本文得到國(guó)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(jī)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(jìn)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(yùn)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(jì)算技術(shù)的先進(jìn)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(tái)— CloudIEPS，通過能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃案例進(jìn)一步證明了數(shù)字孿生技術(shù)的重要作用。
文章亮點(diǎn)
1、介紹了數(shù)字孿生的基本概念，闡述了作者對(duì)數(shù)字孿生的理解以及數(shù)字孿生與盧強(qiáng)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(cè)感知、數(shù)字空間建模、仿真分析決策以及云計(jì)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(yùn)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(shí)間尺度非線性系統(tǒng)建模、復(fù)雜隨機(jī)動(dòng)態(tài)模擬等。進(jìn)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(tái)—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(guó)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(shì)”。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(kuò)展。
數(shù)字孿生同樣可以應(yīng)用于能源系統(tǒng)。盧強(qiáng)院士早在2000年就提出了數(shù)字電力系統(tǒng)的概念，其實(shí)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(diǎn)，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(cè)數(shù)據(jù)、歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，并集成電氣、流體、熱力、計(jì)算機(jī)、通信、氣候、經(jīng)濟(jì)等多學(xué)科知識(shí)進(jìn)行的多物理量、多時(shí)空尺度、多概率的仿真過程，通過在虛擬空間中完成對(duì)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(qiáng)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(duì)于變化緩慢的物理對(duì)象，并不需要高頻的實(shí)時(shí)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?fù)浜蛥?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(shí)時(shí)控制服務(wù)。數(shù)字孿生影響的可以是物理對(duì)象生命周期中任意時(shí)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(jìn)行能源互聯(lián)網(wǎng)的規(guī)劃，規(guī)劃結(jié)果的實(shí)施其實(shí)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(cè)感知、數(shù)字空間建模、仿真分析決策以及云計(jì)算環(huán)境。
1）量測(cè)感知是對(duì)能源互聯(lián)網(wǎng)物理實(shí)體進(jìn)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(cè)、傳輸、處理、存儲(chǔ)、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(duì)能源互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)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(shí)體不同時(shí)間尺度和空間尺度的特征，只要這些特征和物理實(shí)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(duì)數(shù)字空間的能源互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，然后通過仿真驗(yàn)證決策的合理性和有效性，再對(duì)數(shù)字能源互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行復(fù)雜不確定場(chǎng)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(jì)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(cè)數(shù)據(jù)，再借助大數(shù)據(jù)分析和高性能仿真技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)能源互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字建模和仿真模擬，計(jì)算結(jié)果可實(shí)時(shí)反饋至物理系統(tǒng)，傳感器數(shù)據(jù)同樣可實(shí)時(shí)傳遞給數(shù)字鏡像以實(shí)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(yùn)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(yùn)行的異常環(huán)節(jié)，有助于實(shí)現(xiàn)基于能源互聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)的精準(zhǔn)運(yùn)維和優(yōu)化運(yùn)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(yùn)行，數(shù)字孿生參與其中的主要作用是對(duì)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(yàn)運(yùn)行方案的可行性，計(jì)算運(yùn)行成本、資源短缺量、碳排放量等指標(biāo)評(píng)估運(yùn)行方案的效果，并提供系統(tǒng)工作點(diǎn)詳細(xì)信息。利用攝動(dòng)參數(shù)后的多次仿真，能夠幫助運(yùn)行優(yōu)化尋找搜索方向?；跀?shù)字孿生仿真驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(shí)間尺度動(dòng)態(tài)的模型。同時(shí)，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(dòng)汽車充電功率等。借助不確定性建模、場(chǎng)景生成等技術(shù)，數(shù)字孿生可以對(duì)不同規(guī)劃方案進(jìn)行復(fù)雜隨機(jī)場(chǎng)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(tái)。用戶可根據(jù)需求靈活地調(diào)整系統(tǒng)能量的梯級(jí)利用形式，從而實(shí)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(yùn)行優(yōu)化和綜合效益評(píng)價(jià)，輔助用戶實(shí)現(xiàn)綜合能源系統(tǒng)方案的規(guī)劃設(shè)計(jì)。
CloudIEPS包含四大模塊，分別是數(shù)據(jù)管理模塊、 拓?fù)渚庉嬆K、集成優(yōu)化模塊和方案評(píng)估模塊，通過流程化設(shè)計(jì)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(jì)。
? 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(jìn)行數(shù)據(jù)映射，即將系統(tǒng)運(yùn)行所涉及的負(fù)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(jìn)行拓?fù)溆成洌鶕?jù)能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在CloudIEPS拓?fù)渚庉嬆K中選擇和連接對(duì)應(yīng)元件，搭建該案例的拓?fù)浣Y(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?fù)溆成洹?
? 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?fù)浣Y(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(lái)實(shí)現(xiàn)案例系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。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(yùn)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(fèi)用較原始方案減少323.14萬(wàn)元，每年的運(yùn)行成本增加21.7萬(wàn)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(diǎn)綜合評(píng)價(jià)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(yùn)行情況對(duì)比
研究團(tuán)隊(duì)
本文作者為清華大學(xué)電機(jī)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(tuán)隊(duì)主要成員，該團(tuán)隊(duì)前身為盧強(qiáng)院士成立的“數(shù)字電力系統(tǒng)”課題組，長(zhǎng)期從事電力系統(tǒng)建模仿真、安全分析與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方面的研究工作。團(tuán)隊(duì)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(diǎn)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(yùn)行與安全控制。團(tuán)隊(duì)采用云計(jì)算技術(shù)開發(fā)了能源互聯(lián)網(wǎng)建模仿真系列平臺(tái)，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(tái)——CloudPSS(Cloud-based Power System Simulator)，配電網(wǎng)全電磁暫態(tài)仿真平臺(tái)——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(yùn)維和調(diào)度平臺(tái)——CloudEMS(Cloud-based Energy Management System)。其中，CloudPSS已經(jīng)上線四年，在國(guó)內(nèi)外擁有超過4000注冊(cè)用戶。2019年10月11日，在電機(jī)工程學(xué)會(huì)組織的成果鑒定會(huì)上，以周孝信院士為組長(zhǎng)的與會(huì)專家對(duì)CloudPSS給出了“國(guó)際首創(chuàng)，總體技術(shù)國(guó)際領(lǐng)先”的高度評(píng)價(jià)。任何電力系統(tǒng)的科研人員均可登錄www.cloudpss.net網(wǎng)址注冊(cè)免費(fèi)使用該平臺(tái)。
