能源互联网中的数字孪生技术体系、应用与挑战

随着传统能源互联系统逐步向能源互联网升级转化,仅基于机理建模的方法难以描述其高维性、非线性以及多能耦合性等特征。数字孪生技术可将真实系统精准映射到虚拟空间,对实现能源互联网的特征描述、运行分析、监控优化以及智能决策具有重要意义。首先,从数字孪生技术的发展出发,对能源互联网中的数字孪生技术体系进行分析,提出了涵盖“多源数据采集-模型构建-平台支撑-智能交互”的分层技术体系框架,细化了数字孪生技术在能源互联网中的应用价值;其次,详细阐述了数字孪生技术在能源互联网中的典型应用以及需要突破的难点,并给出了其当前的发展瓶颈;最后,对数字孪生技术在能源互联网中的发展路线进行了总结与展望。     

数字孪生在卫星星座系统中的应用探索

数字孪生是针对复杂产品多物理、多尺度、多领域集成的高保真度仿真,能够对物理世界进行忠实映射及交互融合。随着大数据、工业互联网以及数字化设计技术的融合与发展,数字孪生在复杂产品与系统中的应用潜力得到越来越多的关注。针对卫星星座系统规模庞大且技术多样,设计难度大等问题,探索数字孪生在卫星星座系统设计中的应用。首先对数字孪生的概念、应用及技术发展进行了总结分析,基于数字孪生理论,提出了基于数字孪生的卫星星座系统应用框架;然后分析了应用实施过程中的需突破的关键技术与问题;最后基于统一标准,展示了卫星星座系统数字孪生模型的多领域集成建模,为未来数字孪生在卫星星座系统中的进一步落地应用提供理论与方法参考。     

数字孪生技术在区域多能源系统中的应用展望

区域多能源系统是一种综合了多种能源的新形态,可以采用多能互补、能源梯级利用等方式,最大限度地提升能源利用效率和消纳可再生能源。而且随着云计算、大数据、物联网、人工智能等技术的发展,未来的能源系统不仅是能源的互联,更应是能源与信息耦合的系统。文中分析了目前区域多能源系统研究现状,总结区域多能源系统在规划、运行及仿真建模中存在的问题,提出将数字孪生技术引入到区域多能源系统研究中,并从区域多能源系统仿真建模、规划、运行、检修方面提出了数字孪生技术的应用展望,为今后构建区域多能源系统的数字孪生体的研究提供参考。     

变电站数字孪生技术研究与应用

分析了数字孪生及其在电力行业中发展和应用情况,变电站数字化应用存在分散化现状。提出了变电站数字孪生技术感知、传输、平台和应用的系统架构,研究了三维建模、数据映射、可视化和应用场景四个方面关键技术,并进行了典型应用分析。对于变电站数字孪生技术的发展,给出模型接口、数据获取、应用拓展和规范标准等方面发展建议,促进变电站数据孪生技术的发展和应用。     

基于数字孪生驱动的智慧微电网多智能体协调优化控制策略

随着电力系统运行中负荷、气象、设备、电/气/热多能流等全景信息的日益增多,传统的电力系统建模仿真技术已很难适应未来智慧能源系统运行控制的需要,而结合机器学习、通信网络、高性能分析计算、物联网的数字孪生技术可以有效解决这一技术难题。首先,针对国内外不同领域对于数字孪生技术的基本定义和应用场景,讨论了面向智慧能源系统的数字孪生构建方式和未来发展思路,设计了考虑多通信协议交互的智慧微电网数字孪生和多智能体控制架构。考虑到物理空间、数字空间及耦合关系,对智慧微电网的全生命周期管理过程进行任务分解,构建调控资源智能体、调控过程智能体和调控服务智能体;然后,构建系统的数字和物理孪生体,利用传感器采集的分布式元件和周围环境的各项孪生数据,对数据库管理模块进行更新,进行组合功率预测和多目标优化决策;最后,构建基于Opal-RT半实物仿真平台的智慧微电网测试模型,利用用户数据报协议(user datagram protocol,UDP)通信协议实时感知试验数据,在微电网并网和孤岛2种工作场景下验证所提控制策略,结果表明:智慧微电网能够按照数字孪生优化后的试验方案在实际系统中执行,同时将执行情况与数字孪生系统实时交互,为全生命周期管理提供运行指导。     

基于数字孪生技术的城市新型电力系统应用架构

针对现有的电力系统数字化水平与发展需求不匹配问题,构建了“智慧感知+数字孪生”为特征的城市新型电力系统架构,以电网数字化转型发展为主线,数字化规划、电网智能化规划等专项规划为基础,数字孪生电网顶层设计为参考,提升了电网的互动性、开放性、安全性,逐步实现电网业务的自动化、智能化、无人化。以数字技术应用推动工作模式、业务模式的变革与创新,能够更好地促进电网数字化转型。     

城市能源变革下的城市智慧能源系统顶层设计研究

当前中国城市智慧能源系统建设还存在建设内容不明、框架不清、与城市规划建设脱节等系列问题,亟需明确城市智慧能源系统顶层架构。在系统梳理世界主要国家城市智慧能源系统建设情况的基础上,分析了其可供借鉴的建设经验,描绘了中国城市智慧能源系统的总体图景,重点从建设条件、整体规划、综合服务平台、政策机制等方面对城市智慧能源系统的顶层设计进行了初步探讨,并对城市智慧能源系统的发展路径进行了展望,对未来能源互联网和城市智慧能源系统的规划、建设、运行等提供参考。     

数字孪生虚拟电厂系统框架设计及其实践展望EI北大核心CSCD

随着国家“双碳”及“构建以新能源为主体的新型电力系统”等目标的提出,清洁化、数字化越来越成为电力系统面临的迫切需求。虚拟电厂基于先进的控制、计量、通信等技术聚合需求侧海量多元分布式资源,可以通过多样化的调节手段为电力系统提供必要的灵活性支撑,并同时助力可再生能源消纳。而数字孪生技术利用大数据、云计算、人工智能等数字技术对分布式资源物理实体的特征、行为、过程和性能等进行虚拟建模,是实现虚拟电厂运行优化的理想途径。该文展望虚拟电厂未来技术发展方向,基于数字孪生的概念、架构和特征,提出数字孪生虚拟电厂系统,深入阐述数字孪生虚拟电厂的内涵,构建基于物理实体、数字孪生体、孪生数据、连接以及智能应用等的数字孪生虚拟电厂总体架构,分析相关关键技术,并对其未来应用实践进行总结与展望。     

数字孪生技术在电网运行中的典型应用与展望

随着电网建设规模的扩大和数字经济的推动,电网数字化和智能化越来越成为电力行业发展的迫切需求。数字孪生技术基于数字化标识、自动化感知、网络化连接、普惠化计算、智能化控制和平台化服务等信息技术体系,为推进电网安全稳定运行、建设能源互联网企业提供了新思路和途径。该文基于数字孪生的概念、基本架构和特征,提出了数字孪生电网的内涵,构建了数字孪生电网的框架,阐释了数字孪生电网的运行模式,分析了数字孪生电网的关键技术,并从设备层、电网层、业务层和运营管理层4个层面提出了数字孪生技术在电网企业可实现的典型应用,为数字孪生电网的建设提供了理论支撑,指明了发展方向和建设思路。     

数字孪生在先进核能领域中的关键技术与应用前瞻

数字孪生(digital twin,DT)是一种实现物理系统向信息空间数字化模型映射的技术,被列为未来国防和航天工业6大顶尖技术之一,也被认为将在核电厂智能控制、空间反应堆、小型模块堆等先进核能系统中发挥重要作用。近年来,部分国家已启动项目,开发应用于反应堆的数字孪生技术,目标是显著降低未来核电厂的运行和维修成本。针对于空间核电源、月基核动力装置的数字孪生系统研发也受到关注。综合叙述了数字孪生技术在先进核能领域的研究现状与发展方向,提出了适用于核反应堆领域的多维评估数字模型,初步建立了故障诊断流程,并对数字孪生在先进核能领域中的关键技术与应用前景进行了分析和展望。     

考虑冰蓄冷空调多模式的工厂综合能源系统多能协同优化模型

综合能源系统(integrated energy system,IES)是实现多能耦合与能量梯度利用的关键技术。工厂是包含多种能源形式的复杂能源系统,存在较大的优化空间。文章针对工厂IES提出一种考虑冰蓄冷空调多种工作模式的多能协同优化模型。首先介绍工厂IES供能架构,并对IES中的各类设备进行建模。然后,以运行维护成本、购电成本、燃料成本和储能折旧成本构成的日运行费用最低为优化目标,在冷热电功率平衡约束以及设备物理约束下,采用混合整数线性规划法对模型进行求解。算例分析表明,多能协同优化策略能够有效减少工业用户的运行费用,设备的不同工作模式也将影响工厂的供能策略。优化模型可根据工厂设备工作模式不同,提供更加准确的优化策略,在工程实际中具有很好的参考价值。     

数据中心综合能源系统优化运行研究综述

作为数字基础设施的重要载体,数据中心的数量和规模不断增长,导致系统能源消耗与日俱增,运行成本成倍上升。而综合能源系统(integrated energy system, IES)是以电力系统为核心,涵盖供电/气/冷/热等能源产供销一体化的复杂系统,其优化运行可实现对多种能源的综合管理和经济调度,采用IES替代数据中心的供能系统将是降低数据中心运行成本的有效方案。目前对IES的典型架构尚未明确定义,对基于数据中心的IES优化运行问题鲜有研究。首先介绍了IES以及基于数据中心的IES典型物理框架;其次分析了系统中耦合型运行设备的物理模型和能源集线器(energy hub, EH)及其扩展模型在系统中的应用;在此基础上,总结和梳理了国内外IES及基于数据中心的IES的优化运行现状,并提出了基于数据中心的多能源输入-多能源耦合-多能源输出的运行方式;最后,对基于数据中心的IES中能源不确定性及负荷预测、能源动态建模、优化调度策略及效益评价等重点发展方向和潜在的可研究内容进行了展望,以期为未来相关的项目落地、仿真研发等提供参考和借鉴。     

数据中心综合能源系统优化运行研究综述

作为数字基础设施的重要载体,数据中心的数量和规模不断增长,导致系统能源消耗与日俱增,运行成本成倍上升。而综合能源系统(integrated energy system, IES)是以电力系统为核心,涵盖供电/气/冷/热等能源产供销一体化的复杂系统,其优化运行可实现对多种能源的综合管理和经济调度,采用IES替代数据中心的供能系统将是降低数据中心运行成本的有效方案。目前对IES的典型架构尚未明确定义,对基于数据中心的IES优化运行问题鲜有研究。首先介绍了IES以及基于数据中心的IES典型物理框架;其次分析了系统中耦合型运行设备的物理模型和能源集线器(energy hub, EH)及其扩展模型在系统中的应用;在此基础上,总结和梳理了国内外IES及基于数据中心的IES的优化运行现状,并提出了基于数据中心的多能源输入-多能源耦合-多能源输出的运行方式;最后,对基于数据中心的IES中能源不确定性及负荷预测、能源动态建模、优化调度策略及效益评价等重点发展方向和潜在的可研究内容进行了展望,以期为未来相关的项目落地、仿真研发等提供参考和借鉴。     

综合能源系统内外协同优化调度技术研究现状及展望

IES优化调度技术借助先进能源物联网技术,将冷-热-电-气多种传统能源、清洁能源、需求侧资源聚合至一定量级,参与IES互联、电网调度与市场化运行,在一定的运行目标与限制条件下,实现各能源子系统间的协调规划、优化运行与互补互济。但是,现有IES优化调度技术相关研究的价值导向、模型框架、运算方式不尽相同,其优化策略也各有侧重,存在考虑因素不够全面、未发挥IES全部潜能的问题。首先引出IES优化调度技术的意义,从模型建立、模型求解方面梳理该技术的研究现状;然后对现有IES的优化调度策略进行分类整合,首次提出IES“内部协同控制”与“外部统一调度”相结合的优化策略;最后,对该技术的发展提出了合理展望。     

智能电能表标准体系发展探讨

过去十年是中国智能电能表发展的黄金期,中国电能表质量实现了跨越式发展,国内电能表企业竞争力的显著提升,开始走出国门,与世界其他电能表企业竞争。电测量行业所制定的三代标志性国家标准体系,促进了国内电能表产业水平大幅提升,未来制定出技术引领的标准体系是促进电能表产业发展之关键。文章从多元化计量技术标准体系、多样化结构的型式标准体系、多场景应用的功能标准体系、电能表全寿命周期可信性评价体系等多个角度探讨智能电能表标准体系的发展方向。     

基于多区块链结构的综合能源系统调度构架

综合能源系统(IES)调度中存在难以维护供能主体隐私、难以辨别数据真伪、安全性和可靠性低等问题.文中利用分散式调度方法和区块链中分布式数据存储、智能合约、共识机制、多链扩容和加密技术,提出了包括迭代链、终值链以及数据层、网络层、合约层、共识层、应用层的IES调度构架.该构架以数据层为基础,采用无向联通结构建立主体间的通信网络;在合约层封装基于拉格朗日乘子法的分散式调度模型;在共识层,针对分散式调度的数据一致性,迭代链和终值链分别应用一致性协议算法和拜占庭容错共识机制.算例验证结果表明,所提IES调度构架基于少量通信数据可有效运行,能够防止主体背叛、削弱服务器宕机的影响,提高了IES调度的隐私性、安全性和可靠性.     

区域综合能源系统若干问题研究

区域综合能源系统对提高社会能源利用效率、促进可再生能源规模化开发、提高社会基础设施利用率和能源供应安全,以及实现中国节能减排目标具有重要意义,已成为国际能源领域重要的战略研究方向。区域综合能源系统是符合国家重大战略发展需求的重要研究课题。围绕区域综合能源系统规划和运行优化这一专题,分别对区域综合能源系统的通用建模理论、综合仿真理论与方法、规划理论与方法、安全性理论与方法、运行优化与控制、效益评估与运营机制等方面问题进行了系统归纳,对各问题所涉及的国内外研究方向和现状、存在的问题分别进行了概括和分析。最后结合中国的综合能源战略和未来发展现状,对区域综合能源技术在中国的发展前景和典型应用形式需求进行了探讨。     

考虑电热气耦合特性的低碳园区综合能源系统氢储能优化配置

氢储能具有零碳排放、电热气联供等诸多优点,有望成为实现碳中和目标的重要支撑技术.针对工业园区综合能源系统的电热气负荷需求特点以及低碳化发展的总体需要,提出了一种以氢储能作为多种能量形式转换枢纽的低碳园区综合能源系统架构,在分析氢储能单元电热气多能特性的基础上,建立了氢储能多能联储联供模型;进一步地,以投资运行成本以及碳排放为优化目标,提出了园区综合能源系统氢储能单元优化配置模型.基于实际算例分析了清洁能源发电及热电负荷特性、碳减排政策、氢储能投资成本等关键因素对综合成本及碳减排目标的影响,验证了通过配置氢储能降低园区综合能源系统供能成本和碳排放的可行性,并指出了其典型的适用场景.     

区域综合能源协调控制技术

综合能源系统是能源互联网的重要组成部分和社会能源的主要承载形式,是新一轮能源转型和能源变革的重要发展方向。区域综合能源协调控制系统作为电网调度系统的延伸和拓展,对区域内相关能源设备进行多能流的精益化泛在调度控制。结合综合能源系统的三层架构,分析区域综合能源系统在其中的重要作用,提出区域综合能源协调控制系统的拓扑关系及硬件和软件结构,研究系统平台服务、基础应用和高级应用功能设计需求,开发区域综合能源协调控制系统软件,在苏州同里新能源小镇综合能源示范区开展试验验证和示范运行,并将进一步推广应用。     

区域综合能源协调控制技术

综合能源系统是能源互联网的重要组成部分和社会能源的主要承载形式,是新一轮能源转型和能源变革的重要发展方向。区域综合能源协调控制系统作为电网调度系统的延伸和拓展,对区域内相关能源设备进行多能流的精益化泛在调度控制。结合综合能源系统的三层架构,分析区域综合能源系统在其中的重要作用,提出区域综合能源协调控制系统的拓扑关系及硬件和软件结构,研究系统平台服务、基础应用和高级应用功能设计需求,开发区域综合能源协调控制系统软件,在苏州同里新能源小镇综合能源示范区开展试验验证和示范运行,并将进一步推广应用。