IESPlaza数字能源网报道：在先进信息技术的驱动下，综合能源系统的数字化与信息化水平不断提升。本文主要对数字孪生关键技术特征问题进行了分析，并进一步探索了综合能源系统数字孪生技术的应用。
实现路径与基础文章源自数字孪生可视化-http://www.hjcool.com/2104.html
对综合能源系统自身来说，受多种能源形式在产－配－储－用全过程中深度耦合的影响，其运行特征将与传统独立能源系统显著不同，并体现出多物理系统耦合、多时间尺度动态特性关联、强非线性和不确定性等混杂特征，导致综合能源系统的规划设计、能量管理、检修维护等问题十分复杂，必须依赖于对系统运行状态和特性的深层次理解和掌控。文章源自数字孪生可视化-http://www.hjcool.com/2104.html
数字孪生是融合了传感、通信、仿真、控制等多领域技术成果的系统性工程，其核心目标在于，利用基于机理和数据的多元化建模方法，实现复杂综合能源系统动态在数字空间中的全景镜像，并可通过多尺度分析计算模拟出系统在不同场景下的动态行为，以及支撑与外部要素的灵活交互。文章源自数字孪生可视化-http://www.hjcool.com/2104.html
通过基于机理或数据的针对性建模方法，各种能源环节可被抽象为时域/频域、解析/非解析、连续/离散、代数/微分/偏微分等多样化的模型形式，从而以高保真度刻画出各构成环节的复杂动态特征。多源数据的融合利用是构建综合能源系统数字孪生的关键：文章源自数字孪生可视化-http://www.hjcool.com/2104.html
其一，考虑到综合能源系统构成的复杂性，大量机理不明确、状态不透明环节难以构造解析数学模型，将更加依赖于数据驱动方法来揭示其运行特性；文章源自数字孪生可视化-http://www.hjcool.com/2104.html
其二，多源运行数据作为物理系统状态和特征的直接反映，能够用于驱动数字孪生模型及参数的不断完善以及虚-实系统的同步演化。文章源自数字孪生可视化-http://www.hjcool.com/2104.html
先进传感、量测、通信、可视化等技术为综合能源系统数字孪生的构建与实现提供了外在保障。以全面覆盖系统各层次的传感通信网络为支撑，综合能源系统数字孪生能够实现深人底层能源装备的精细化感知和控制；文章源自数字孪生可视化-http://www.hjcool.com/2104.html
借助边缘计算、云计算等先进架构下不断增长的算力资源，可实现数据在不同层次的汇集和利用，支撑综合能源系统数字孪生的多层级模块化构建、动态演化和灵活交互。在此基础上，通过数字孪生与虚拟现实技术，实现能源系统外在形态与内在状态的统一呈现，为更加便利的分析应用与人机交互创造条件。文章源自数字孪生可视化-http://www.hjcool.com/2104.html
当前，数字孪生技术理念在智慧园区、数字变电站等系统中已开展了初步实践，为其进一步的扩展应用积累了技术基础和经验。文章源自数字孪生可视化-http://www.hjcool.com/2104.html
综合能源系统数字孪生文章源自数字孪生可视化-http://www.hjcool.com/2104.html
关键技术文章源自数字孪生可视化-http://www.hjcool.com/2104.html
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。聚焦于数字孪生核心功能、关键技术，如图所示：文章源自数字孪生可视化-http://www.hjcool.com/2104.html
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▲综合能源系统文章源自数字孪生可视化-http://www.hjcool.com/2104.html
数字孪生关键技术文章源自数字孪生可视化-http://www.hjcool.com/2104.html
▌多物理－信息混杂系统的综合建模文章源自数字孪生可视化-http://www.hjcool.com/2104.html
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关键，具体包括以下内容：文章源自数字孪生可视化-http://www.hjcool.com/2104.html
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；文章源自数字孪生可视化-http://www.hjcool.com/2104.html
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；文章源自数字孪生可视化-http://www.hjcool.com/2104.html
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。文章源自数字孪生可视化-http://www.hjcool.com/2104.html
▌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，通过多尺度数据集成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，其数宇孪生的前瞻模拟也将具有概率化特征。通过将真实系统的实时运行状态信息融人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。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，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。
面向综合能源系统的
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。
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生产阶段便已经建立，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。
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。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，为更加完备的状态监测、故障预警与预测维护提供支撑，如图所示。其应用价值与意义体现在３个方面：
▲基于数字孪生的
故障预瞀与预测性维拍
第一，借助数字孪生提供的全息数字镜像与可视化能力，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；
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，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
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，将更全面的信息纳人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，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。
▌基于数宇孪生+区块链技术的综合能源交易
随着我国“放开两头，管住中间”电改思路的深人，售电市场逐步放开，电网的运营模式也产生了相应的变化。电力交易模式由集中式向分布式逐渐演化，交易主体不断增加，产生了大量多元交融的交易数据，使得电力信息系统的管理难度大大提高。
在这种形势下，电力交易平台被提出更高效可靠的要求。区块链是一种将记录了交易数据的区块以时间顺序相连组合而成的链式结构，其本质上是一个去中心化的分布式数据库，借助于非对称加密、默克树等技术保证信息不会被外部攻击而篡改，从而保障数据的安全。
近年来，区块链技术凭借其分散化、匿名性、可靠性高等优点在能源交易领域得到了广泛的研究。这些特点也与分布式交易的诉求相契合。
但是，当分布式能源交易规模逐渐增大时，区块链有限的计算能力及响应速度会使得交易吞吐量低，限制了交易的速度。数字孪生为综合能源交易带来新的内涵。当前采用分布式交易模式的能源交易过程主要可以分为：信息发布、撮合、结算、存储等阶段。
数字孪生高性能计算技术是由计算机发展水平和算法设计优化水平两方面所决定的，对冗余数据的高效率求解，从而更好的提升能源交易速度。
全寿命周期数据存储和管理是数字孪生系统的重要支撑。该技术可用于能源交易过程的信息存储阶段并与区块链技术相结合，既保证了信息真实可查，又保证了这些信息不会被篡改，从而提高了电力交易和管理的效率，提升了区域分布式电源运行管理的自治化水平以及运营经济效益。
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综合能源系统数字孪生核心功能的实现需要以有效的建模与仿真方法为基础，新的应用场景和功能目标则要求对传统仿真模拟技术进行新的发展。
分析表明，借助综合能源系统数字孪生的实时全息全景镜像、模块化集成、前瞻运行模拟、动态特性跟随等能力，其在规划设计、运行优化、预测维护、多领域协调互动以及能源交易等方面具有显著的发展潜力与应用价值。
总之，综合能源系统数字孪生通过工业互联网实现能源系统“源－网－荷”各环节设备要素的连接，采用多物理场、多尺度建模仿真和工业大数据方法构建能源系统的数字孪生模型，进而基于数字孪生模型进行能源系统的状态监测故障诊断、运行优化、能源交易，实现综合能源系统的“共智”。
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