能源互联网数字孪生及其应用

刘恩伟

[摘    要]能源互联网是以电力系统为基础，将电力交通网与多能源网利用信息技术、网络技术等多种先进技术实现互联，从而建立起能源共享网络，提高能源利用率。能源互联网具有其自身的特性，从规划、运行、管理、维护等多个方面都存在很多难题。数字孪生技术利用多种先进的数字技术通过对物理实体对象的建模、仿真、描述和监测，能够实现对能源互联网的规划、感知和优化，是解决能源互联网构建运行过程中难题的有效途径。

[关键词]能源互联网;数字孪生;应用

[中图分类号]TM73;TK01 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（21）04–0–02

Energy Internet Digital Twinning and Applications

Liu En-wei

[Abstract]The energy Internet is based on the power system， which interconnects the electric traffic network with the multi-energy network by using many advanced technologies such as information technology， network technology， power generation technology and so on， so as to establish the energy sharing network and improve the energy utilization ratio. Energy Internet has its own characteristics， from the planning， operation， management， maintenance and other aspects of many problems. Digital twinning technology can realize the planning， perception and optimization of energy Internet through modeling， simulation， description and monitoring of physical entity objects using a variety of advanced digital technologies. It is an effective way to solve the difficult problems in the construction and operation of energy Internet.

[Keywords]energy internet; digital twinning; applications

能源互联网是将能源系统与现代互联网技术良好结合，实现能源之间的优势互补，使资源得到优化配置，这是能源系统的发展趋势，也是能源行业领域众多专家和学者研究的热点问题。“第四次工业革命”推动了全球工业发展脚步的加快，“万物互联”的数字化时代已经到来。我国紧跟时代发展的步伐，在数字技术方面加大研究力度，积极推进数字技术的发展。能源互联网的建立和发展代表着电力能源新的发展态势，更是工业互联网落实在行业领域中的典型代表。

1 能源互聯网概述

人类的生存和发展离不开能源，能源不仅与人们的生产生活息息相关，而且更是国家发展战略中必不可少的重要因素，可以说，一个国家的战略竞争力的强弱，能源起着非常关键的作用。传统的单一的能源形式和能源决策无法实现平稳的可持续性发展，如何将多种能源之间有效的联系起来，实现优势互补，构建能源互联网，提高能源利用率，是现代能源领域共同关注的热点问题。

能源互联网是建立在智能电力系统的基础之上，以电为核心，将以信息技术、网络技术、能源技术等为代表的多种先进技术进行深度融合形成的能源互联共享网络。能源互联网具有自身独特的优势：智能化、开放化、多能源互联互补、高效互动等，是一种智能型能源互联系统。多能源系统互联，且具有开放性，能够实现多能协同，这是能源互联网的构建的基本要求。依托物理互联，利用互联网技术使能源资源以数字化的形式呈现，数据之间能够实现开放性的互联共享。目前国内外对于能源互联网的研究主要分为以下几个方面：

（1）建模仿真。目前能源互联网的建模仿真仍然沿用物理机理和数学公式建模，通过对关键设备选择定容和优化网络拓扑结构的方法来实现规划目标。能源互联网的规划是一个复杂的过程，因为不仅包括能源系统中的各种复杂电源，还包括双向符合，需要优化的目标是多个。而且模型中有很多因素是具有不确定性的，无法对其进行量化，如何能够让规划保持长久持续的有效性是最大的难题。基于能量流本身所具有复杂性高且不确定性等特点，传统的白盒模型显然无法满足安全，因此，人工智能方法在这里就显得优势突出，由于其是由数据驱动，具有灵活性高，适应性强等特点，能够满足多种能源规划的要求。但是无论采用的那种规划方法，都缺乏可以实时演进的系统验证。

（2）监测分析。能源互联网监测分析的重点是对子系统工况数据的监测。不同种类的监测系统具有不同的采集频率，气、热、冷能量为分钟级，而电能则为秒级。如果是稳态数据分析没有问题，但是对于电力系统来说，通常暂态故障为微秒级，仅依靠监测数据来直接对故障进行分析和判断是有一定难度的。

（3）优化调度。优化调度主要针对的是可再生能源的消纳，致力于能源利用率的提升，不仅要保证能源系统的运行平稳，更要追求能源利用的高效性。从目前的研究成果来看，关于能源互联网的最优多能量流的研究通常是以仿真模型为基础，通过线性化的方法配合凸优化算法对非线性优化模型求解。但是这种方法对稳态模型有效，只支持仿真环境下的验证，如果系统动态运行，这种方法就缺乏了实际应用性。

2 数字孪生概述

数字孪生一词最早是由美国的Dr.Grieves提出，是指利用设备的物理数据来构建数学三维模型来对物理设备进行表征，以更好地对理论与实际进行诠释理解，从而提高设备有效管理能力。数字孪生的定义并不是一层不变的，多年来，随着对数字孪生研究的逐渐深入，数字孪生的定义也在不断的发生改变。简单来说，数字孪生就是集合多方面数据，集成多种仿真过程实现在虚拟空间对实体装备全生命周期的映射。近年来，数字孪生越来越受到多个行业领域的关注，涉及领域越来越广泛，相关学术文章已超百篇，逐渐发展成为战略技术。

数字孪生与数字影子、数字模型存在一定差别，数字影子和数字模型都是以数字的形式来表现物理实体，但是数字模型是一种静态模型，数字影子只能进行单向的数据传输。而数字孪生的数据传输是双向的，数字孪生不仅可以进行实时修整，同时可以将仿真优化的结果实时向物理实体进行反馈，是一种动态模型。因此，数字孪生的重点优势在于数据的双向传输，物理实体与数字孪生之间可以实现运行状态下的同步反映。将数字孪生应用于能源系统，可以提高系统运行的完全性、稳定性。

3 能源互联网数字孪生架构

本文根据实际运行环境下能源互联网的需求，结合能源系统运行的各个业务环节，以物联网为基础，利用传感器技术、人工智能技术等对物理实体进行建模和描述，构建能源互联网数字孪生整体架构。

3.1 物理感知

能源互联网数字孪生系统的建立，数据采集与感知是必要条件，而数据获得的途径就是物理感知。物理實体可以按照层级由下至上、由易到难、由小到大层层有序构建。可以将设备实体看作是能源互联网数字孪生架构中最基础的小单元，一个实体设备对应一个数字孪生体。将多个设备配置组合形成一个园区级子系统，负责园区能量的优化调度;再将多个园区进行协同互补，组合构建区域级子系统，负责各个不同园区之间能量的优化调度;将多个不同区域协同构建一个跨区级系统，负责对能源互联网整体系统的分析预测。这种层级式能量优化调度，既保证能源互联网孪生系统的有序性，又实现了大规模资源协同互联、优化配置。

3.2 传输交互

传输交互如同一条纽带，连接着各个环节之间的数据实时交互协同，实现高效连接。数据传输交互，承担着六种高效连接任务，即物理实体连接虚拟空间、物体实体连接智能实体、物理实体连接数据平台、数据平台连接虚拟空间、数据平台连接智能实体、虚拟空间连接智能实体。每个连接都是必要的，都在系统中发挥着重要的作用。

3.3 数据共享

数据共享就如同一个动力源泉，为模型提供持续的、强大的、有效的驱动力。数据来自于物理实体、智能实体、虚拟空间、知识数据、融合数据，不仅有静态数据，还包括动态数据。作为系统驱动力，数据共享就是利用传输交互的高效连接将数据共享，无论是智能实体还是虚拟空间都可以接收到数据信息来执行任务。不仅支持数据接入更兼具数据管理功能，同时对数据进行存储、计算和共享。

3.4 应用服务

应用服务是虚拟空间对物理实体的反馈，对物理实体提供在线应用服务。应用服务是以共享数据为基础，将虚拟空间演进的结果反馈给物理实体，实现实时的、动态的运行输出。能源互联网应用在能源电力系统，主要用于故障分析与诊断，深度学习引进数字技术，实现设备智能化运维，改善传统系统运维遇到的多种难题。

3.5 虚拟空间

虚拟空间是全模仿真形成的多维度虚拟化数字空间，模拟对象为物理实体和智能实体，以数字孪生体的形式将二者以镜像复制的形式映射出来，对真实世界进行模拟。虚拟空间不受时间与空间的限制，更不受实际环境的影响，既能够对系统运行的现状进行推演验证，又可以对未来的发展进行预测判断。不仅可以对已有故障进行分析和解决，同时可以预测未来可能发生的故障，做到提前预防，保证真实世界的系统运行稳定性和安全性。

3.6 安全防护

安全防护犹如一个保护伞，保障系统各个环节的安全。从设备接入到信息传输交互，从使用安全到应用服务安全，建立安全保障体系都是非常重要的。传统的安全防护架构难以满足能源互联网的安全需求，能源互联网数字孪生系统本着互联协同理念，基于物联网的基础，构建覆盖全部层级的全方面安全保障体系。

4 能源互联网数字孪生的典型应用

4.1 电力设备状态评价

电力设备系统规模大、信息源多、维护复杂度高、状态评价难度大，这些都是困扰电力系统运维多年的难点问题。能源互联网数字孪生利用多方物理设备采集的信息来建立起数字孪生体，在虚拟空间对真实设备的实际运行情况进行镜像复制。同时，将多源异构数据融合技术、图谱技术、故障诊断技术等多种技术结合起来对电力设备的实际运行状态进行评价。根据电力变压器激励和状态数据构建数字孪生体来对变压器状态进行评估并将诊断结果和建议向变压器实体进行反馈。

4.2 电网安全分析与自主调控

传统的仿真模型刻画的电网运行状态和过程与实际存在偏差，而且容易受到外界环境的干扰，准确度难以保证，同时无法与物理电网进行实时信息交互，难以实现同步。数字孪生的构建使得模型能够跟随场景变化的步伐，与其同步进行实时更新。实时、在线、动态、高保真是数字孪生的优势所在，能够对电网行为和状态精准描述，实现高效运维。数字孪生通过监测系统获得的各方面数据，利用深度学习对电网状态进行识别，在虚拟空间内构建镜像模拟开展在线分析和决策，再将优化决策向物理电网进行反馈，达到安全分析与自主调控的目的。

4.3 用户多元服务

数字孪生通过将内外多种数据的融合，研究与产品需求相匹配的智能模型，在对多能源流的特性解析的基础上进行动态分区，在虚拟空间对系统运行进行模拟推演，利用多能流分布资质和多主体协同的方法，实现能源的综合管理。多种能源之间不仅能够实现分布自治，而且与其他能源能互联协同，能够使上游和下游用户的多种需求都得到满足，实现多元化服务，提升用户满意度。

5 结语

面对能源互联网机理模糊不清、随机性强、复杂性高等难点问题，能源互联网数字孪生可以对实际环境进行感知并进行空间模拟，虚拟空间与实际空间能够实时交互，从而实现在线动态演变，进行动态化推演验证。能源互联网数字孪生在我国还处于初级研究阶段，还不具备大规模运行的能力，随着对能源互联网数字孪生研究的不断深入，必然会使其更具有应用和推广价值，实现能源互联网的高效运行，提高能源利用率。

参考文献

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