基于數字孿生技術的綜合能源系統仿真設計

摘 要：綜合能源系統的不確定性影響系統設計以及運行過程中的性能。數字孿生技術能夠提供優秀的仿真運行能力，同時參考同類系統在整個生命周期中獲得的相關數據，使能源系統的性能評價更加高效和精確。基于此，本文設計了基于數字孿生技術的綜合能源系統數字仿真平臺，對復雜的電力系統做全生命周期管理。

關鍵詞：綜合能源系統;數字孿生;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

國網能源研究院于2020年發布的《中國能源電力發展展望2020》中指出，我國近些年一次能源低碳化轉型明顯，計劃在2035年前后非化石能源（風能、太陽能等）總規模超過煤炭[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，加速發展綜合能源服務、虛擬電廠等新元素新業態，同時要加強不同類型的能源基建，實現更大范圍的提質增效[2]。綜合能源系統通過對電、氣、冷、熱等異質能源子系統進行統籌規劃、協同調度，在滿足區域內用戶對供電、供熱、供冷等多元化需求的同時，使接入的風電、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，促進能源結構合理化。

1 面向綜合能源系統的數字孿生技術應用

綜合能源系統的框架設計目標是在一定的時間周期內（響應速度快），在滿足負荷需求的基礎上，實現系統最優系統配置與結構的設計，是綜合能源技術能夠得到實際應用的首要環節[4]。數字孿生由于其自身優勢，給綜合能源系統框架設計的理論研究與實踐應用帶來新的擴展，基于數字孿生的綜合能源系統框架設計如圖1所示。基于數字孿生的模塊化設計思想不僅體現為對綜合能源系統各能源模塊拓撲和參數的靈活配置，還體現在其對同態問題的模塊優化能力上，這使得對于復雜系統而言基于數字孿生的設計更為易于實現。

數字孿生在整個綜合能源系統運維階段的應用主要體現在設備層面和系統層面。在設備層，為實現對各主要設備的在線健康評估，設備級數字孿生框架的構建會用到系統傳感器采集的各類運行數據以及設備歷史操作數據等。在系統層，各主要設備的風險特征信息可以集成到系統級數字孿生中，利用相同類型設備的故障特征、歷史運維等數據借助于數據遷移等技術手段共同完成對系統風險等級的描述，為更加精確的系統預警、監測和維護提供理論數據支撐。

此外，利用數字孿生技術對真實系統實時狀態行為特征的描述能力，即全景鏡像，可以在數字空間中呈現各種能源的復雜因素，從而將更完整的數據特征納入優化調度中，充分評估修正控制策略和控制效果，實現對綜合能源系統中各設備的協調閉環控制，實現對各種能源模式的精細調度與管控，有效提高優化策略的應用價值。

2 系統架構設計

綜合能源系統在“產—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的獨立能源系統，具體體現在多物理系統的耦合、多時間尺度動態特性的關聯、強非線性和狀態的不確定性等混雜特征[5]。數字孿生技術是基于傳感器技術、通信技術、控制理論、系統仿真等多技術領域成果的跨學科系統性工程。其主要特點在于，基于機理和數據的多元化建模方法，在數字空間中，將綜合能源系統呈現動態的全景鏡像，運用數據融合計算模擬出在不同工況下系統的動態運行狀態和系統輸出，技術框架如圖2。

構建綜合能源系統數字孿生平臺的關鍵是對不同數據源在統一尺度上的融合利用。首先，由于綜合能源系統結構的復雜性，機理的不明確、狀態的不透明，故而較難構造精確的動力學模型（數學模型），因此采用數據驅動的方式可以更有效地呈現整個系統的運行特性;其次，物理系統的狀態和特征在本質上可以通過多維數據來反映，通過對狀態數據的迭代，能夠不斷在線優化數字孿生模型及系統參數，提高整個系統的準確性。此外，基于全覆蓋的傳感器網絡技術/物聯網技術，綜合能源系統數字孿生能夠精確控制底層的能源裝置;借助于云端協同計算能夠實現不同層次數據的實時匯集和綜合利用;通過虛擬現實技術（VR技術），將綜合能源系統的外在形態與內在狀態有機統一呈現，為人機交互應用創造更加便捷的分析與應用條件。

3 數字孿生平臺設計

綜合能源系統是指輸入為多種能源，用智能化技術分析解決目標需求，尋找最優方案解決能量合理、平衡輸出的能源系統。結合數字孿生技術的技術優勢和綜合能源系統的應用需求，本文擬提出基于數字孿生技術的綜合能源系統在不同場景下的應用。

3.1 數字孿生技術在綜合能源系統建模仿真中的應用

綜合能源系統模型主要包括基于知識驅動的微分代數模型和基于傳感網絡和系統狀態的大數據驅動模型[6]。考慮到綜合能源系統有著不同地域位置、不同能源形式、不同上層業務等特征，綜合能源系統模型需要兼容各類仿真算法，以及滿足上層系統對仿真速率的不同要求。知識驅動綜合能源系統模型一般采用多時間尺度建模技術，而數據驅動模型常采用基于大數據技術的模型校正及參數優化方法。

從技術角度而言，傳統建模仿真是數字孿生的基礎，而數字孿生基于量測傳感，具有實時數據建模的能力，能夠從更高維度實現包含內外部噪聲、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用場景，具體應用如下。

（1）在數字孿生框架下，可通過連接類似于加拿大系統實時仿真平臺RTLAB的具有自主知識產權的電力系統實時數字仿真平臺，通過采集綜合能源系統的實時電磁暫態數據，構建面向大規模電力系統的實時電磁暫態仿真器。

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

（3）在實際物理系統運行過程中，各類控制調度策略可能會因為內外部噪聲、隨機波動等導致截然不同的動態輸出響應，從而導致綜合能源系統走向各類不可預測的運行狀態和輸出結果。數字孿生技術能夠根據當前時刻的運行狀態和控制策略，實時自動分叉出不同的應用場景。

基于數字孿生技術的綜合能源系統建模仿真平臺構架如圖3所示。

3.2 數字孿生技術在區域多能源系統運行優化中的應用

綜合能源系統運行過程中，利用其多能源、多負荷和多儲能的特性，靈活調度、消納各類可再生新能源，設計面向綜合能源系統的耦合轉化與梯級優化利用控制算法。此外，根據監控層提供的風險點、故障點等實時信息和數據，結合對歷史數據的評估，提出多種預測控制或優化策略。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避風險的實時決策，按照選取的優化方案更新監控層基礎控制參數。基于數字孿生的綜合能源系統優化運行構架如圖4所示。

結語

對于綜合能源系統的數字孿生架構設計，首先需要構建有效建模與仿真。顯然綜合能源系統數字孿生的實時鏡像、前瞻運行模擬、動態特性跟隨等能力，已經在規劃設計、運行優化、預測維護、多領域協調互動等方面顯現出非凡潛力與廣闊應用價值。數字孿生技術的實時感知能力結合計算機視覺技術可實現電網智能無人巡檢，其在工作人員難以到達的場景有著很好的應用價值;實時決策推演能力可實現復雜電力設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，數字孿生技術的應用仍處于持續發展和不斷演化階段，各類應用場景尚未成熟，阻礙數字孿生技術落地的因素還有很多，例如智能感知技術、數字中臺技術等重點關鍵技術在未來仍有待突破。

參考文獻：

[1]能源生產和消費革命戰略（2016—2030）.電器工業，2017（05）：39-47.

[2]“十三五”國家戰略性新興產業發展規劃發布[J].世界海運，2017，40（02）：15.

[3]程浩忠，胡梟，王莉.區域綜合能源系統規劃研究綜述[J].電力系統自動化，2019，43（07）：2-13.

[4]王成山，董博，于浩，等.智慧城市綜合能源系統數字孿生技術及應用[J].中國電機工程學報，2021，5：1-11.

[5]唐文虎，陳星宇，錢瞳，等.面向智慧能源系統的數字孿生技術及其應用[J].中國工程科學，2020，22（4）：74-85.

[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，畢業于江蘇大學電氣工程專業，研究方向：電氣信息技術。