服务于新型电力系统数字化转型的数字孪生技术工程实践.doc
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1、服务于新型电力系统数字化转型的数字孪生技术工程实践引言深入贯彻习近平生态文明思想,准确、全面贯彻新发展理念,构建新发展格局。深入推动能源消费革命、供给革命、技术革命。加快构建清洁低碳、安全高效的能源体系,促进经济社会发展全面绿色转型。推动“碳达峰、碳中和”健康有序发展。“源网荷储”构建的新型电力系统呈现出新特征,其一,源网荷储协同互动更频繁,电源和负荷不确定性增大,电缆、变压器等设备运行工况更复杂,安全稳定运行不利因素增多,对配电网控制与优化能力要求更高;其二,为提升配网承载能力,需要对电磁-温度-流体-结构-湿度等多物理场耦合特性进行分析,实现设备性能非线性与饱和阈值快速计算。诚然,新型电力
2、系统依赖于电力系统数字化,结果数据不影响结果,状态数据影响结果,只有实时掌握状态演变数据才能实现物理空间与数字空间的全映射,才能保障安全可靠的能源供给。为此,在南方电网数字化转型的战略布局下,深圳供电局以配电网业务为落脚点,通过实际工程案例开展数字孪生技术的实践活动,为实体经济向数字服务型实体经济转型开展探索之路。1. 数字孪生组成和辨识1.1 数字孪生组成由于数字孪生概念较为抽象,且目前仍没有公认的定义,因此不同人对该概念的理解不同,产生诸多认识问题。通过工程实践应用,从其功能特征划分,可分为数字孪生体、物理-数字孪生系统、数字孪生技术三部分,具体描述如下:数字孪生体:特指在数字空间与物理空
3、间形成的一一对应的模型。物理-数字孪生系统:是指物理空间和数字空间内在同步映射、推演与互动的闭环信息物理系统,物理空间的变化能在数字空间显示,数字空间的变化能在物理空间体现。数字孪生技术:设计物理空间的数字孪生体架构、基于数字孪生体的仿真、分析、预测和控制决策相关技术。是指物理空间的演变过程能够通过数字空间实时显现,且数字空间的量变到质变推演过程能够在物理空间展现。1.2 数字孪生辨识当前数字孪生项目众多,在没有评价标准体系环境下,如何辨识“数据孪生项目”尤为重要。例如在绿色能源发展过程中,要重点识别绿色能源的属性、能效、可持续性,要建立完善的评级、评价机制,应用科技手段建立人工智能与物理数据
4、识别的绿色能源鉴别测评系统,防范刷绿和涂绿现象发生。为此,在数字化发展进程中,绝不是在设备现场上传视频图像和设备表征数据就视为“数据孪生”,同样要防范“充数和伪数”现象发生。新型电力系统“数字孪生”具有完整的组合形态,有着系统性的数据应用与能效耦合的密切联系。具体呈现以下几个特征:可观测性通过泛在传感网络将新型电力系统中的实时数据采集并传输到虚拟镜像之中,形象地、实时地将这些数据进行展示。可预测性、可假设性、可解释性通过先进建模技术和高性能仿真计算工具,经过不断纠偏、修正、校验过程实现的镜像功能,是数字孪生技术解决实际问题、支撑电网业务的共同基础,因此也可以将其统一概括为“可计算性”。可互动性
5、数字孪生技术解决实际问题、创造价值的途径,也是数字孪生体时刻与实际系统保持同步的前提,使物理系统与数字孪生体形成“闭环”。在示范工程项目的实践中,归纳出数字孪生的五个特征,可以做为评价数字孪生项目的五个指标:可互动性:可以连接数学模型和物理实体,一方面实现最优决策的下达和执行,另一方面收集物理反馈并更新数学模型和决策指令。可预测性:利用物理/数学的建模技术以及最新的传感器数据,可以实现对设备未来状态的预测,从而实现基于状态的运营维护。可假设性:允许运营者对数字模型输入不同假设条件,以模拟现实工作中不切实际的情况,从而获得某些极端情况下设备的真实反映。可解释性:可以让运营者理解单个设备或系统的行
6、为,并从数学模型出发对设备或系统行为做出合理解释。可观测性:让运营者从数字角度看到设备以及大规模系统的运行演变状态,从而实现对设备以及大规模系统的实时监控和高效管理。2. 构建新型电力系统数字孪生的关键技术数字孪生虽然在不同文献中的定义不尽相同,但其技术的核心几乎都指向建模和仿真。为此,下面重点针对新型电力系统中的数字孪生建模和仿真技术进行介绍。2.1 数据和知识共同驱动的融合建模技术依据数字孪生“可观测性、可预测性、可解释性”等特征要求,同时受新型电力系统环境中物理实体的复杂性影响,难以获取纯机理模型。在构建能源电力系统的数字孪生模型时,需考虑机理与数据共同驱动的信息物理能源网络与数字空间融
7、合建模。如图1所示图1 机理和数据共同驱动的融合建模融合建模的步骤主要包含以下三步:通过泛在传感网络获得海量系统状态数据,并基于统计和学习构建数据驱动的相关性模型;基于人造物理系统的基本物理原理,通过数字建模,形成能源电力系统偏微分代数模型;将系统机理模型和数据挖掘所得相关性模型融合,形成能源电力系统数字孪生分析模型,支撑多种应用。2.2 高性能仿真技术根据上文所述的数字孪生的“可预测性、可假设性、可解释性、可互动性”特征可知,构建新型电力系统数字孪生还需要高性能仿真技术。需要特别强调的是这里所指的“仿真”,不能先入为主的认为是电气学科中传统的潮流计算、机电暂态仿真、电磁暂态仿真等,而应该是多
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