一、前言
全球能源行業(yè)順應(yīng)數(shù)字化時代不斷發(fā)展，我國電力體制改革深入推進，在這一背景下加快能源轉(zhuǎn)型已成為行業(yè)共識。但能源行業(yè)存在著體制、技術(shù)與市場壁壘，使得能源轉(zhuǎn)型面臨挑戰(zhàn)。國家能源局提出智慧能源戰(zhàn)略，建設(shè)互聯(lián)互通、透明開放、互惠共享的能源共享平臺，以期解決能源行業(yè)普遍存在的壁壘問題。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，支持從多角度對能源互連網(wǎng)絡(luò)進行精確仿真和控制。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，對于能源系統(tǒng)的數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用試驗也僅處于初步的驗證探索階段，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)為研究對象，重點梳理智慧能源領(lǐng)域?qū)?shù)字孿生技術(shù)的需求和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及趨勢，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。
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)于堅持和完善中國特色社會主義制度推進國家治理體系和治理能力現(xiàn)代化若干重大問題的決定》要求，推進能源革命，構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系。《“十三五”國家戰(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)新型能源消費生態(tài)與產(chǎn)業(yè)體系。我國能源產(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經(jīng)濟發(fā)展和能源行業(yè)帶來了沖擊，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。這并不能改變我國能源體系實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型的目標，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)和市場壁壘，能源供應(yīng)側(cè)、傳輸側(cè)和消費側(cè)都存在大量信息不透明、不共享的問題。國家能源局提出的“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、透明開放、互惠共享的信息網(wǎng)絡(luò)平臺，打破現(xiàn)有能源“產(chǎn)、輸、配、用”之間的不對稱信息格局，推進能源生產(chǎn)與消費模式革命，重構(gòu)能源行業(yè)生態(tài)。該戰(zhàn)略的落地實施要求能源系統(tǒng)實施數(shù)字化深度轉(zhuǎn)型，運用新的技術(shù)手段助力數(shù)字化轉(zhuǎn)型成為亟需。
云計算、人工智能（AI）、大數(shù)據(jù)、數(shù)字孿生等新興熱點技術(shù)，為能源行業(yè)的創(chuàng)新與變革帶來了新發(fā)展動力，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)是我國能源行業(yè)的發(fā)展趨勢，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)、高性能計算技術(shù)和先進仿真分析技術(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)測技術(shù)的基礎(chǔ)上，數(shù)字孿生技術(shù)體系進一步涵蓋狀態(tài)感知、邊緣計算、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的模型，從而全面服務(wù)于系統(tǒng)的運行和控制。
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
近年來，國外對數(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。美國通用電氣公司（GE）和辛辛那提大學(xué)應(yīng)用涵蓋從設(shè)計到維護全過程的數(shù)字化來優(yōu)化產(chǎn)品生產(chǎn)，但尚未實現(xiàn)數(shù)字孿生的統(tǒng)一建模技術(shù)。美國 ANSYS 公司提出 ANSYS Twin Builder 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、降低意外停機風(fēng)險、優(yōu)化下一代產(chǎn)品。文獻提出了數(shù)字孿生參考模型，在概念層面實現(xiàn)了對產(chǎn)品生命周期的全面描述。文獻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。
與國外的快速發(fā)展勢頭相比，國內(nèi)在數(shù)字孿生技術(shù)方面的研究仍處于萌芽階段。文獻提出了一種描述復(fù)雜產(chǎn)品的數(shù)字孿生設(shè)計框架，探索了開發(fā)過程中的關(guān)鍵技術(shù)。文獻提出了數(shù)字孿生五維模型概念，展望了該模型在 10 個不同領(lǐng)域中的應(yīng)用前景。文獻多角度分析了大數(shù)據(jù)和數(shù)字孿生技術(shù)之間的異同以及如何促進實現(xiàn)智能制造。文獻總結(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，而無論國內(nèi)還是國外，有關(guān)數(shù)字孿生技術(shù)在能源行業(yè)的應(yīng)用大都處于探索驗證階段。法國達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)計師之間的交互平臺。上海交通大學(xué)研究團隊建立了數(shù)字孿生電網(wǎng)的潮流模型，驗證了數(shù)字孿生電網(wǎng)的技術(shù)可行性。安世亞太數(shù)字孿生體實驗室基于 Flownex 設(shè)計軟件建立了數(shù)字孿生熱電廠模型，為熱電廠的工程設(shè)計和維護提供了技術(shù)參考。清華大學(xué)研究團隊利用數(shù)字孿生 CloudIEPS 平臺，建立了數(shù)字孿生綜合能源系統(tǒng)模型，達到降低了能源系統(tǒng)運行成本的目標。
一般認為，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)域為典型。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，沒有建立數(shù)字孿生技術(shù)在智慧能源領(lǐng)域的應(yīng)用實施框架。
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)早期被運用在國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。對數(shù)字孿生技術(shù)概念給出定義，則要追溯到 2009 年美國空軍研究實驗室（AFRL）提出的飛機機身數(shù)字孿生定義。2009—2019 年科研機構(gòu)對數(shù)字孿生技術(shù)所給出的定義見表 1。
表 1 數(shù)字孿生定義的比較
注：IBM 為國際商業(yè)機器公司。
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)充分利用精細化物理模型、智能傳感器數(shù)據(jù)、運維歷史等數(shù)據(jù)，集成電、磁、熱、流體等多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成對智慧能源系統(tǒng)的映射；數(shù)字孿生實例反映對應(yīng)智能設(shè)備的全生命周期過程，能夠?qū)崟r更新與動態(tài)演化，進而實現(xiàn)對智慧能源系統(tǒng)的真實映射。
（二）面向智慧能源系統(tǒng)的數(shù)字孿生架構(gòu)及特點
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)，針對智慧能源系統(tǒng)的特點該架構(gòu)分為五部分（見圖 1）：物理層、數(shù)據(jù)層、機理層、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)，然后進行預(yù)處理并傳輸；機理層從數(shù)據(jù)層接收多尺度數(shù)據(jù)（包括歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)），通過“數(shù)據(jù)鏈”輸入仿真模型后進行數(shù)據(jù)整合和模擬運算；表現(xiàn)層獲得機理層仿真的結(jié)果，以“沉浸式”方式展現(xiàn)給用戶；交互層可以實現(xiàn)精準的人機交互，交互指令可以反饋至物理層對物理設(shè)備進行控制，也可以作用于機理層實現(xiàn)仿真模型的更新和迭代生長。相應(yīng)層次的特點具體闡述如下。
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，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，在各智能設(shè)備中應(yīng)用先進傳感器技術(shù)收集系統(tǒng)運行的多模異構(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、跨平臺交互，可實現(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)對數(shù)據(jù)進行實時清洗和規(guī)范化，采用高速率、大容量、低延遲的通信線路進行數(shù)據(jù)傳輸；同時依托云計算和數(shù)據(jù)中心，動態(tài)地滿足各種計算、存儲與運行需求。
3. 機理層
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 + 數(shù)據(jù)驅(qū)動”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)對系統(tǒng)模型進行迭代更新和優(yōu)化，以實現(xiàn)真實的虛擬映射。這一模型對智能設(shè)備的選型、設(shè)計和生產(chǎn)制造都有指導(dǎo)價值，而不僅限于根據(jù)數(shù)據(jù)變化來決定能源設(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（VR）、增強現(xiàn)實（AR）以及混合現(xiàn)實（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。利用計算機生成視、聽、嗅等感官信號，將現(xiàn)實與虛擬的信息融為一體，增強用戶在虛擬世界中的體驗感和參與感，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)的平面式展示或簡單三維展示，而是實現(xiàn)用戶與模型之間的實時深度交互。利用語音、姿態(tài)、視覺追蹤等技術(shù)，建立用戶與智能設(shè)備之間的通道，實現(xiàn)多通道交互體系來進行精準交互，以支持對電力網(wǎng)、燃氣網(wǎng)、熱力網(wǎng)、交通網(wǎng)、供水網(wǎng)等多能耦合的能源系統(tǒng)的高效精準控制和交互。
整體來看，數(shù)字孿生既不是對物理系統(tǒng)進行單純的數(shù)值模擬仿真，也不是進行常規(guī)的狀態(tài)感知，更不是僅僅進行簡單的AI、機器學(xué)習(xí)等數(shù)據(jù)分析，而是將這三方面的技術(shù)都有機整合于其中。數(shù)字孿生對能源系統(tǒng)進行數(shù)字化建模，并在數(shù)字空間與物理空間實現(xiàn)信息交互；首先應(yīng)用完整信息和明確機理預(yù)測未來，再發(fā)展到基于不完全信息和不確定性機理推測未來，最終實現(xiàn)能源系統(tǒng)的數(shù)字孿生體之間共享智慧、共同進化的孿生共智狀態(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
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)級增長。常規(guī)的數(shù)據(jù)服務(wù)平臺已無法滿足對數(shù)據(jù)進行快速準確處理的要求，亟需構(gòu)建云端–邊緣端協(xié)同的數(shù)字孿生服務(wù)平臺。邊緣端需要利用智能設(shè)備進行一部分本地計算，云端則要求將各設(shè)備的數(shù)據(jù)整合后進行運算。通過建立“數(shù)據(jù)鏈”、通用算法庫和模型庫，實現(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
智慧能源系統(tǒng)各個設(shè)備組件的設(shè)計結(jié)構(gòu)、制造工藝、性能參數(shù)、運行參數(shù)等，對系統(tǒng)運行服務(wù)均會產(chǎn)生影響。基于數(shù)據(jù)采集、傳輸、分析和輸出的全過程“數(shù)據(jù)鏈”設(shè)計，需要挖掘“數(shù)據(jù)鏈”與全生命周期過程的映射關(guān)系，通過研究“數(shù)據(jù)鏈”與設(shè)計云、生產(chǎn)云、知識云、檢測云、服務(wù)云中的實體與虛體關(guān)聯(lián)關(guān)系，利用數(shù)據(jù)庫和機器學(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、傳輸和分析的過程，用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)的縱向貫通和知識的閉環(huán)精準交互。
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)化查詢語言。
2. 云端和邊緣端服務(wù)的通用智能算法庫
建立精確、可動態(tài)拓展的云端和邊緣端服務(wù)的智能算法庫，以加快智慧能源系統(tǒng)分布式計算的速度，實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)、計算、存儲等計算機資源的高效利用。該算法庫是一個體系合理、測試完整且驗證充分的智慧能源系統(tǒng)通用智能算法庫，包括數(shù)據(jù)清洗算法子庫、性能退化特征提取算法子庫和狀態(tài)趨勢預(yù)測算法子庫等。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，可實現(xiàn)專業(yè)算法的實例化驗證和迭代生長。
3. 智慧能源系統(tǒng)設(shè)備的通用精細化模型庫
智慧能源系統(tǒng)設(shè)備的精細化模型庫將有助于實現(xiàn)對模型的精細化和個性化建模。構(gòu)建云端–邊緣端的數(shù)據(jù)交互機制，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)約簡合并技術(shù)，設(shè)計復(fù)雜事件處理引擎，開發(fā)能源系統(tǒng)模型庫，實現(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)由機械、電氣和信息等多系統(tǒng)組成，需要從多物理場和多尺度的角度進行全面、綜合、真實地建模和仿真。通過虛實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 + 數(shù)據(jù)驅(qū)動”的混合驅(qū)動方式進行高逼近仿真，在虛擬環(huán)境中實現(xiàn)能源系統(tǒng)復(fù)雜工況下部件級及系統(tǒng)級性能的預(yù)測與分析。
1. 基于多物理場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物理場效應(yīng)或一維尺度數(shù)據(jù)，不能忽略多物理場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)的多物理場和體現(xiàn)歷史、實時和未來效應(yīng)的多尺度的仿真模型，支持技術(shù)人員從不同的角度對智慧能源系統(tǒng)的仿真模型進行分析與評價。
2. 基于“模型驅(qū)動 + 數(shù)據(jù)驅(qū)動”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化機理模型，在實際應(yīng)用中引入簡化的約束，由此導(dǎo)致在復(fù)雜環(huán)境下無法獲得滿足性能要求的模型。常規(guī)的數(shù)據(jù)驅(qū)動方法不能描述客觀物理規(guī)律約束，故單獨運用模型驅(qū)動或數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法均不能滿足能源系統(tǒng)的智能化和時效性需求。基于“模型驅(qū)動 + 數(shù)據(jù)驅(qū)動”的混合建模技術(shù)，通過類別均衡算法、策略網(wǎng)絡(luò)和價值網(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題。基于代價敏感學(xué)習(xí)和機器學(xué)習(xí)的反演和參數(shù)識別方法，克服機理模型難以建模且忽略部分特征的缺點。運用混合建模技術(shù)的集成學(xué)習(xí)算法，提高系統(tǒng)運行狀態(tài)評價方法的泛化能力。
（三）數(shù)字孿生技術(shù)的信息安全防御機制
智慧能源系統(tǒng)是一個由信息網(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)能否正常運行，任何設(shè)備的安全問題都可能引發(fā)系統(tǒng)數(shù)據(jù)泄露。針對智慧能源系統(tǒng)面臨的惡意解析和篡改風(fēng)險，需要研究網(wǎng)絡(luò)攻擊檢測與防御技術(shù)，增強智慧能源系統(tǒng)運行的安全性。
1. 基于底層分類模塊的多模型檢測技術(shù)
基于智慧能源系統(tǒng)終端傳輸?shù)亩嘣磦鞲行畔ⅲ嵘?/span> AI 算法對量測信息攻擊行為特征的挖掘能力，并強化模型的泛化能力。針對多種分類模型的底層增量式分類器庫，構(gòu)建分類結(jié)果集成輸出模塊，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)完整性攻擊的精準檢測。
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)時空耦合物理特征，針對智能終端傳輸?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，進而提取其深層次模型特征。
3. 建立安全風(fēng)險評估準入機制
基于 AI、統(tǒng)計學(xué)和信息論的方法，建立安全風(fēng)險評估準入機制。對接入智慧能源系統(tǒng)的各子系統(tǒng)進行大數(shù)據(jù)分析，對各子系統(tǒng)的信息安全進行風(fēng)險量化。當(dāng)子系統(tǒng)的風(fēng)險數(shù)值高于某個設(shè)定的閾值時，限制該子系統(tǒng)的準入，從而實現(xiàn)基于安全風(fēng)險評估的訪問控制。
（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)字孿生模型強調(diào)虛實之間的交互，能實時更新與動態(tài)演化，從而實現(xiàn)對物理世界的動態(tài)真實映射。“沉浸式”可視化技術(shù)，可以幫助用戶更清晰、更透徹、更豐富地認識世界，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)測與評估數(shù)據(jù)。通過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行可視化和交互。
2. 基于 3R 技術(shù)的人機交互技術(shù)
常規(guī)仿真模型的展現(xiàn)方式偏向于平面式的展示，局限于通過大量的圖表來向用戶展現(xiàn)物理實體的狀態(tài)。基于 3R 交互技術(shù)，運用可視化展示組件，可模擬三維虛擬空間，將智慧能源系統(tǒng)中的物理設(shè)備以近乎真實的狀態(tài)展現(xiàn)在用戶面前。通過對虛擬體的操作與控制，間接實現(xiàn)對物理實體、信息網(wǎng)絡(luò)、仿真模型的操作與控制，極大擴展用戶的感官體驗，獲得系統(tǒng)運行的真實反饋。
（五）可擴展數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用新模式
數(shù)字孿生交互技術(shù)的實現(xiàn)，提升了人機之間的交互能力。該技術(shù)可以結(jié)合虛擬體的仿真結(jié)果，為物理實體增加或擴展新的能力，實現(xiàn)對設(shè)計端和運維端的反饋與控制，最終完成對設(shè)備物理實體和虛擬仿真體的精確描述與行為預(yù)測；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)運維新模式
在可擴展的“虛實同步”智慧能源系統(tǒng)運維服務(wù)平臺基礎(chǔ)上，梳理典型智慧能源系統(tǒng)全生命周期運維需求；針對個性化需求，研發(fā)定制化運維服務(wù)的移動應(yīng)用程序（APP），形成多種遠程運維新模式。例如，針對智慧能源系統(tǒng)中的新產(chǎn)品研發(fā)周期長、試驗費用高的問題，研發(fā)遠程虛擬仿真試驗技術(shù)，探索試驗檢測服務(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，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、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)報警設(shè)定、系統(tǒng)日志等功能，從而實現(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)評估模塊和控制指令下發(fā)模塊。APP 根據(jù)能源設(shè)備的負荷情況進行實時控制，實現(xiàn)智能增效，提高設(shè)備利用率和系統(tǒng)穩(wěn)定性；同時以能源設(shè)備為對象，使用集群管理來提供壽命健康預(yù)測、故障預(yù)測和診斷等增值服務(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、消費、交易等環(huán)節(jié)，有助于打破能源行業(yè)的時間和空間限制，促進各種業(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（見圖 3），按照能源系統(tǒng)的全生命周期過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、能源存儲和能源市場。隨著各部分之間交互的不斷加深，逐步實現(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。針對數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用，對智慧能源行業(yè)的 6 個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，能實現(xiàn)能源生產(chǎn)高效轉(zhuǎn)換。通過建立虛實映射的仿真模型，實時對能源生產(chǎn)機組的運行狀態(tài)和運行環(huán)境等進行監(jiān)控和模擬仿真運行，及時制定各能源生產(chǎn)機組的最優(yōu)運行策略；同時應(yīng)用運行數(shù)據(jù)中提取的特征來優(yōu)化設(shè)備生產(chǎn)設(shè)計方案，包括數(shù)字孿生風(fēng)機、多物理場光伏模型和數(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程中的控制和優(yōu)化能力。應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)，對直流輸電網(wǎng)中的柔直模塊化多電平換流器進行數(shù)字孿生建模，以實現(xiàn)對能源傳輸?shù)膬?yōu)化和升級。針對用于電能傳輸?shù)碾娎|等設(shè)備，應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)進行虛實映射的數(shù)字化建模，指導(dǎo)電纜設(shè)備的全生命周期設(shè)計，以提高設(shè)備的運行性能和增長設(shè)備的使用壽命。數(shù)字孿生電網(wǎng)在虛擬實體中可以實現(xiàn)多物理場和多尺度的仿真，使管理人員更真實地了解輸電設(shè)備的運行狀況和各節(jié)點的負荷狀況，通過大數(shù)據(jù)和智能算法實時監(jiān)控電網(wǎng)并及時對電網(wǎng)可能出現(xiàn)的問題進行預(yù)警。
（三）能源分配
能源路由器的研發(fā)尚處于起步階段，運用數(shù)字孿生技術(shù)對能源路由器建立虛擬模型并進行大數(shù)據(jù)模擬分析，進而指導(dǎo)設(shè)備的生產(chǎn)設(shè)計，大大縮短設(shè)備的研發(fā)周期。針對能源分配環(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)備實例化，在智能機器人與智能安全監(jiān)測設(shè)備的輔助下，實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)與物理設(shè)備的關(guān)聯(lián)映射，在可視化平臺進行實時展現(xiàn)，形成數(shù)字孿生變電站，提升能源分配的經(jīng)濟性和安全性。
（四）能源消費
數(shù)字孿生由虛到實的理念，將助力設(shè)計師突破傳統(tǒng)的制造工藝限制來實現(xiàn)全新設(shè)計，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，對新能源汽車的設(shè)計模型進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)對智能樓宇中的智慧家具、供冷供熱系統(tǒng)等建立多物理場和多尺度的仿真模型，對樓宇的溫度、濕度、人員數(shù)量和位置等信息進行采集；在可視化平臺中，管理人員基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以輕松實現(xiàn)對智能樓宇各子系統(tǒng)的智能化控制，運用 AI 算法實現(xiàn)智能樓宇的運行趨勢預(yù)測和最優(yōu)運行策略制定。
（五）能源存儲
在電動汽車充電樁的規(guī)劃階段，基于數(shù)字城市模型對充電樁的布局進行模擬規(guī)劃，在滿足用戶充電需求和市政規(guī)劃要求的條件下，實現(xiàn)充電樁的最優(yōu)分布。在充電樁建成后，對每個充電樁進行仿真建模，在虛擬場景中呈現(xiàn)其狀態(tài)信息，及時監(jiān)測并反饋到實際運維管理中指導(dǎo)故障的及時處理。對儲能設(shè)備（如電池、超級電容等）進行多物理場、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)測儲能設(shè)備的運行情況，從而實現(xiàn)優(yōu)化配置。
（六）能源市場
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服務(wù)需求，各能源交易公司參與能源市場交易難免存在大量的隱私數(shù)據(jù)。運用數(shù)字孿生技術(shù)的信息安全防御機制，對網(wǎng)絡(luò)信息攻擊行為進行特征挖掘，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)險評估準入機制，聯(lián)合將能源交易信息的安全風(fēng)險降到最低。
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)時代的到來，智慧能源系統(tǒng)的數(shù)字孿生 APP 將為我國能源領(lǐng)域的轉(zhuǎn)型升級提供堅實靈活的應(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)進行部署，支持手機、平板電腦、個人計算機等訪問終端。如果部署于云平臺，可實現(xiàn)多人同時訪問、協(xié)同作業(yè)和遠程專家指導(dǎo)等服務(wù)。通過服務(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，實現(xiàn)智慧能源系統(tǒng)規(guī)劃、運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，但是從細化到智慧能源系統(tǒng)的單個設(shè)備，再擴展到多主體復(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。基于數(shù)字孿生的泵站設(shè)備運行平臺，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、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)，實現(xiàn)虛擬環(huán)境中的仿真與現(xiàn)實的運維無縫銜接，提高企業(yè)管理與運維的透明化程度。以變電設(shè)備為例（見圖 4），構(gòu)建電、磁、熱耦合的多物理場和考慮多時間尺度的數(shù)字孿生仿真模型，為大型泵站的設(shè)備選型和系統(tǒng)運行提供精細化模型。
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)首先對電力網(wǎng)絡(luò)中的智能設(shè)備進行數(shù)據(jù)采集，隨后建立電網(wǎng)的數(shù)字孿生模型，實現(xiàn)對電網(wǎng)運行狀態(tài)的實時感知，進而對電網(wǎng)的健康狀態(tài)進行評估和預(yù)測（如異常檢測、薄弱環(huán)節(jié)分析、災(zāi)害預(yù)警等）。上海交通大學(xué)研究團隊通過潮流方程（有導(dǎo)納信息）和數(shù)據(jù)驅(qū)動（無導(dǎo)納信息）兩種驅(qū)動模式進行對比，分析驗證了數(shù)字孿生電網(wǎng)的可行性，證明了當(dāng)機理模型存在不足時，數(shù)據(jù)驅(qū)動模式仍能得到滿足實際運行需求的結(jié)果，對數(shù)字孿生電網(wǎng)的可行性開展了有益探索。相應(yīng)數(shù)字孿生電網(wǎng)的框架設(shè)計圖如圖 5 所示。
圖 5 數(shù)字孿生電網(wǎng)框架設(shè)計圖
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)字孿生體實驗室構(gòu)建了熱電廠的數(shù)字孿生應(yīng)用案例，相應(yīng)模型能準確預(yù)測熱電廠的運行性能；基于系統(tǒng)約束解決管理故障和系統(tǒng)瓶頸問題，為日常維修或更換提供前瞻性指導(dǎo)，對停機后的工作優(yōu)先順序進行評估。該案例以評估冷凝器內(nèi)結(jié)構(gòu)影響為例，判斷積垢對主冷凝器背壓有負面影響的概率，為相關(guān)設(shè)備的設(shè)計與運維提供了有效參考。清華大學(xué)研究團隊借助數(shù)字孿生 CloudIEPS 平臺，建立了包含電負荷、冷負荷、熱負荷、燃氣發(fā)電機、吸收式制冷機、燃氣鍋爐、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，利用該模型對系統(tǒng)內(nèi)各裝置的容量進行優(yōu)化來降低系統(tǒng)運行成本。
總之，數(shù)字孿生綜合能源系統(tǒng)通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)能源系統(tǒng)“源–網(wǎng)–荷”各環(huán)節(jié)設(shè)備要素的連接，采用多物理場、多尺度建模仿真和工業(yè)大數(shù)據(jù)方法構(gòu)建能源系統(tǒng)的數(shù)字孿生模型，進而基于數(shù)字孿生模型進行能源系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、運行優(yōu)化，實現(xiàn)綜合能源系統(tǒng)的“共智”。
八、對策建議
在能源轉(zhuǎn)型和“互聯(lián)網(wǎng) +”背景下，應(yīng)打破各能源行業(yè)的政策壁壘，貫通各能源系統(tǒng)物理連接和交互，建立多種能源優(yōu)化協(xié)調(diào)的智慧能源系統(tǒng)。數(shù)字孿生技術(shù)首先需要構(gòu)建具有端和云雙向數(shù)據(jù)、信息交互的閉環(huán)反饋、優(yōu)化和決策的支撐平臺。該平臺是數(shù)字孿生技術(shù)在智慧能源系統(tǒng)應(yīng)用的核心環(huán)節(jié)，有助于解決智慧能源系統(tǒng)發(fā)展所面臨的技術(shù)壁壘和市場壁壘問題，是實現(xiàn)服務(wù)的持續(xù)創(chuàng)新、需求的即時響應(yīng)和產(chǎn)業(yè)升級優(yōu)化的有益探索。基于以上背景和思考，本文從技術(shù)發(fā)展、應(yīng)用生態(tài)和政策建立三方面出發(fā)，對數(shù)字孿生技術(shù)在智慧能源行業(yè)的發(fā)展提出應(yīng)用建議。
（一）建設(shè)技術(shù)資源共享平臺，聯(lián)合攻堅技術(shù)發(fā)展難題
智慧能源行業(yè)的各參與方（如企業(yè)、高等院校和科研院所等），不僅需要加快開展面向智慧能源系統(tǒng)的數(shù)字孿生技術(shù)的體系架構(gòu)與支撐平臺的關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，還需要加強各方之間的交流合作。建設(shè)技術(shù)資源共享平臺，發(fā)揮研究實力較強單位的帶頭引領(lǐng)作用，分享數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用發(fā)展過程中的突破性進展和發(fā)展瓶頸判斷；加強高等院校和企業(yè)之間的合作，聯(lián)合攻克數(shù)字孿生技術(shù)實施過程中的關(guān)鍵性技術(shù)要素和難點。
（二）融合能源生態(tài)圈各領(lǐng)域的學(xué)科特色，構(gòu)建數(shù)字孿生綜合應(yīng)用系統(tǒng)
為了更好推進數(shù)字孿生技術(shù)在能源行業(yè)全生命周期中的應(yīng)用，應(yīng)加快能源行業(yè)的價值創(chuàng)造、信息增值、業(yè)務(wù)革新與效益挖掘。組織智慧能源生態(tài)圈中各領(lǐng)域的力量，結(jié)合智慧能源系統(tǒng)多學(xué)科融合交叉的特點，研發(fā)綜合不同領(lǐng)域的、具有較強普適性的數(shù)字孿生綜合應(yīng)用系統(tǒng)，包括“數(shù)據(jù)鏈”設(shè)計技術(shù)、數(shù)字孿生建模技術(shù)和動態(tài)交互技術(shù)等。通過建立先期試點工程，再逐步推進至整個智慧能源行業(yè)的方式，減少各領(lǐng)域之間的壁壘，發(fā)揮數(shù)字孿生技術(shù)在構(gòu)建數(shù)字孿生智慧能源生態(tài)中的綜合效應(yīng)。
（三）促進數(shù)字孿生技術(shù)發(fā)展的標準建設(shè)
數(shù)字孿生標準建設(shè)正處于起步階段，已有國際標準組織發(fā)起了數(shù)字孿生標準編制工作。我國的數(shù)字孿生標準制定尚處于初級階段，缺乏數(shù)字孿生相關(guān)術(shù)語和適用準則等標準參考，影響了數(shù)字孿生技術(shù)在智慧能源領(lǐng)域的落地應(yīng)用，亟需啟動開展數(shù)字孿生相關(guān)標準的制定。同時，教育和科研機構(gòu)盡快制定相關(guān)人才培養(yǎng)方案，鼓勵相關(guān)資源向智慧能源行業(yè)的數(shù)字孿生技術(shù)方向傾斜，增強技術(shù)推廣過程中的應(yīng)用型人才培育；以全球視野和格局進行人才培養(yǎng)和技術(shù)交流，逐步縮小與發(fā)達國家的差距，為實現(xiàn)我國能源系統(tǒng)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供堅強的基礎(chǔ)支撐
來源： 面向智慧能源系統(tǒng)的數(shù)字孿生技術(shù)及其應(yīng)用[J].中國工程科學(xué),2020,22(4):74-85.版權(quán)歸原作者所有，轉(zhuǎn)載請注明。但因轉(zhuǎn)載眾多，無法確認真正原始作者，故僅標明轉(zhuǎn)載來源。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權(quán)問題，請第一時間告知，我們將根據(jù)您提供的證明材料確認版權(quán)并按國家標準支付稿酬或立即刪除內(nèi)容！本文編輯：ZTMAP