可以檢驗運行方案的可行性，計算運行成本、資源短缺量、碳排放量等指標(biāo)評估運行方案的效果，并提供系統(tǒng)工作點詳細信息。利用攝動參數(shù)后的多次仿真，能夠幫助運行優(yōu)化尋找搜索方向?；跀?shù)字孿生仿真驅(qū)動的優(yōu)化算法如下圖所示：
? 圖1 基于數(shù)字孿生仿真驅(qū)動的優(yōu)化算法流程圖
此外，數(shù)字孿生可以準(zhǔn)確地考慮能源互聯(lián)網(wǎng)中網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備的模型，包括各種含有非線性、離散量和多時間尺度動態(tài)的模型。同時，數(shù)字孿生有助于處理能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃中存在的多源不確定性，如可再生能源發(fā)電、電動汽車充電功率等。借助不確定性建模、場景生成等技術(shù)，數(shù)字孿生可以對不同規(guī)劃方案進行復(fù)雜隨機場景的仿真模擬，從中選取最優(yōu)方案。
基于CloudIEPS的能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃示例
CloudIEPS(Cloud-based Integrated Energy Planning Studio)是一款基于數(shù)字孿生技術(shù)的綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃云平臺。用戶可根據(jù)需求靈活地調(diào)整系統(tǒng)能量的梯級利用形式，從而實現(xiàn)綜合能源系統(tǒng)的可視化建模、智能化設(shè)備配置、全生命周期運行優(yōu)化和綜合效益評價，輔助用戶實現(xiàn)綜合能源系統(tǒng)方案的規(guī)劃設(shè)計。
CloudIEPS包含四大模塊，分別是數(shù)據(jù)管理模塊、 拓撲編輯模塊、集成優(yōu)化模塊和方案評估模塊，通過流程化設(shè)計引導(dǎo)用戶快捷操作，各模塊相互配合協(xié)作，共同完成綜合能源系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計。
? 圖2 CloudIEPS的功能模塊
在CloudIEPS上建立起規(guī)劃案例系統(tǒng)，首先需要進行數(shù)據(jù)映射，即將系統(tǒng)運行所涉及的負荷、氣象、設(shè)備及能源等相關(guān)信息錄入至CloudIEPS的數(shù)據(jù)管理模塊當(dāng)中。然后需要進行拓撲映射，根據(jù)能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在CloudIEPS拓撲編輯模塊中選擇和連接對應(yīng)元件，搭建該案例的拓撲結(jié)構(gòu)，形成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的虛擬鏡像。例如，圖3給出了南方某樓宇型園區(qū)能源互聯(lián)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，圖4是其拓撲映射。
? 圖3 南方某樓宇型園區(qū)能源互聯(lián)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
? 圖4 CloudIEPS中的系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)圖
在建立起CloudIEPS數(shù)字孿生模型后，即可調(diào)用集成優(yōu)化模塊中的優(yōu)化算法內(nèi)核來實現(xiàn)案例系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計。具體結(jié)果見表1。
從表1可以看出，系統(tǒng)原始配置方案下的運行收益和優(yōu)化配置方案的收益發(fā)生了如下變化：1）優(yōu)化方案的一次性投資費用較原始方案減少323.14萬元，每年的運行成本增加21.7萬元；2）原始方案的平均缺熱率為11.5%，平均缺冷率為12.4%，優(yōu)化方案的平均過熱率僅為1.9%，平均缺冷率為10.4%。從上面兩點綜合評價可以看出優(yōu)化方案要優(yōu)于原始方案。
? 表1 規(guī)劃方案優(yōu)化前后系統(tǒng)運行情況對比
研究團隊
本文作者為清華大學(xué)電機工程與應(yīng)用電子技術(shù)系“現(xiàn)代電力能源系統(tǒng)安全控制與高效利用”研究團隊主要成員，該團隊前身為盧強院士成立的“數(shù)字電力系統(tǒng)”課題組，長期從事電力系統(tǒng)建模仿真、安全分析與經(jīng)濟運行方面的研究工作。團隊在清華四川能源互聯(lián)網(wǎng)研究院成立了“云仿真與智能決策”研究中心，重點研究如何將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于包括電力系統(tǒng)在內(nèi)的能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃運行與安全控制。團隊采用云計算技術(shù)開發(fā)了能源互聯(lián)網(wǎng)建模仿真系列平臺，包括大規(guī)模交直流混聯(lián)電力系統(tǒng)全電磁暫態(tài)仿真平臺——CloudPSS(Cloud-based Power System Simulator)，配電網(wǎng)全電磁暫態(tài)仿真平臺——CloudDSS(Cloud-based Distribution System Simulator),綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃工作室——CloudIEPS(Cloud-based Integrated Energy-system Planning Studio), 綜合能源運維和調(diào)度平臺——CloudEMS(Cloud-based Energy Management System)。其中，CloudPSS已經(jīng)上線四年，在國內(nèi)外擁有超過4000注冊用戶。2019年10月11日，在電機工程學(xué)會組織的成果鑒定會上，以周孝信院士為組長的與會專家對CloudPSS給出了“國際首創(chuàng)，總體技術(shù)國際領(lǐng)先”的高度評價。任何電力系統(tǒng)的科研人員均可登錄www.cloudpss.net網(wǎng)址注冊免費使用該平臺。
