面向智慧能源系統(tǒng)的數(shù)字孿生技術(shù)及其應(yīng)用

一

前言

全球能源行業(yè)順應(yīng)數(shù)字化時(shí)代不斷發(fā)展，我國(guó)電力體制改革深入推進(jìn)，在這一背景下加快能源轉(zhuǎn)型已成為行業(yè)共識(shí)。但能源行業(yè)存在著體制、技術(shù)與市場(chǎng)壁壘，使得能源轉(zhuǎn)型面臨挑戰(zhàn)。國(guó)家能源局提出智慧能源戰(zhàn)略，建設(shè)互聯(lián)互通、透明開(kāi)放、互惠共享的能源共享平臺(tái)，以期解決能源行業(yè)普遍存在的壁壘問(wèn)題。數(shù)字孿生技術(shù)可在物理世界和數(shù)字世界之間建立精準(zhǔn)的聯(lián)系，有助于解決智慧能源發(fā)展所面臨的技術(shù)難題，支持從多角度對(duì)能源互連網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行精確仿真和控制。然而，數(shù)字孿生技術(shù)在智慧能源行業(yè)的定義和應(yīng)用架構(gòu)仍有待深入研究，對(duì)于能源系統(tǒng)的數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用試驗(yàn)也僅處于初步的驗(yàn)證探索階段，涉及能源系統(tǒng)變電設(shè)備、電力傳輸網(wǎng)和熱電廠的數(shù)字孿生模型研究。本文以面向智慧能源系統(tǒng)的數(shù)字孿生技術(shù)為研究對(duì)象，重點(diǎn)梳理智慧能源領(lǐng)域?qū)?shù)字孿生技術(shù)的需求和國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及趨勢(shì)，探究數(shù)字孿生技術(shù)在智慧能源系統(tǒng)中的定義和通用架構(gòu)，據(jù)此分析面向智慧能源系統(tǒng)的數(shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù)和生態(tài)構(gòu)建。在此基礎(chǔ)上開(kāi)展數(shù)字孿生技術(shù)在智慧能源行業(yè)的部署和應(yīng)用案例研究，進(jìn)而展望數(shù)字孿生技術(shù)在智慧能源行業(yè)的發(fā)展方向和應(yīng)用趨勢(shì)。二面向智慧能源系統(tǒng)的數(shù)字孿生技術(shù)需求分析（一）宏觀需求分析2019年11月，《中共中央關(guān)于堅(jiān)持和完善中國(guó)特色社會(huì)主義制度推進(jìn)國(guó)家治理體系和治理能力現(xiàn)代化若干重大問(wèn)題的決定》要求，推進(jìn)能源革命，構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系?！丁笆濉眹?guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》提出，培育基于智慧能源的新業(yè)務(wù)、新業(yè)態(tài)，建設(shè)新型能源消費(fèi)生態(tài)與產(chǎn)業(yè)體系。我國(guó)能源產(chǎn)業(yè)生態(tài)正在發(fā)生深刻變革。目前新型冠狀病毒肺炎疫情給我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和能源行業(yè)帶來(lái)了沖擊，煤炭、天然氣、電力、新能源等行業(yè)均遭受到一定程度的影響。這并不能改變我國(guó)能源體系實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型的目標(biāo)，能源生產(chǎn)和利用方式的根本性改變亟需以新一代數(shù)字化技術(shù)為關(guān)鍵支撐。（二）技術(shù)需求分析我國(guó)能源供應(yīng)朝著分散生產(chǎn)和網(wǎng)絡(luò)共享的方向轉(zhuǎn)變，但能源行業(yè)仍普遍存在體制、技術(shù)和市場(chǎng)壁壘，能源供應(yīng)側(cè)、傳輸側(cè)和消費(fèi)側(cè)都存在大量信息不透明、不共享的問(wèn)題。國(guó)家能源局提出的“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源戰(zhàn)略，將借助現(xiàn)代信息技術(shù)提供互聯(lián)互通、透明開(kāi)放、互惠共享的信息網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，打破現(xiàn)有能源“產(chǎn)、輸、配、用”之間的不對(duì)稱信息格局，推進(jìn)能源生產(chǎn)與消費(fèi)模式革命，重構(gòu)能源行業(yè)生態(tài)。該戰(zhàn)略的落地實(shí)施要求能源系統(tǒng)實(shí)施數(shù)字化深度轉(zhuǎn)型，運(yùn)用新的技術(shù)手段助力數(shù)字化轉(zhuǎn)型成為亟需。云計(jì)算、人工智能（AI）、大數(shù)據(jù)、數(shù)字孿生等新興熱點(diǎn)技術(shù)，為能源行業(yè)的創(chuàng)新與變革帶來(lái)了新發(fā)展動(dòng)力，為加速能源系統(tǒng)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供了技術(shù)支撐。構(gòu)建智慧能源生態(tài)系統(tǒng)是我國(guó)能源行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，而融合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、通信技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)、高性能計(jì)算技術(shù)和先進(jìn)仿真分析技術(shù)的數(shù)字孿生技術(shù)體系，成為解決當(dāng)前智慧能源發(fā)展面臨問(wèn)題的關(guān)鍵抓手。在現(xiàn)有能源系統(tǒng)的建模仿真和在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上，數(shù)字孿生技術(shù)體系進(jìn)一步涵蓋狀態(tài)感知、邊緣計(jì)算、智能互聯(lián)、協(xié)議適配、智能分析等技術(shù)，為智慧能源系統(tǒng)提供更加豐富和真實(shí)的模型，從而全面服務(wù)于系統(tǒng)的運(yùn)行和控制。三面向智慧能源系統(tǒng)的數(shù)字孿生技術(shù)研究現(xiàn)狀與趨勢(shì)近年來(lái)，國(guó)外對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)的理論層面和應(yīng)用層面研究均取得了快速發(fā)展。美國(guó)通用電氣公司（GE）和辛辛那提大學(xué)應(yīng)用涵蓋從設(shè)計(jì)到維護(hù)全過(guò)程的數(shù)字化來(lái)優(yōu)化產(chǎn)品生產(chǎn)，但尚未實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生的統(tǒng)一建模技術(shù)。美國(guó)ANSYS公司提出ANSYSTwinBuilder技術(shù)方案，創(chuàng)建數(shù)字孿生并可快速連接至工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，用于改善產(chǎn)品性能、降低意外停機(jī)風(fēng)險(xiǎn)、優(yōu)化下一代產(chǎn)品。文獻(xiàn)提出了數(shù)字孿生參考模型，在概念層面實(shí)現(xiàn)了對(duì)產(chǎn)品生命周期的全面描述。文獻(xiàn)提出了一種多模式數(shù)據(jù)采集方法，將生產(chǎn)系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫(kù)耦合，為數(shù)字孿生提供了狀態(tài)感知與分析的基礎(chǔ)能力。與國(guó)外的快速發(fā)展勢(shì)頭相比，國(guó)內(nèi)在數(shù)字孿生技術(shù)方面的研究仍處于萌芽階段。文獻(xiàn)提出了一種描述復(fù)雜產(chǎn)品的數(shù)字孿生設(shè)計(jì)框架，探索了開(kāi)發(fā)過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)。文獻(xiàn)提出了數(shù)字孿生五維模型概念，展望了該模型在10個(gè)不同領(lǐng)域中的應(yīng)用前景。文獻(xiàn)多角度分析了大數(shù)據(jù)和數(shù)字孿生技術(shù)之間的異同以及如何促進(jìn)實(shí)現(xiàn)智能制造。文獻(xiàn)總結(jié)了信息物理系統(tǒng)中數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)，描繪了數(shù)字孿生技術(shù)在產(chǎn)品全生命周期的實(shí)現(xiàn)途徑。數(shù)字孿生技術(shù)在各領(lǐng)域的應(yīng)用迅速發(fā)展，而無(wú)論國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，有關(guān)數(shù)字孿生技術(shù)在能源行業(yè)的應(yīng)用大都處于探索驗(yàn)證階段。法國(guó)達(dá)索公司致力于電氣設(shè)備的數(shù)字孿生仿真建模研究，搭建了用戶和設(shè)計(jì)師之間的交互平臺(tái)。上海交通大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)建立了數(shù)字孿生電網(wǎng)的潮流模型，驗(yàn)證了數(shù)字孿生電網(wǎng)的技術(shù)可行性。安世亞太數(shù)字孿生體實(shí)驗(yàn)室基于Flownex設(shè)計(jì)軟件建立了數(shù)字孿生熱電廠模型，為熱電廠的工程設(shè)計(jì)和維護(hù)提供了技術(shù)參考。清華大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)利用數(shù)字孿生CloudIEPS平臺(tái)，建立了數(shù)字孿生綜合能源系統(tǒng)模型，達(dá)到降低了能源系統(tǒng)運(yùn)行成本的目標(biāo)。一般認(rèn)為，數(shù)字孿生技術(shù)特別適用于資產(chǎn)密集型且可靠性需求高的復(fù)雜系統(tǒng)。該技術(shù)已逐漸應(yīng)用到諸多工業(yè)領(lǐng)域，又以制造業(yè)領(lǐng)域?yàn)榈湫?。智慧能源系統(tǒng)是融合多能源的綜合復(fù)雜系統(tǒng)，與數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用方向高度契合。然而，當(dāng)前數(shù)字孿生技術(shù)在智慧能源領(lǐng)域應(yīng)用發(fā)展比較零散，沒(méi)有建立數(shù)字孿生技術(shù)在智慧能源領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)施框架。四面向智慧能源系統(tǒng)的數(shù)字孿生定義和架構(gòu)（一）面向智慧能源系統(tǒng)的數(shù)字孿生技術(shù)定義數(shù)字孿生技術(shù)早期被運(yùn)用在國(guó)防軍工及航空航天領(lǐng)域，其基本理念是由Grieves教授2003年在產(chǎn)品生命周期管理課程上提出。對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)概念給出定義，則要追溯到2009年美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）提出的飛機(jī)機(jī)身數(shù)字孿生定義。2009—2019年科研機(jī)構(gòu)對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)所給出的定義見(jiàn)表1。表1

數(shù)字孿生定義的比較

注：IBM為國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司。綜合各類定義描述，本文面向智慧能源工程應(yīng)用，概括數(shù)字孿生的定義如下：數(shù)字孿生技術(shù)充分利用精細(xì)化物理模型、智能傳感器數(shù)據(jù)、運(yùn)維歷史等數(shù)據(jù)，集成電、磁、熱、流體等多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過(guò)程，在虛擬空間中完成對(duì)智慧能源系統(tǒng)的映射；數(shù)字孿生實(shí)例反映對(duì)應(yīng)智能設(shè)備的全生命周期過(guò)程，能夠?qū)崟r(shí)更新與動(dòng)態(tài)演化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)智慧能源系統(tǒng)的真實(shí)映射。（二）面向智慧能源系統(tǒng)的數(shù)字孿生架構(gòu)及特點(diǎn)結(jié)合數(shù)字孿生的通用架構(gòu)，本文給出了數(shù)字孿生在智慧能源系統(tǒng)中的架構(gòu)，針對(duì)智慧能源系統(tǒng)的特點(diǎn)該架構(gòu)分為五部分（見(jiàn)圖1）：物理層、數(shù)據(jù)層、機(jī)理層、表現(xiàn)層和交互層。數(shù)據(jù)層首先從物理層中收集大量數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行預(yù)處理并傳輸；機(jī)理層從數(shù)據(jù)層接收多尺度數(shù)據(jù)（包括歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)），通過(guò)“數(shù)據(jù)鏈”輸入仿真模型后進(jìn)行數(shù)據(jù)整合和模擬運(yùn)算；表現(xiàn)層獲得機(jī)理層仿真的結(jié)果，以“沉浸式”方式展現(xiàn)給用戶；交互層可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的人機(jī)交互，交互指令可以反饋至物理層對(duì)物理設(shè)備進(jìn)行控制，也可以作用于機(jī)理層實(shí)現(xiàn)仿真模型的更新和迭代生長(zhǎng)。相應(yīng)層次的特點(diǎn)具體闡述如下。圖1面向智慧能源系統(tǒng)的數(shù)字孿生架構(gòu)1.物理層常規(guī)的能源系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，首先在能源設(shè)備上安裝傳感器，然后由數(shù)據(jù)采集軟件匯總，但分散的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)交互困難。物理層基于能源物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，在各智能設(shè)備中應(yīng)用先進(jìn)傳感器技術(shù)收集系統(tǒng)運(yùn)行的多模異構(gòu)數(shù)據(jù)，集成了物理感知數(shù)據(jù)、模型生成數(shù)據(jù)、虛實(shí)融合數(shù)據(jù)等海量數(shù)據(jù)；支持跨接口、跨協(xié)議、跨平臺(tái)交互，可實(shí)現(xiàn)能源系統(tǒng)中各子系統(tǒng)的互聯(lián)互通。2.數(shù)據(jù)層常規(guī)的能源系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)只關(guān)注傳感器本身數(shù)據(jù)，而數(shù)字孿生更關(guān)注貫穿智能設(shè)備全生命周期的多維度相關(guān)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)層在各智能設(shè)備本地側(cè)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)清洗和規(guī)范化，采用高速率、大容量、低延遲的通信線路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；同時(shí)依托云計(jì)算和數(shù)據(jù)中心，動(dòng)態(tài)地滿足各種計(jì)算、存儲(chǔ)與運(yùn)行需求。3.機(jī)理層數(shù)字孿生所構(gòu)建的智慧能源系統(tǒng)仿真模型使用了“模型驅(qū)動(dòng)+數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)”的混合建模技術(shù)，采用基于模型的系統(tǒng)工程建模方法學(xué)，以“數(shù)據(jù)鏈”為主線，結(jié)合AI技術(shù)對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行迭代更新和優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)真實(shí)的虛擬映射。這一模型對(duì)智能設(shè)備的選型、設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造都有指導(dǎo)價(jià)值，而不僅限于根據(jù)數(shù)據(jù)變化來(lái)決定能源設(shè)備是否需要檢修或更換。4.表現(xiàn)層數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）以及混合現(xiàn)實(shí)（MR）的3R技術(shù)，建立可視化程度極高的智慧能源系統(tǒng)虛擬模型，提升了可視化展示效果。利用計(jì)算機(jī)生成視、聽(tīng)、嗅等感官信號(hào)，將現(xiàn)實(shí)與虛擬的信息融為一體，增強(qiáng)用戶在虛擬世界中的體驗(yàn)感和參與感，輔助技術(shù)人員更為直觀、高效地洞悉智能設(shè)備蘊(yùn)含的信息和聯(lián)系。5.交互層基于數(shù)字孿生的智慧能源系統(tǒng)虛擬模型不再僅僅是傳統(tǒng)的平面式展示或簡(jiǎn)單三維展示，而是實(shí)現(xiàn)用戶與模型之間的實(shí)時(shí)深度交互。利用語(yǔ)音、姿態(tài)、視覺(jué)追蹤等技術(shù)，建立用戶與智能設(shè)備之間的通道，實(shí)現(xiàn)多通道交互體系來(lái)進(jìn)行精準(zhǔn)交互，以支持對(duì)電力網(wǎng)、燃?xì)饩W(wǎng)、熱力網(wǎng)、交通網(wǎng)、供水網(wǎng)等多能耦合的能源系統(tǒng)的高效精準(zhǔn)控制和交互。整體來(lái)看，數(shù)字孿生既不是對(duì)物理系統(tǒng)進(jìn)行單純的數(shù)值模擬仿真，也不是進(jìn)行常規(guī)的狀態(tài)感知，更不是僅僅進(jìn)行簡(jiǎn)單的AI、機(jī)器學(xué)習(xí)等數(shù)據(jù)分析，而是將這三方面的技術(shù)都有機(jī)整合于其中。數(shù)字孿生對(duì)能源系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字化建模，并在數(shù)字空間與物理空間實(shí)現(xiàn)信息交互；首先應(yīng)用完整信息和明確機(jī)理預(yù)測(cè)未來(lái)，再發(fā)展到基于不完全信息和不確定性機(jī)理推測(cè)未來(lái)，最終實(shí)現(xiàn)能源系統(tǒng)的數(shù)字孿生體之間共享智慧、共同進(jìn)化的孿生共智狀態(tài)。五面向智慧能源系統(tǒng)的數(shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù)（一）云端–邊緣端協(xié)同的數(shù)字孿生服務(wù)平臺(tái)智慧能源系統(tǒng)包含了眾多領(lǐng)域的物理設(shè)備，數(shù)據(jù)采集向多樣化發(fā)展，且數(shù)據(jù)量呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。常規(guī)的數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)已無(wú)法滿足對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速準(zhǔn)確處理的要求，亟需構(gòu)建云端–邊緣端協(xié)同的數(shù)字孿生服務(wù)平臺(tái)。邊緣端需要利用智能設(shè)備進(jìn)行一部分本地計(jì)算，云端則要求將各設(shè)備的數(shù)據(jù)整合后進(jìn)行運(yùn)算。通過(guò)建立“數(shù)據(jù)鏈”、通用算法庫(kù)和模型庫(kù)，實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)分析任務(wù)的高效協(xié)同分工，從而為數(shù)字孿生的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。1.智慧能源系統(tǒng)的“數(shù)據(jù)鏈”設(shè)計(jì)智慧能源系統(tǒng)各個(gè)設(shè)備組件的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、制造工藝、性能參數(shù)、運(yùn)行參數(shù)等，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行服務(wù)均會(huì)產(chǎn)生影響?；跀?shù)據(jù)采集、傳輸、分析和輸出的全過(guò)程“數(shù)據(jù)鏈”設(shè)計(jì)，需要挖掘“數(shù)據(jù)鏈”與全生命周期過(guò)程的映射關(guān)系，通過(guò)研究“數(shù)據(jù)鏈”與設(shè)計(jì)云、生產(chǎn)云、知識(shí)云、檢測(cè)云、服務(wù)云中的實(shí)體與虛體關(guān)聯(lián)關(guān)系，利用數(shù)據(jù)庫(kù)和機(jī)器學(xué)習(xí)智能算法，形成全生命周期“數(shù)據(jù)鏈”的描述與設(shè)計(jì)方法。圖2給出了“數(shù)據(jù)鏈”中設(shè)備數(shù)據(jù)的采集、傳輸和分析的過(guò)程，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的縱向貫通和知識(shí)的閉環(huán)精準(zhǔn)交互。圖2“數(shù)據(jù)鏈”中設(shè)備數(shù)據(jù)的采集、傳輸和分析

注：Zigbee代表紫蜂協(xié)議；SQL代表結(jié)構(gòu)化查詢語(yǔ)言。2.云端和邊緣端服務(wù)的通用智能算法庫(kù)建立精確、可動(dòng)態(tài)拓展的云端和邊緣端服務(wù)的智能算法庫(kù)，以加快智慧能源系統(tǒng)分布式計(jì)算的速度，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲(chǔ)等計(jì)算機(jī)資源的高效利用。該算法庫(kù)是一個(gè)體系合理、測(cè)試完整且驗(yàn)證充分的智慧能源系統(tǒng)通用智能算法庫(kù)，包括數(shù)據(jù)清洗算法子庫(kù)、性能退化特征提取算法子庫(kù)和狀態(tài)趨勢(shì)預(yù)測(cè)算法子庫(kù)等。尤為核心的是，基于邊緣端–云端協(xié)同體系的專業(yè)算法應(yīng)用部署，可實(shí)現(xiàn)專業(yè)算法的實(shí)例化驗(yàn)證和迭代生長(zhǎng)。3.智慧能源系統(tǒng)設(shè)備的通用精細(xì)化模型庫(kù)智慧能源系統(tǒng)設(shè)備的精細(xì)化模型庫(kù)將有助于實(shí)現(xiàn)對(duì)模型的精細(xì)化和個(gè)性化建模。構(gòu)建云端–邊緣端的數(shù)據(jù)交互機(jī)制，為數(shù)字孿生模型提供所要求的數(shù)據(jù)及交互接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的縱向貫通。研究云端和邊緣端多維數(shù)據(jù)約簡(jiǎn)合并技術(shù)，設(shè)計(jì)復(fù)雜事件處理引擎，開(kāi)發(fā)能源系統(tǒng)模型庫(kù)，實(shí)現(xiàn)服務(wù)的橫向融合。（二）智慧能源系統(tǒng)的高效仿真與混合建模技術(shù)智慧能源系統(tǒng)由機(jī)械、電氣和信息等多系統(tǒng)組成，需要從多物理場(chǎng)和多尺度的角度進(jìn)行全面、綜合、真實(shí)地建模和仿真。通過(guò)虛實(shí)信息的傳遞并加載到數(shù)字孿生模型上，構(gòu)建“模型驅(qū)動(dòng)+數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)”的混合驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行高逼近仿真，在虛擬環(huán)境中實(shí)現(xiàn)能源系統(tǒng)復(fù)雜工況下部件級(jí)及系統(tǒng)級(jí)性能的預(yù)測(cè)與分析。1.基于多物理場(chǎng)和多尺度的建模與仿真技術(shù)鑒于智慧能源系統(tǒng)的復(fù)雜性，技術(shù)人員不能只考慮單個(gè)物理場(chǎng)效應(yīng)或一維尺度數(shù)據(jù)，不能忽略多物理場(chǎng)和多尺度之間的耦合關(guān)系。應(yīng)用有限元仿真軟件構(gòu)建包括電、熱、磁、力在內(nèi)的多物理場(chǎng)和體現(xiàn)歷史、實(shí)時(shí)和未來(lái)效應(yīng)的多尺度的仿真模型，支持技術(shù)人員從不同的角度對(duì)智慧能源系統(tǒng)的仿真模型進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)。2.基于“模型驅(qū)動(dòng)+數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)”的建模技術(shù)智慧能源系統(tǒng)的不確定性和復(fù)雜化現(xiàn)象突出，而現(xiàn)有狀態(tài)分析一般采用事先建立的簡(jiǎn)化機(jī)理模型，在實(shí)際應(yīng)用中引入簡(jiǎn)化的約束，由此導(dǎo)致在復(fù)雜環(huán)境下無(wú)法獲得滿足性能要求的模型。常規(guī)的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法不能描述客觀物理規(guī)律約束，故單獨(dú)運(yùn)用模型驅(qū)動(dòng)或數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法均不能滿足能源系統(tǒng)的智能化和時(shí)效性需求?；凇澳Ｐ万?qū)動(dòng)+數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)”的混合建模技術(shù)，通過(guò)類別均衡算法、策略網(wǎng)絡(luò)和價(jià)值網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)，克服原始數(shù)據(jù)類別不均衡和缺失的問(wèn)題。基于代價(jià)敏感學(xué)習(xí)和機(jī)器學(xué)習(xí)的反演和參數(shù)識(shí)別方法，克服機(jī)理模型難以建模且忽略部分特征的缺點(diǎn)。運(yùn)用混合建模技術(shù)的集成學(xué)習(xí)算法，提高系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)方法的泛化能力。（三）數(shù)字孿生技術(shù)的信息安全防御機(jī)制智慧能源系統(tǒng)是一個(gè)由信息網(wǎng)絡(luò)連接各子系統(tǒng)的復(fù)雜系統(tǒng)，具有高度網(wǎng)絡(luò)依賴性。信息交流的可靠與否決定了系統(tǒng)能否正常運(yùn)行，任何設(shè)備的安全問(wèn)題都可能引發(fā)系統(tǒng)數(shù)據(jù)泄露。針對(duì)智慧能源系統(tǒng)面臨的惡意解析和篡改風(fēng)險(xiǎn)，需要研究網(wǎng)絡(luò)攻擊檢測(cè)與防御技術(shù)，增強(qiáng)智慧能源系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。1.基于底層分類模塊的多模型檢測(cè)技術(shù)基于智慧能源系統(tǒng)終端傳輸?shù)亩嘣磦鞲行畔ⅲ嵘鼳I算法對(duì)量測(cè)信息攻擊行為特征的挖掘能力，并強(qiáng)化模型的泛化能力。針對(duì)多種分類模型的底層增量式分類器庫(kù)，構(gòu)建分類結(jié)果集成輸出模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)完整性攻擊的精準(zhǔn)檢測(cè)。2.構(gòu)建與數(shù)據(jù)完整性攻擊相關(guān)的特征屬性集挖掘面向智慧能源系統(tǒng)的數(shù)字孿生模型及參數(shù)時(shí)空耦合物理特征，針對(duì)智能終端傳輸?shù)陌嘣串悩?gòu)信息的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，研發(fā)基于AI的特征提取算法，動(dòng)態(tài)優(yōu)化選取與數(shù)據(jù)完整性攻擊相關(guān)的最優(yōu)特征屬性集，進(jìn)而提取其深層次模型特征。3.建立安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估準(zhǔn)入機(jī)制基于AI、統(tǒng)計(jì)學(xué)和信息論的方法，建立安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估準(zhǔn)入機(jī)制。對(duì)接入智慧能源系統(tǒng)的各子系統(tǒng)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，對(duì)各子系統(tǒng)的信息安全進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)量化。當(dāng)子系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)數(shù)值高于某個(gè)設(shè)定的閾值時(shí)，限制該子系統(tǒng)的準(zhǔn)入，從而實(shí)現(xiàn)基于安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的訪問(wèn)控制。（四）“沉浸式”智慧能源系統(tǒng)可視化和交互技術(shù)有別于常規(guī)數(shù)學(xué)仿真模型，數(shù)字孿生模型強(qiáng)調(diào)虛實(shí)之間的交互，能實(shí)時(shí)更新與動(dòng)態(tài)演化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物理世界的動(dòng)態(tài)真實(shí)映射?！俺两健笨梢暬夹g(shù)，可以幫助用戶更清晰、更透徹、更豐富地認(rèn)識(shí)世界，分為算法可視化和模型可視化。1.智慧能源系統(tǒng)算法應(yīng)用結(jié)果的可視化技術(shù)數(shù)據(jù)孿生模型的可視化技術(shù)既包括典型的可視化技術(shù)，如圖形化展示、查詢、參數(shù)更新接口等，也包括圖形化展示組件屬性數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)、預(yù)測(cè)與評(píng)估數(shù)據(jù)。通過(guò)組件屬性和組件間關(guān)聯(lián)的圖形界面與組件模型接口進(jìn)行可視化和交互。2.基于3R技術(shù)的人機(jī)交互技術(shù)常規(guī)仿真模型的展現(xiàn)方式偏向于平面式的展示，局限于通過(guò)大量的圖表來(lái)向用戶展現(xiàn)物理實(shí)體的狀態(tài)。基于3R交互技術(shù)，運(yùn)用可視化展示組件，可模擬三維虛擬空間，將智慧能源系統(tǒng)中的物理設(shè)備以近乎真實(shí)的狀態(tài)展現(xiàn)在用戶面前。通過(guò)對(duì)虛擬體的操作與控制，間接實(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)體、信息網(wǎng)絡(luò)、仿真模型的操作與控制，極大擴(kuò)展用戶的感官體驗(yàn)，獲得系統(tǒng)運(yùn)行的真實(shí)反饋。（五）可擴(kuò)展數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用新模式數(shù)字孿生交互技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，提升了人機(jī)之間的交互能力。該技術(shù)可以結(jié)合虛擬體的仿真結(jié)果，為物理實(shí)體增加或擴(kuò)展新的能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)端和運(yùn)維端的反饋與控制，最終完成對(duì)設(shè)備物理實(shí)體和虛擬仿真體的精確描述與行為預(yù)測(cè)；在此基礎(chǔ)上可以提供一系列數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用新模式。1.基于數(shù)字孿生的智慧能源系統(tǒng)運(yùn)維新模式在可擴(kuò)展的“虛實(shí)同步”智慧能源系統(tǒng)運(yùn)維服務(wù)平臺(tái)基礎(chǔ)上，梳理典型智慧能源系統(tǒng)全生命周期運(yùn)維需求；針對(duì)個(gè)性化需求，研發(fā)定制化運(yùn)維服務(wù)的移動(dòng)應(yīng)用程序（APP），形成多種遠(yuǎn)程運(yùn)維新模式。例如，針對(duì)智慧能源系統(tǒng)中的新產(chǎn)品研發(fā)周期長(zhǎng)、試驗(yàn)費(fèi)用高的問(wèn)題，研發(fā)遠(yuǎn)程虛擬仿真試驗(yàn)技術(shù)，探索試驗(yàn)檢測(cè)服務(wù)新模式。2.面向智慧能源系統(tǒng)應(yīng)用的APP智慧能源系統(tǒng)具有多領(lǐng)域、多層次、多單元的多維異構(gòu)特點(diǎn)，深度交互式的APP應(yīng)用能提高智慧能源系統(tǒng)設(shè)備的管理和優(yōu)化控制能力。3.智慧能源系統(tǒng)設(shè)備管理APP智慧能源系統(tǒng)設(shè)備管理APP包括設(shè)備設(shè)置、地圖、數(shù)據(jù)管理、維保管理等模塊，具有設(shè)備的注冊(cè)、參數(shù)配置，設(shè)備定位、設(shè)備狀態(tài)展示，設(shè)備歷史數(shù)據(jù)查詢、警報(bào)查詢，設(shè)備維保歷史記錄、維保單分派、服務(wù)質(zhì)量管理，系統(tǒng)報(bào)警設(shè)定、系統(tǒng)日志等功能，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備的全生命周期管理。4.智慧能源系統(tǒng)設(shè)備優(yōu)化控制APP設(shè)備優(yōu)化控制APP包括設(shè)備數(shù)據(jù)源模塊、設(shè)備資產(chǎn)分析模塊、狀態(tài)檢修智能輔助決策模塊、設(shè)備狀態(tài)評(píng)估模塊和控制指令下發(fā)模塊。APP根據(jù)能源設(shè)備的負(fù)荷情況進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，實(shí)現(xiàn)智能增效，提高設(shè)備利用率和系統(tǒng)穩(wěn)定性；同時(shí)以能源設(shè)備為對(duì)象，使用集群管理來(lái)提供壽命健康預(yù)測(cè)、故障預(yù)測(cè)和診斷等增值服務(wù)。六智慧能源系統(tǒng)的數(shù)字孿生生態(tài)構(gòu)建面向智慧能源系統(tǒng)的數(shù)字孿生技術(shù)貫穿于能源生產(chǎn)、傳輸、存儲(chǔ)、消費(fèi)、交易等環(huán)節(jié)，有助于打破能源行業(yè)的時(shí)間和空間限制，促進(jìn)各種業(yè)務(wù)的全方位整合與統(tǒng)一調(diào)度管理；橫向聯(lián)合能源行業(yè)參與主體之間的業(yè)務(wù)，提高能源利用效率。梳理形成智慧能源行業(yè)的數(shù)字孿生技術(shù)生態(tài)圈（見(jiàn)圖3），按照能源系統(tǒng)的全生命周期過(guò)程將之劃分為六部分：能源生產(chǎn)、能源傳輸、能源分配、能源消費(fèi)、能源存儲(chǔ)和能源市場(chǎng)。隨著各部分之間交互的不斷加深，逐步實(shí)現(xiàn)基于數(shù)字孿生技術(shù)的智慧能源行業(yè)可持續(xù)發(fā)展。針對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用，對(duì)智慧能源行業(yè)的6個(gè)參與主體概括闡述如下。圖3智慧能源行業(yè)的數(shù)字孿生技術(shù)生態(tài)圈（一）能源生產(chǎn)借助云端–邊緣端協(xié)同的數(shù)字孿生服務(wù)平臺(tái)，能實(shí)現(xiàn)能源生產(chǎn)高效轉(zhuǎn)換。通過(guò)建立虛實(shí)映射的仿真模型，實(shí)時(shí)對(duì)能源生產(chǎn)機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行環(huán)境等進(jìn)行監(jiān)控和模擬仿真運(yùn)行，及時(shí)制定各能源生產(chǎn)機(jī)組的最優(yōu)運(yùn)行策略；同時(shí)應(yīng)用運(yùn)行數(shù)據(jù)中提取的特征來(lái)優(yōu)化設(shè)備生產(chǎn)設(shè)計(jì)方案，包括數(shù)字孿生風(fēng)機(jī)、多物理場(chǎng)光伏模型和數(shù)字化電廠等。（二）能源傳輸由于能源空間分布失衡，我國(guó)部分區(qū)域能源資源匱乏，需要依賴能源傳輸以保障能源安全。數(shù)字孿生技術(shù)可以提升能源傳輸過(guò)程中的控制和優(yōu)化能力。應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)，對(duì)直流輸電網(wǎng)中的柔直模塊化多電平換流器進(jìn)行數(shù)字孿生建模，以實(shí)現(xiàn)對(duì)能源傳輸?shù)膬?yōu)化和升級(jí)。針對(duì)用于電能傳輸?shù)碾娎|等設(shè)備，應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行虛實(shí)映射的數(shù)字化建模，指導(dǎo)電纜設(shè)備的全生命周期設(shè)計(jì)，以提高設(shè)備的運(yùn)行性能和增長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。數(shù)字孿生電網(wǎng)在虛擬實(shí)體中可以實(shí)現(xiàn)多物理場(chǎng)和多尺度的仿真，使管理人員更真實(shí)地了解輸電設(shè)備的運(yùn)行狀況和各節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷狀況，通過(guò)大數(shù)據(jù)和智能算法實(shí)時(shí)監(jiān)控電網(wǎng)并及時(shí)對(duì)電網(wǎng)可能出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行預(yù)警。（三）能源分配能源路由器的研發(fā)尚處于起步階段，運(yùn)用數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)能源路由器建立虛擬模型并進(jìn)行大數(shù)據(jù)模擬分析，進(jìn)而指導(dǎo)設(shè)備的生產(chǎn)設(shè)計(jì)，大大縮短設(shè)備的研發(fā)周期。針對(duì)能源分配環(huán)節(jié)存在的大量變電設(shè)備，采用數(shù)字孿生技術(shù)將變電站設(shè)備實(shí)例化，在智能機(jī)器人與智能安全監(jiān)測(cè)設(shè)備的輔助下，實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)與物理設(shè)備的關(guān)聯(lián)映射，在可視化平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)展現(xiàn)，形成數(shù)字孿生變電站，提升能源分配的經(jīng)濟(jì)性和安全性。（四）能源消費(fèi)數(shù)字孿生由虛到實(shí)的理念，將助力設(shè)計(jì)師突破傳統(tǒng)的制造工藝限制來(lái)實(shí)現(xiàn)全新設(shè)計(jì)，如建立新能源汽車的數(shù)字孿生模型，形成數(shù)字孿生映射，對(duì)新能源汽車的設(shè)計(jì)模型進(jìn)行更新以完善其性能。智能樓宇作為智慧能源系統(tǒng)中的重要部分之一，是典型的產(chǎn)銷者。數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)智能樓宇中的智慧家具、供冷供熱系統(tǒng)等建立多物理場(chǎng)和多尺度的仿真模型，對(duì)樓宇的溫度、濕度、人員數(shù)量和位置等信息進(jìn)行采集；在可視化平臺(tái)中，管理人員基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)智能樓宇各子系統(tǒng)的智能化控制，運(yùn)用AI算法實(shí)現(xiàn)智能樓宇的運(yùn)行趨勢(shì)預(yù)測(cè)和最優(yōu)運(yùn)行策略制定。（五）能源存儲(chǔ)在電動(dòng)汽車充電樁的規(guī)劃階段，基于數(shù)字城市模型對(duì)充電樁的布局進(jìn)行模擬規(guī)劃，在滿足用戶充電需求和市政規(guī)劃要求的條件下，實(shí)現(xiàn)充電樁的最優(yōu)分布。在充電樁建成后，對(duì)每個(gè)充電樁進(jìn)行仿真建模，在虛擬場(chǎng)景中呈現(xiàn)其狀態(tài)信息，及時(shí)監(jiān)測(cè)并反饋到實(shí)際運(yùn)維管理中指導(dǎo)故障的及時(shí)處理。對(duì)儲(chǔ)能設(shè)備（如電池、超級(jí)電容等）進(jìn)行多物理場(chǎng)、多尺度數(shù)字孿生建模，將這些模型應(yīng)用于監(jiān)控和預(yù)測(cè)儲(chǔ)能設(shè)備的運(yùn)行情況，從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)化配置。（六）能源市場(chǎng)能源產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展產(chǎn)生了多元化的新型金融市場(chǎng)服務(wù)需求，各能源交易公司參與能源市場(chǎng)交易難免存在大量的隱私數(shù)據(jù)。運(yùn)用數(shù)字孿生技術(shù)的信息安全防御機(jī)制，對(duì)網(wǎng)絡(luò)信息攻擊行為進(jìn)行特征挖掘，構(gòu)建與數(shù)據(jù)完整性攻擊相關(guān)的最優(yōu)特征屬性集；建立安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估準(zhǔn)入機(jī)制，聯(lián)合將能源交易信息的安全風(fēng)險(xiǎn)降到最低。七

數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用前景

（一）部署策略隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、AI、區(qū)塊鏈等為代表的新一代數(shù)字化技術(shù)的快速發(fā)展與應(yīng)用，數(shù)字孿生技術(shù)在智慧能源行業(yè)有廣闊的發(fā)展前景。根據(jù)智慧能源系統(tǒng)的運(yùn)行需求，研發(fā)智慧能源系統(tǒng)的數(shù)字孿生APP。隨著5G和大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)，智慧能源系統(tǒng)的數(shù)字孿生APP將為我國(guó)能源領(lǐng)域的轉(zhuǎn)型升級(jí)提供堅(jiān)實(shí)靈活的應(yīng)用技術(shù)支撐。智慧能源系統(tǒng)的數(shù)字孿生APP率先支持常用部署配置，可按照瀏覽器/服務(wù)器（B/S)或客戶端/服務(wù)器（C/S）架構(gòu)進(jìn)行部署，支持手機(jī)、平板電腦、個(gè)人計(jì)算機(jī)等訪問(wèn)終端。如果部署于云平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)多人同時(shí)訪問(wèn)、協(xié)同作業(yè)和遠(yuǎn)程專家指導(dǎo)等服務(wù)。通過(guò)服務(wù)和模式創(chuàng)新，顯著提升智慧能源生態(tài)系統(tǒng)的工作效率，降低能源產(chǎn)銷成本，實(shí)現(xiàn)智慧能源系統(tǒng)規(guī)劃、運(yùn)行和控制方面的提質(zhì)增效。（二）應(yīng)用案例面向智慧能源系統(tǒng)的數(shù)字孿生技術(shù)的研究盡管處于起步階段，但是從細(xì)化到智慧能源系統(tǒng)的單個(gè)設(shè)備，再擴(kuò)展到多主體復(fù)雜能源系統(tǒng)，都具有廣闊的應(yīng)用前景。1.數(shù)字孿生變電設(shè)備大型泵站設(shè)備用于抽提水資源，是一個(gè)融合電氣、信息和控制的綜合系統(tǒng)，涉及的子系統(tǒng)包括變電系統(tǒng)、水泵系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等?；跀?shù)字孿生的泵站設(shè)備運(yùn)行平臺(tái)，采用數(shù)字孿生的“數(shù)據(jù)鏈”技術(shù)，建立多種部件耦合的多物理場(chǎng)、多尺度數(shù)字孿生仿真模型；利用數(shù)字孿生泵站可視化管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境中的仿真與現(xiàn)實(shí)的運(yùn)維無(wú)縫銜接，提高企業(yè)管理與運(yùn)維的透明化程度。以變電設(shè)備為例（見(jiàn)圖4），構(gòu)建電、磁、熱耦合的多物理場(chǎng)和考慮多時(shí)間尺度的數(shù)字孿生仿真模型，為大型泵站的設(shè)備選型和系統(tǒng)運(yùn)行提供精細(xì)化模型。圖4變電設(shè)備的數(shù)字孿生模型2.數(shù)字孿生電網(wǎng)數(shù)字孿生電網(wǎng)首先對(duì)電力網(wǎng)絡(luò)中的智能設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，隨后建立電網(wǎng)的數(shù)字孿生模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)感知，進(jìn)而對(duì)電網(wǎng)的健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估和預(yù)測(cè)（如異常檢測(cè)、薄弱環(huán)節(jié)分析、災(zāi)害預(yù)警等）。上海交通大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)潮流方程（有導(dǎo)納信息）和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)（無(wú)導(dǎo)納信息）兩種驅(qū)動(dòng)模式進(jìn)行對(duì)比，分析驗(yàn)證了數(shù)字孿生電網(wǎng)的可行性，證明了當(dāng)機(jī)理模型存在不足時(shí)，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模式仍能得到滿足實(shí)際運(yùn)行需求的結(jié)果，對(duì)數(shù)字孿生電網(wǎng)的可行性開(kāi)展了有益探索。相應(yīng)數(shù)字孿生電網(wǎng)的框架設(shè)計(jì)圖如圖5所示。圖5數(shù)字孿生電網(wǎng)框架設(shè)計(jì)圖3.數(shù)字孿生綜合能源系統(tǒng)綜合能源系統(tǒng)的概念最早起源于熱電協(xié)同運(yùn)行領(lǐng)域，目前已發(fā)展為整合一定區(qū)域內(nèi)多種能源的一體化能源系統(tǒng)。安世亞太數(shù)字孿生體實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建了熱電廠的數(shù)字孿生應(yīng)用案例，相應(yīng)模型能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)熱電廠的運(yùn)行性能；基于系統(tǒng)約束解決管理故障和系統(tǒng)瓶頸問(wèn)題，為日常維修或更換提供前瞻性指導(dǎo)，對(duì)停機(jī)后的工作優(yōu)先順序進(jìn)行評(píng)估。該案例以評(píng)估冷凝器內(nèi)結(jié)構(gòu)影響為例，判斷積垢對(duì)主冷凝器背壓有負(fù)面影響的概率，為相關(guān)設(shè)備的設(shè)計(jì)與運(yùn)維提供了有效參考。清華大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)借助數(shù)字孿生CloudIEPS平臺(tái)，建立了包含電負(fù)荷、冷負(fù)荷、熱負(fù)荷、燃?xì)獍l(fā)電機(jī)、吸收式制冷機(jī)、燃?xì)忮仩t、光伏、蓄電池、蓄冰空調(diào)系統(tǒng)等設(shè)備在內(nèi)的數(shù)字孿生綜合能源系統(tǒng)模型，利用該模型對(duì)系統(tǒng)內(nèi)各裝置的容量進(jìn)行優(yōu)化來(lái)降低系統(tǒng)運(yùn)行成本?？傊?，數(shù)字孿生綜合能源系