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综合能源系统中数字孪生关键技术及应用研究
来源: | 作者:南京惠派 | 发布时间: 2023-03-30 | 324 次浏览:590 | 分享到:

从整体城市范畴来看,数字孪生在电力、交通、市政等领域已经开展了一些初步尝试,但其从理论方法到技术实践的过渡还需要经历一定的发展历程,依赖于大量的研究工作,以解决相关技术方法、标准架构、接口规范等方面的诸多难题。因此,开展综合能源系统的数字孪生技术研究,不仅是能源领域前沿理论技术探索所面临的迫切需求,同时也是未来数字中国建设实践的必要基础,具有重要研究意义。


综合能源系统数字孪生构建关键技术


从技术角度看,综合能源系统数字孪生是感知、通信、计算、控制、人工智能等技术的体系化融合与创新,几乎与迄今为止所有的先进信息科技成果相关。本节聚焦于数字孪生核心功能的构建,围绕其关键技术进行阐述。


▲综合能源系统数字孪生关键技术


▋多物理–信息混杂系统的综合建模


面向多种能源形式与信息环节在产、配、用全过程中的耦合特征,构建综合能源系统多颗粒度系统模型,满足不同技术阶段与场景下的建模需求,是综合能源系统数字孪生的首要关键,具体包括以下内容:


1)复杂能量环节的耦合建模。从电力/热力/流体等过程的微观机理出发,构建满足多颗粒度分析需求的多能流融合模型架构,并充分计及各种能源转换装置带来的多物理动态耦合特征,形成综合能源系统物理能源动态的数字孪生综合建模框架;


2)信息–物理系统的关联建模。信息环节特性对综合能源系统感知、决策、控制等具有重要影响,基于事件驱动的离散化建模方法构造信息环节模型,并刻画其与物理能源的耦合交互特征,支撑数字孪生对真实系统行为的高保真度镜像;


3)物理–信息混杂模型的降阶化简。综合能源系统数字孪生模型呈现出明显的高维度、多尺度特征,需要在统一规则下科学地对不同子系统选取繁简相适、彼此配合的表达模型,通过空间投影变换、自适应模型化简等方式降低模型规模、数学复杂度和参数获取难度,确保数字孪生的灵活适用能力。


▋数据驱动的复杂环节特性认知


对综合能源系统中难以观测或基于机理分析计算的不可观环节,利用多源数据逆向重建其内部状态与复杂行为特征,具体包括以下几点:


1)多源异构数据的价值信息提取。通过对规划、运行、维护、实时量测等多阶段多源数据的融合利用,挖掘提取其中的有价值信息,降低数据规模与复杂度,建立面向不同研究对象的关联数据集,为数据驱动的特性认知提供基础;


2)数据驱动的多类型环节复杂特征认知。通过特性拟合、机器学习等数据驱动的建模手段,实现机理模型关键参数的有效辨识、不可观环节动态响应特征与行为模式的准确构建,从而支撑数字孪生的全息透明镜像与模拟等需求;


3)考虑量测信息的不可观环节模型动态优化。通过综合能源系统运行数据的动态注入与反馈,将历史数据和实时量测信息结合,通过多尺度数据同化实现数据驱动模型的滚动优化,不断提高不可观环节特性认知与模型构建的准确度。


▋多元异构模型的稳定求解


综合能源系统中多类型能源动态相互交织,耦合关系复杂,针对数字孪生混杂模型组分带来的求解复杂性,其关键在于构建兼容多种模型属性的一致性求解框架,具体包括以下方面:


1)混杂模型的接口与交互。由于各种能源环节的模型差异显著,需要基于模型组分数学特征,构建机理解析模型、数据驱动模型、量化/非量化模型等模型形式的异构接口以及数据交互机制;


2)混杂异构模型的多尺度协同求解。针对综合能源系统数字孪生的混杂异构模型特征,构建基于先进数学算法的高适应性求解方法框架,计及模型组分的多时间尺度和多颗粒度特征,在统一框架下实现不同模型组分的同步或异步求解;


3)虚–实系统的平行稳定求解。与现实系统平行求解是数字孪生的重要需求之一,而一些现实场景中的突发扰动可能使系统状态发生巨大变化,需要建立数字孪生在多场景下的求解算法与稳定性分析方法,并根据具体应用需求对模型接口与求解机制进行科学设计和充分优化。


▋融合现实量测的多场景应用与反馈


利用数字孪生的全息镜像能力和虚–实交互能力,为面向不同时空尺度的综合能源系统高透明度、高置信度分析应用提供支撑,并在此基础上实现数字孪生在全运行周期中的自我演化与自我完善,具体包括以下方面:


1)面向实时运行镜像的虚–实信息链接机制。以数字孪生与真实系统实时运行状态一致性为目标,建立数字孪生与真实量测的信息链接机制,基于历史数据与实时量测构建虚拟镜像边界约束,保证数字镜像状态与真实量测状态一致性;


2)考虑不确定性的运行轨迹的前瞻模拟。受综合能源系统多种不确定性因素影响,其数字孪生的前瞻模拟也将具有概率化特征。对此,通过将真实系统的实时运行状态信息融入数字孪生的前瞻预测当中,能够不断缩减信息不确定性区间,为数字孪生更加准确的前瞻模拟能力提供支撑;


3)基于运行数据反馈的数字孪生自我演化。真实系统运行信息是数字孪生自我演化与完善的重要依据。对此,需要以真实量测为基础,对数字孪生状态模拟偏离度进行动态校正,实现关键模型和参数的动态修正与自我演化,从而确保数字孪生在系统全生命周期中的虚–实一致性与适用性。


综合能源系统数字孪生技术应用


与传统的运行仿真、模拟与分析工具相比,数字孪生在技术功能和技术水平方面都有了进一步的提升,将给综合能源系统的规划、运行、控制、优化等技术应用带来新的发展。


▋基于数字孪生的综合能源系统规划设计


综合能源系统规划设计目的是在求取目标规划周期内能够满足负荷需求的最优系统配置与结构,是综合能源技术应用的首要环节,而数字孪生将给综合能源系统规划设计理念与实践带来新的内涵,如下图所示。


▲基于数字孪生的综合能源系统规划设计


数字孪生的模块化思想既体现为对综合能源系统的灵活配置能力,又体现为对其优化规划数学问题的模块化组合能力,这使基于数字孪生的系统规划设计更为简便。


特别是随着未来更加统一的数字孪生标准规范的建立,以及在制造业中的广泛应用,各种能源生产、转换、消费环节和装置的数字孪生可能在出厂阶段便已经建立,并作为一种附加产品功能或服务提供给用户。这将极大地提升综合能源系统作为一种复杂产品模块化组合的规划设计效率。


此外,通过数字孪生实现包括能源系统空间结构特征在内的全息镜像,能够支持规划设计方案和建设实施方案的一体化,即在规划设计阶段即考虑规划方案与能源管廊、建筑空间、城市布局等的匹配关系,使规划方案在现实环境中的可实现性、以及与城市整体建设方案的协调性能够作为规划设计的重要约束。进一步的将数字孪生技术与3D打印建筑等技术结合,实现综合能源站、配电房等基础设施的快速建设,将大大缩短从规划设计到建设运行的周期。


最后,数字孪生为规划方案的评价提供了更加拟实的测试环境。综合能源系统运行环节的源、荷不确定性将显著影响规划方案的实际性能。


数字孪生一方面能够提供更加完备的运行模拟能力,支持考虑与外部风、光资源与环境温度等各种真实要素的交互;同时还能够聚集相似系统在全生命周期中得到的运行经验,使规划方案的性能评价更加客观和准确,为贴近现实的最优规划决策奠定了基础。


▋基于数字孪生的故障预警与预测性维护


运行维护环节是影响综合能源系统运行成本、能效与可靠性的重要因素。在现阶段,对综合能源系统运行风险诊断能力仍有不足,特别是对城市地下电、气、热管线的状态监测更加困难,定期检查仍然是能源系统运维的主要方式,这意味着很难找到系统运维成本与安全可靠水平之间的最佳平衡,甚至可能导致严重故障损失。


数字孪生在运维阶段的应用体现在两个层面:


在设备层面,大量专用的传感量测数据可和设备历史运行数据等共同用于设备级数字孪生的构建,满足关键设备健康度评价等应用需求;


在系统层面,各关键设备的风险特征信息可在系统级数字孪生中融合,利用同类型设备故障特征数据、历史运维数据、能源系统量测数据等共同完成对系统风险状态的刻画,从而为更加完备的状态监测、故障预警与预测维护提供支撑。其应用价值与意义体现在3个方面:


▲综合能源系统故障预警与预测维护


第一,借助数字孪生提供的全息数字镜像与可视化能力,常规手段难以获取的复杂环节内部状态信息能够通过虚拟现实、增强现实等技术手段直观呈现给运维人员,这给综合能源系统的快速异常发现、故障检测与诊断提供了重要手段,现场人员可以基于数字孪生提供的信息快速定位故障点并实施修复;


第二,利用数字孪生的多源数据集成利用能力,可基于系统运行历史、发展态势、设备状态、同类型设备故障统计等信息进行综合研判,预测供能环节运行寿命和故障概率,支持更加精准的预测性维护;并为各种运维方案提供灵活高效的虚拟测试与评估环境;


第三,数字孪生可从系统层面描述个体装备状态对整体系统运行水平的影响,能够将装置级的能效、可靠性等数据融合为整体系统级运行性能指标,进而可从全局视角下确定系统运行的薄弱点和关键环节,根据各环节影响作用不同灵活确定运维周期和运行方案,对降低系统运维成本、提升运维效率有着重要意义。


▋基于数字孪生的综合能源协调控制与优化


当前,对综合能源系统的运行优化大多基于特定的稳态模型实现。然而,实际系统中多类型能源的生产、传输、转换与消费特征难以采用简单模型刻画,而是与系统运行环境、工况等因素密切相关,实现考虑不同装置真实状态的精细化运行调度对综合能源系统运行实践有着重要意义。


对此,利用数字孪生对真实系统实时状态的全景镜像与行为特征刻画能力,能够将各种能源的调度响应速度、转换效率、装备状态、管线阻塞、传输耗散等复杂因素都在数字空间中呈现,从而能够将更全面的信息纳入到优化调度问题中来,实现多种能源形式生产、传输、消费全过程的精细化调度与管控,有效提升优化策略的实用价值,如图所示。


▲基于数字孪生的综合能源系统运行优化



借助数字孪生的精细化虚-实交互能力,优化得到的运行控制策略能够通过数字空间到现实空间的关联映射快速部署至底层装备,反馈至数字空间中的状态数据又能够用于综合判断控制效果和修正控制策略,由此可实现各种供能装置协调的精细化闭环控制,提升系统整体调控水平。


▋基于数字孪生的能源–城市多领域协同


未来智慧城市将具备更高的信息化和数字化水平,从而在整体上形成数字孪生城市的概念。此时,综合能源系统数字孪生可以作为其中的关键组成部分,在支撑城市发展与高效运行中发挥重要作用,如图所示。



▲综合能源系统数字孪生支撑下的智慧城市


利用综合能源系统数字孪生的数据融合与利用能力,可形成城市发展的能源大数据基础,支撑各种高级数据分析应用。例如,通过数字孪生汇聚的电力、水力、热力、燃气等能源消费数据,并与城市人口、气象、地理等信息相结合,可用于研判城市经济发展态势,为城市规划建设提供更加丰富和准确的决策依据;利用数字孪生提供的用户侧模型与数据,能够刻画用户的生活与消费习惯,辅助形成新的城市管理与商业运营模式等。


能源安全是城市安全的重要内容。综合能源系统数字孪生的全景感知能力使其能够用于发现系统运行风险、判断故障位置,提升能源供应的安全性与可靠性。


而进一步通过综合能源系统数字孪生与城市管理系统的结合,一方面能够有效计及城市环境灾害对能源安全的影响,同时也能在城市遭受极端灾害时及时恢复关键负荷能源供应,更好地发挥城市管理与调度功能。


综合能源系统数字孪生可以作为关键模块嵌入到智慧城市当中,通过与其他城市领域的统一数据接口,支撑与不同领域的协调和互动,实现城市全局运行优化。


例如,随着电动汽车的普及,能源网与交通网将通过大规模的电动汽车紧密耦合在一起。交通系统将通过影响电动汽车充电需求分布,进而影响电力系统;反之,电力系统将通过影响充电站的服务能力和价格,影响电动汽车的出行行为,继而影响交通系统。


未来智慧城市中,综合能源系统数字孪生能够进一步与先进控制和人工智能等技术结合,使其能够基于对城市交通状态等信息的理解形成自身优化运行策略,并利用虚–实闭环实现能流和价格的实时调度控制,从而实现能源与城市各领域的有效互动。


图文来源:

IESPlaza数字能源网(公众号)