基于数字孪生技术的综合能源系统仿真设计

摘 要：综合能源系统的不确定性影响系统设计以及运行过程中的性能。数字孪生技术能够提供优秀的仿真运行能力，同时参考同类系统在整个生命周期中获得的相关数据，使能源系统的性能评价更加高效和精确。基于此，本文设计了基于数字孪生技术的综合能源系统数字仿真平台，对复杂的电力系统做全生命周期管理。

关键词：综合能源系统;数字孪生;仿真平台

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

國网能源研究院于2020年发布的《中国能源电力发展展望2020》中指出，我国近些年一次能源低碳化转型明显，计划在2035年前后非化石能源（风能、太阳能等）总规模超过煤炭[1]。我国力求在将来用电能来代替煤炭成为主要的终端用能品种，加速发展综合能源服务、虚拟电厂等新元素新业态，同时要加强不同类型的能源基建，实现更大范围的提质增效[2]。综合能源系统通过对电、气、冷、热等异质能源子系统进行统筹规划、协同调度，在满足区域内用户对供电、供热、供冷等多元化需求的同时，使接入的风电、光伏等可再生能源能够得到就地消纳[3]，从而能够有效提升用能效率，促进能源结构合理化。

1 面向综合能源系统的数字孪生技术应用

综合能源系统的框架设计目标是在一定的时间周期内（响应速度快），在满足负荷需求的基础上，实现系统最优系统配置与结构的设计，是综合能源技术能够得到实际应用的首要环节[4]。数字孪生由于其自身优势，给综合能源系统框架设计的理论研究与实践应用带来新的扩展，基于数字孪生的综合能源系统框架设计如图1所示。基于数字孪生的模块化设计思想不仅体现为对综合能源系统各能源模块拓扑和参数的灵活配置，还体现在其对同态问题的模块优化能力上，这使得对于复杂系统而言基于数字孪生的设计更为易于实现。

数字孪生在整个综合能源系统运维阶段的应用主要体现在设备层面和系统层面。在设备层，为实现对各主要设备的在线健康评估，设备级数字孪生框架的构建会用到系统传感器采集的各类运行数据以及设备历史操作数据等。在系统层，各主要设备的风险特征信息可以集成到系统级数字孪生中，利用相同类型设备的故障特征、历史运维等数据借助于数据迁移等技术手段共同完成对系统风险等级的描述，为更加精确的系统预警、监测和维护提供理论数据支撑。

此外，利用数字孪生技术对真实系统实时状态行为特征的描述能力，即全景镜像，可以在数字空间中呈现各种能源的复杂因素，从而将更完整的数据特征纳入优化调度中，充分评估修正控制策略和控制效果，实现对综合能源系统中各设备的协调闭环控制，实现对各种能源模式的精细调度与管控，有效提高优化策略的应用价值。

2 系统架构设计

综合能源系统在“产—配—储—用”过程中，考虑到多种能源形式之间的深度耦合，故其运行特征有别于传统的独立能源系统，具体体现在多物理系统的耦合、多时间尺度动态特性的关联、强非线性和状态的不确定性等混杂特征[5]。数字孪生技术是基于传感器技术、通信技术、控制理论、系统仿真等多技术领域成果的跨学科系统性工程。其主要特点在于，基于机理和数据的多元化建模方法，在数字空间中，将综合能源系统呈现动态的全景镜像，运用数据融合计算模拟出在不同工况下系统的动态运行状态和系统输出，技术框架如图2。

构建综合能源系统数字孪生平台的关键是对不同数据源在统一尺度上的融合利用。首先，由于综合能源系统结构的复杂性，机理的不明确、状态的不透明，故而较难构造精确的动力学模型（数学模型），因此采用数据驱动的方式可以更有效地呈现整个系统的运行特性;其次，物理系统的状态和特征在本质上可以通过多维数据来反映，通过对状态数据的迭代，能够不断在线优化数字孪生模型及系统参数，提高整个系统的准确性。此外，基于全覆盖的传感器网络技术/物联网技术，综合能源系统数字孪生能够精确控制底层的能源装置;借助于云端协同计算能够实现不同层次数据的实时汇集和综合利用;通过虚拟现实技术（VR技术），将综合能源系统的外在形态与内在状态有机统一呈现，为人机交互应用创造更加便捷的分析与应用条件。

3 数字孪生平台设计

综合能源系统是指输入为多种能源，用智能化技术分析解决目标需求，寻找最优方案解决能量合理、平衡输出的能源系统。结合数字孪生技术的技术优势和综合能源系统的应用需求，本文拟提出基于数字孪生技术的综合能源系统在不同场景下的应用。

3.1 数字孪生技术在综合能源系统建模仿真中的应用

综合能源系统模型主要包括基于知识驱动的微分代数模型和基于传感网络和系统状态的大数据驱动模型[6]。考虑到综合能源系统有着不同地域位置、不同能源形式、不同上层业务等特征，综合能源系统模型需要兼容各类仿真算法，以及满足上层系统对仿真速率的不同要求。知识驱动综合能源系统模型一般采用多时间尺度建模技术，而数据驱动模型常采用基于大数据技术的模型校正及参数优化方法。

从技术角度而言，传统建模仿真是数字孪生的基础，而数字孪生基于量测传感，具有实时数据建模的能力，能够从更高维度实现包含内外部噪声、随机扰动、多场景事件链等信息的建模仿真，从而提供更精确的应用场景，具体应用如下。

（1）在数字孪生框架下，可通过连接类似于加拿大系统实时仿真平台RTLAB的具有自主知识产权的电力系统实时数字仿真平台，通过采集综合能源系统的实时电磁暂态数据，构建面向大规模电力系统的实时电磁暂态仿真器。

（2）综合能源系统通常含有风力发电机、太阳能板等受环境影响较大的随机性电源，为了在线准确评估此类新能源发电系统能否满足综合能源系统的需求，蒙特卡洛抽样常被用来生成运行断面，基于海量断面数据利用上述实时仿真器进行并发实时仿真，从而获取相关性能指标。

（3）在实际物理系统运行过程中，各类控制调度策略可能会因为内外部噪声、随机波动等导致截然不同的动态输出响应，从而导致综合能源系统走向各类不可预测的运行状态和输出结果。数字孪生技术能够根据当前时刻的运行状态和控制策略，实时自动分叉出不同的应用场景。

基于数字孪生技术的综合能源系统建模仿真平台构架如图3所示。

3.2 数字孪生技术在区域多能源系统运行优化中的应用

综合能源系统运行过程中，利用其多能源、多负荷和多储能的特性，灵活调度、消纳各类可再生新能源，設计面向综合能源系统的耦合转化与梯级优化利用控制算法。此外，根据监控层提供的风险点、故障点等实时信息和数据，结合对历史数据的评估，提出多种预测控制或优化策略。基于并行实时仿真平台对上述控制策略进行校验并做出规避风险的实时决策，按照选取的优化方案更新监控层基础控制参数。基于数字孪生的综合能源系统优化运行构架如图4所示。

结语

对于综合能源系统的数字孪生架构设计，首先需要构建有效建模与仿真。显然综合能源系统数字孪生的实时镜像、前瞻运行模拟、动态特性跟随等能力，已经在规划设计、运行优化、预测维护、多领域协调互动等方面显现出非凡潜力与广阔应用价值。数字孪生技术的实时感知能力结合计算机视觉技术可实现电网智能无人巡检，其在工作人员难以到达的场景有着很好的应用价值;实时决策推演能力可实现复杂电力设备的全生命周期管理，从而提高电力工程的安全性和可靠性。但是，数字孪生技术的应用仍处于持续发展和不断演化阶段，各类应用场景尚未成熟，阻碍数字孪生技术落地的因素还有很多，例如智能感知技术、数字中台技术等重点关键技术在未来仍有待突破。

参考文献：

[1]能源生产和消费革命战略（2016—2030）.电器工业，2017（05）：39-47.

[2]“十三五”国家战略性新兴产业发展规划发布[J].世界海运，2017，40（02）：15.

[3]程浩忠，胡枭，王莉.区域综合能源系统规划研究综述[J].电力系统自动化，2019，43（07）：2-13.

[4]王成山，董博，于浩，等.智慧城市综合能源系统数字孪生技术及应用[J].中国电机工程学报，2021，5：1-11.

[5]唐文虎，陈星宇，钱瞳，等.面向智慧能源系统的数字孪生技术及其应用[J].中国工程科学，2020，22（4）：74-85.

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

作者简介：邓啸巍（1983— ），男，硕士，毕业于江苏大学电气工程专业，研究方向：电气信息技术。