分布式能源、可再生能源和數(shù)字化的擴(kuò)展正在增加電網(wǎng)之間的鏈接，系統(tǒng)間需要交換更多的數(shù)據(jù)。而復(fù)雜的研究、分析、案例、服務(wù)對數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的依賴越來越強(qiáng)，數(shù)據(jù)收集與交換的需求給能源與電網(wǎng)企業(yè)帶來了新的挑戰(zhàn)。
綜合能源企業(yè)在電網(wǎng)工作中需要維護(hù)許多不同的模型，每個模型與不同的領(lǐng)域相關(guān)聯(lián)，例如：規(guī)劃、操作、資產(chǎn)管理、GIS、停電管理和保護(hù)。保持?jǐn)?shù)據(jù)同步是一個很大的挑戰(zhàn)。在這些系統(tǒng)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時的不一致或其他故障會導(dǎo)致嚴(yán)重的后果，如模型不準(zhǔn)確、系統(tǒng)性能不理想甚至整個電網(wǎng)系統(tǒng)癱瘓。因此，電網(wǎng)企業(yè)需在整個IT領(lǐng)域推動可操作的數(shù)據(jù)交換，并為可持續(xù)的數(shù)字未來做好準(zhǔn)備。
數(shù)字孿生，是指對于物理世界中的物體，通過數(shù)字化的手段來構(gòu)建一個與數(shù)字世界中一模一樣的實體，借此來實現(xiàn)對物理實體的了解、分析和優(yōu)化。通過物理設(shè)備的數(shù)據(jù)，可以在虛擬信息空間構(gòu)建一個可以表征該物理設(shè)備的虛擬實體和子系統(tǒng)，并且這種聯(lián)系不是單向和靜態(tài)的，而是與整個產(chǎn)品的生命周期聯(lián)系在一起。因此，數(shù)字孿生不僅可以參與產(chǎn)品的設(shè)計階段，而延展至生產(chǎn)制造和服務(wù)階段。電網(wǎng)中的數(shù)字孿生是充分利用電網(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(jī)、通信、氣候、經(jīng)濟(jì)等多學(xué)科知識進(jìn)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電網(wǎng)的映射，反映電網(wǎng)的全生命周期過程。
西門子電氣數(shù)字孿生公司通過在其IT領(lǐng)域為公用事業(yè)公司提供單一的真實來源來建模數(shù)據(jù)，從而將真實世界和虛擬世界緊密地結(jié)合起來。數(shù)據(jù)從不同的系統(tǒng)同步，然后通過基于標(biāo)準(zhǔn)的適配器/接口標(biāo)準(zhǔn)化到一個多用戶數(shù)據(jù)庫，以實現(xiàn)可靠、高效和安全的電力系統(tǒng)規(guī)劃、運行和維護(hù)。
西門子電氣數(shù)字孿生解決方案可提供以下服務(wù)：
跨運營和規(guī)劃的傳輸網(wǎng)絡(luò)模型管理
保護(hù)數(shù)據(jù)管理
利用GIS數(shù)據(jù)簡化可再生集成分析西門子電氣數(shù)字孿生公司
自動化操作規(guī)劃案例創(chuàng)建
為集成T&D分析進(jìn)行數(shù)據(jù)管理
創(chuàng)建分布規(guī)劃模型并與GIS、DMS和MDM數(shù)據(jù)同步
數(shù)字孿生解決方案技術(shù)上由三個部分組成:引擎、適配器/接口和用戶接口。引擎是指核心啟用技術(shù)，包括:
中央多用戶數(shù)據(jù)庫
數(shù)據(jù)管理功能(如:場景、變體、項目等)
案例構(gòu)建器
數(shù)據(jù)同步
數(shù)據(jù)驗證
數(shù)據(jù)交換和通信
適配器和接口是支持?jǐn)?shù)據(jù)導(dǎo)入和/或從其他域和系統(tǒng)導(dǎo)出數(shù)據(jù)的連接器。適配器可以同時使用基于標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)(如CIM)和專有數(shù)據(jù)。用戶界面是與EDT核心的主要圖形交互，提供圖形化數(shù)據(jù)可視化、維護(hù)和用戶管理等功能。它還支持多個部署選項，比如本地和云/托管。通過連接electric Digital Twin解決方案的三個關(guān)鍵部分，客戶能夠在整個企業(yè)中自動化模型同步和標(biāo)準(zhǔn)化交換，從而創(chuàng)建完美的網(wǎng)格數(shù)字表示。
西門子電氣數(shù)字孿生解決方案
西門子電氣數(shù)字孿生解決方案利用其強(qiáng)大的應(yīng)用程序，在電網(wǎng)中有著多重價值。
一、跨運營和規(guī)劃的傳輸網(wǎng)絡(luò)模型管理
傳輸公司交換企業(yè)內(nèi)部和外部系統(tǒng)(如規(guī)劃、運營、運營規(guī)劃、保護(hù)等)的數(shù)據(jù)，以有效地規(guī)劃和運營電網(wǎng)。但是，來自這些系統(tǒng)的輸入通常有自己的數(shù)據(jù)格式，并且有專家團(tuán)隊手動維護(hù)每個模型?？珙I(lǐng)域的模型數(shù)據(jù)不一致會導(dǎo)致模型不準(zhǔn)確、系統(tǒng)性能不理想、可能違反法規(guī)、過度的手工勞動和其他額外的損失。為了優(yōu)化網(wǎng)格性能，實用程序需要一種解決方案，能夠在內(nèi)部和外部實用程序域之間提供無縫、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交換。
西門子電子數(shù)字孿生解決方案帶來：
跨計劃和操作的模型自動同步；
輕松交換網(wǎng)絡(luò)模型數(shù)據(jù)在您自己的公司和其他公用事業(yè)/實體；
中央“真實單一來源”數(shù)據(jù)庫網(wǎng)格數(shù)據(jù)。
優(yōu)勢：
節(jié)省了90%的網(wǎng)格模型創(chuàng)建和維護(hù)時間；
提高了輸電規(guī)劃和運行模型的準(zhǔn)確性，從而提高了系統(tǒng)運行的利潤和效率；
IT集成成本降低；
消除重復(fù)建模工作；
為企業(yè)內(nèi)的數(shù)據(jù)管理提供可持續(xù)的方式；
開啟未來可點擊的潛在研究，如預(yù)測維護(hù)、經(jīng)濟(jì)/投資分析等。
二、保護(hù)數(shù)據(jù)管理
系統(tǒng)操作員、規(guī)劃師和保護(hù)工程師面臨著電力系統(tǒng)保護(hù)日益增長的挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)包括數(shù)字技術(shù)的增長、保護(hù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)點的增加(例如數(shù)字繼電器、變電站等)，以及電網(wǎng)可靠性最大化的壓力。在不同的系統(tǒng)中使用和存放的保護(hù)數(shù)據(jù)需要手動與現(xiàn)場數(shù)據(jù)同步，誤差會導(dǎo)致數(shù)據(jù)模型不準(zhǔn)確。
西門子電子數(shù)字孿生解決方案帶來：
跨系統(tǒng)和設(shè)備同步數(shù)據(jù)交換；
可伸縮的數(shù)據(jù)收集/存儲；
自動保護(hù)設(shè)定計算。
優(yōu)勢：
減少保護(hù)模型中的錯誤，使系統(tǒng)運行接近極限，提高可靠性；
通過自動/自適應(yīng)保護(hù)設(shè)置，節(jié)省時間；
提高安全性；
以可持續(xù)的方式管理企業(yè)內(nèi)部的數(shù)據(jù)。
三、利用GIS數(shù)據(jù)簡化可再生集成分析
電網(wǎng)在分布層面上的日益整合使得電力分配規(guī)劃面臨更多的互連請求，從而導(dǎo)致更長的隊列和額外的人工工作來執(zhí)行操作。為了便于理解分布式能源資源(DERs)對電網(wǎng)的影響，公用事業(yè)公司需要簡化互連應(yīng)用程序，并從現(xiàn)有的GIS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)創(chuàng)建數(shù)字網(wǎng)絡(luò)分析模型。
西門子電子數(shù)字孿生解決方案帶來：
簡化建立互連研究案例的流程；
互連研究的自動化分析、模擬、篩選；
能夠利用現(xiàn)有GIS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)創(chuàng)建用于規(guī)劃研究的數(shù)字配電網(wǎng)絡(luò)。
優(yōu)勢：
減少數(shù)據(jù)維護(hù)、IT集成和建模成本、工作量和復(fù)雜性；
自動化的DER互聯(lián)評估流程，最大化DER投資回報(ROI)；
優(yōu)化設(shè)計、審批流程。
四、自動化操作計劃案例創(chuàng)建
政府機(jī)構(gòu)正在增加關(guān)于網(wǎng)格穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)格式一致性的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)，增加了運營規(guī)劃研究和案例的數(shù)量，公用事業(yè)公司為了運營需要進(jìn)行這些研究和案例。為了完成他們的任務(wù)，運營規(guī)劃者需要準(zhǔn)備不同的“假設(shè)”案例，然后可以使用網(wǎng)格模擬軟件來研究這些案例。構(gòu)建這些案例可能是一項耗時且容易出錯的手工任務(wù)，涉及融合來自各種格式和來源的信息(中斷調(diào)度、生成預(yù)測、負(fù)載預(yù)測、交換調(diào)度、狀態(tài)估計器快照等)。公用事業(yè)公司需要一種解決方案，能夠根據(jù)政府的期望，提供輕松、自動化、可重復(fù)和準(zhǔn)確的預(yù)測案例。
西門子電子數(shù)字孿生解決方案帶來：
自動創(chuàng)建案例；
與其他系統(tǒng)自動同步案例數(shù)據(jù)(如規(guī)劃、發(fā)電/負(fù)荷預(yù)測、停電計劃等)。
優(yōu)勢：
減少了建立預(yù)測案例和進(jìn)行研究所需的時間；
提高了創(chuàng)建案例的準(zhǔn)確性；
易于集成來自其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)(停機(jī)調(diào)度、負(fù)載配置文件、調(diào)度、拓?fù)涞?；
監(jiān)管支持(如CGMES(歐盟)、NERC-TOP-002 (NA))。
五、數(shù)據(jù)管理和集成T&D分析
分布式能源的擴(kuò)散已經(jīng)改變了電力系統(tǒng)規(guī)劃和運行的基本原則。電力流動性增強(qiáng)，導(dǎo)致T&D水平之間的相互依賴，在干擾后的恢復(fù)過程更加復(fù)雜。因此要求電力公司執(zhí)行集成的T&D分析，以應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。
西門子電子數(shù)字孿生解決方案帶來：
集成T&D網(wǎng)絡(luò)分析，通過通同步數(shù)據(jù)模型跨T&D實現(xiàn)；
評估輸電系統(tǒng)對配電系統(tǒng)的影響，反之亦然；
在T&D級別跨計劃和操作進(jìn)行模型和數(shù)據(jù)交換；
T&D之間的保護(hù)協(xié)調(diào)。
優(yōu)勢：
優(yōu)化網(wǎng)格利用；
在T&D系統(tǒng)設(shè)計和運營方面發(fā)揮協(xié)同作用，使投資規(guī)劃最優(yōu)化；
通過考慮配電網(wǎng)的短路貢獻(xiàn)，提高了傳輸可靠性。
六、分布規(guī)劃模型的創(chuàng)建和與GIS、ADMS和MDM數(shù)據(jù)的同步
隨著電網(wǎng)越來越多地連接到配電層，電力公司面臨著優(yōu)化系統(tǒng)性能、確保電網(wǎng)可靠性和穩(wěn)定性以及滿足配電規(guī)劃方面新出現(xiàn)的監(jiān)管要求的壓力。為了克服網(wǎng)格的復(fù)雜性，公用事業(yè)公司已經(jīng)開始手動將其分布網(wǎng)格模型與來自地理信息系統(tǒng)(GIS)、高級分布管理系統(tǒng)(ADMS)和儀表數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)(MDM)的數(shù)據(jù)連接起來。為了節(jié)省時間和提高準(zhǔn)確性，需要一個自動化和集成的接口與外部信息系統(tǒng)。
西門子電子數(shù)字孿生解決方案帶來：
從GIS自動生成配電規(guī)劃模型；
自動同步規(guī)劃數(shù)據(jù)與ADMS數(shù)據(jù)；
用于規(guī)劃研究的高精度負(fù)荷預(yù)測數(shù)據(jù)(如MDM數(shù)據(jù))；
為分配規(guī)劃研究自動創(chuàng)建案例。
優(yōu)勢：
節(jié)省了90%的網(wǎng)格模型創(chuàng)建和維護(hù)時間；
提高了分配規(guī)劃模型的準(zhǔn)確性，從而提高了系統(tǒng)運行的效益和效率；
更快的故障恢復(fù)，建立了更可靠的電網(wǎng)。
應(yīng)用案例
一、芬蘭Fingrid傳輸網(wǎng)絡(luò)模型管理
Fingrid是芬蘭輸電系統(tǒng)運營商，負(fù)責(zé)14.000多公里400、220和110千伏輸電線路的運營和規(guī)劃，以及100多個變電站。過去，在Fingrid規(guī)劃未來的電網(wǎng)投資要花費80%的精力在數(shù)據(jù)收集和驗證上，20%的精力在實際分析上。大部分時間用于手動收集數(shù)據(jù)，合并缺少的部分，并最終成功地組合數(shù)據(jù)。近年來，分散式可再生能源的興起使得維持整個電網(wǎng)的平衡變得更加困難。隨著越來越多的傳統(tǒng)發(fā)電廠被風(fēng)能和太陽能所取代，業(yè)務(wù)需求正在發(fā)生變化。
2016年，他們與西門子合作推出了數(shù)字網(wǎng)格模型ELVIS，該模型支持他們的資產(chǎn)和運營管理以及基礎(chǔ)設(shè)施投資規(guī)劃?！?Singlesource of trut” 模型與資產(chǎn)管理數(shù)據(jù)、過去數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)與預(yù)測未來能源消耗的經(jīng)濟(jì)研究相結(jié)合。電子數(shù)字孿生模型用于開發(fā)考慮不同政策框架的幾種投資方案。該數(shù)字孿生解決方案使Fingrid節(jié)省了大量時間和金錢，數(shù)據(jù)收集和驗證過程現(xiàn)在只需要不到20%的時間，而剩下80%的時間用于關(guān)鍵的分析任務(wù)。數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性提高了網(wǎng)絡(luò)模型的整體準(zhǔn)確性和一致性，為當(dāng)前和未來業(yè)務(wù)流程的高效數(shù)字化奠定了基礎(chǔ)。
二、美國電力公司(AEP)的輸電網(wǎng)模式管理
美國電力傳輸公司(AEP Transmission)是美國電力公司(American Electric Power)的一個部門，運營著全美最大的電力傳輸網(wǎng)絡(luò)，擁有4萬多英里的線路，服務(wù)于11個州的540多萬客戶。它管理運營、工程和計劃網(wǎng)絡(luò)模型，每一個模型都涉及到來自多個內(nèi)部和外部系統(tǒng)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和輸入。
在過去二十年中，模型的大小和復(fù)雜性顯著增加，模型的協(xié)調(diào)是一個日益嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，監(jiān)管可靠性和合規(guī)要求不斷提高。在AEP傳輸中，組織和技術(shù)的限制變得越來越明顯。規(guī)劃、運營和保護(hù)的基本傳輸網(wǎng)絡(luò)模型由公司內(nèi)部的不同業(yè)務(wù)單位維護(hù)，而協(xié)調(diào)業(yè)務(wù)單位之間的模型很大程度上是一個手工過程。
2015年公司推出一個計劃，主要有兩個主要目標(biāo)：跨多個業(yè)務(wù)功能領(lǐng)域更好地協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)模型信息，以及對這些信息進(jìn)行集中管理。2017年初，AEP傳輸公司與西門子PTI合作，幫助提供并促進(jìn)向電子數(shù)字孿生解決方案的過渡，這是AEP更大的T-Nexus網(wǎng)絡(luò)模型管理改進(jìn)計劃的一部分。新的解決方案建立在行業(yè)認(rèn)可的公共信息模型(CIM)開放標(biāo)準(zhǔn)之上，該標(biāo)準(zhǔn)允許AEP傳輸有效地維護(hù)、分析和跨多個域交換網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，并生成短期和長期的案例。
因此，AEP傳輸將:
大大減少了與手工模型協(xié)調(diào)工作相關(guān)的時間和成本，包括內(nèi)部和外部實體；
建立基礎(chǔ)設(shè)施和數(shù)據(jù)治理基礎(chǔ)，以支持AEP在傳輸改善和擴(kuò)展方面的資本投資戰(zhàn)略；
提供一個模型校準(zhǔn)解決方案，這將有助于推動先進(jìn)技術(shù)的實現(xiàn)，如預(yù)測資產(chǎn)健康分析，同步相位器等。
三、江蘇海上風(fēng)電項目的設(shè)計
當(dāng)前Bentley公司正大力推動數(shù)字化孿生模型發(fā)展。云平臺數(shù)據(jù)將通過與相關(guān)企業(yè)合作托管的形式在國內(nèi)落地，特別是地理信息將單獨保存，通過疊加顯示技術(shù)集成BIM信息與地理信息，在保證信息安全的同時進(jìn)一步提升信息更新的有效性。
在江蘇海上風(fēng)電項目中，面對項目諸多挑戰(zhàn)，中國電建河南工程公司創(chuàng)新使用了Bentley應(yīng)用程序。在項目前期階段，團(tuán)隊使用Bentley三維可視化應(yīng)用程序進(jìn)行碰撞檢查，優(yōu)化電纜設(shè)計方案，避免因施工返工而浪費資源，同時施工人員利用碰撞優(yōu)化后的三維管線方案，進(jìn)行施工交底和施工模擬，提高施工質(zhì)量。據(jù)統(tǒng)計，通過應(yīng)用Bentley的ProjectWise協(xié)同管理與設(shè)計產(chǎn)品將設(shè)計錯誤率減少了90%，通過BIM工作流減少了60%的項目返工。此外項目團(tuán)隊制定的220千伏海上變電站的工程、施工、安裝和運營標(biāo)準(zhǔn)，也被公認(rèn)為最佳實踐。
參考資料：
1. SiemensElectrical Digital Twin，siemens.com/electrical-digital-twin
2. 數(shù)字孿生技術(shù)引領(lǐng)能源電力基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展，中國能源報
3. 數(shù)字孿生的概念、發(fā)展形態(tài)和意義，融合論壇，時培昕
作者 | 尹華琛
