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加深数字孪生认知 推进数字电网发展

来源:中国电力新闻网 时间:2020-12-23 13:43

清华大学能源互联网创新研究院 高峰

中国发展研究院 魏东

中国科学院电工研究所 叶华

  当前,数字孪生被广泛运用在电力、交通、医疗、城市管理等各个领域当中,正显现出非同一般的璀璨光辉。其作为实现数字电网比特和瓦特深度融合目标的重要实现手段,正在持续演进。需要深入认识和理解数字孪生的本质与机理,明晰其对数字电网的价值与作用,促进数字比特革命与能源瓦特革命的有机结合,实现清洁低碳、安全高效的电力系统支撑下的数字经济快速发展。

  一、对数字孪生的认知

  随着企业界和学术界对数字孪生的不断解读,其定义、内涵和其他一些相关概念的界限也越来越模糊。如NASA从与系统工程能力结合的角度,提出了MBSE(基于模型的系统工程);国外公司用数字孪生来支撑其工业4.0、智慧制造和数字工厂。我们还看到了智慧城市语境下的数字孪生,建筑BIM语境下的数字孪生,机器人语境下的数字孪生,等等。从目前公开的研究资料来看,大多数还是把数字孪生视为某种技术集成体系,少有人意识到,放大到社会学的角度上,数字孪生具有一般科技难以具备的思想价值。

  我们不应简单地从技术或技术集成的角度来理解数字孪生,而应认识到数字孪生将是在未来信息社会形态下构建“数字世界”重要基础方法之一,需要从思想和理论角度对数字孪生进行深入认知与研究。

  数字孪生的本质是对物理世界进行数字化解构,并在虚拟世界进行数字化重构的过程。虚拟世界包含三类个体:一为数字原生体,其完全在虚拟世界中产生,以数字形态存在于虚拟世界,如网络小说、微博等网络创作与社交等;二为数字孪生体,其为物理世界在虚拟世界中的孪生镜像;三为数字混合体,是前两者的融合,其产生、存在、消费乃至消亡过程中的某些部分只存在于虚拟世界,而另外的部分则伴随物理世界存在。

  在可预见的未来,人类生产生活的大部分信息交互、决策都将在虚拟世界之中完成,并通过虚拟世界向物理世界发出指令,控制物理世界的运行。作为连通物理世界与虚拟世界的数字孪生,起着超越技术的重要作用。电力行业由于其产品与服务的特殊性,在这方面积累深厚,如调度员培训仿真系统(DTS)作为电网调度的数字孪生,其在二三十年前就已得到应用,早已成为电网培训调度人员的有力工具。

  二、数字孪生的构建

  从物理世界通过信息技术生成数字孪生体可分为三个过程,即映射、再现和校准。

  映射是对物理世界实体的外观、构造、材质和理化指标等表征数据进行采集,运用相应软件在虚拟世界构建数字孪生体,即物理实体的表征孪生。这是对物理世界实体静态、节点式的数字描述,常见的是三维建模。数字电网在主设备级已经或具备条件完成映射工作,有些已实现辅助设备的映射,如国网上海电力公司的数字孪生变电站已实现20多个孪生子站。

  再现是通过剖析、理解和掌握物理世界实体的运行规律,建立相对应的数学模型,并通过信息技术在虚拟世界建立数字孪生体,即物理实体的机理孪生。对于单体来说,主要是全生命周期模型的建立;对于系统来说,重点是系统运行的规则体系。电网的调度、运检等业务信息系统已将科学家、工程师百年来研究探索出来的电力系统稳态、暂态等设备和系统机理有机地融入,然而数字电网面对的是新数据、新设备、新技术、新用户、新模式带来的挑战,要通过校准过程来应对未知与创新。

  校准是通过观测→修正→运行→再观测的反复循环,使得数字孪生体无限趋近于物理实体,在尽可能的尺度下达到两者的同步运行地过程。校准过程有助于我们认知发现物理实体本质规律、识别物理实体的表征数据需求,从而构建更加精准的机理孪生和表征孪生。

  三、数字孪生的应用

  数字孪生在各领域实际应用中体现在状态洞察、实时操控、趋势预测和模拟实验等方面。同时,通过三维模型和可视化手段,数字孪生还可以把各个方面的专业数据汇集在同一个平台之上并直观地表现出来,既可以促进在内部不同部门之间贯通数字主线,也可以进一步与客户、供应商乃至政府、公众进行相应联接,成为通用平台,甚至进一步拓展企业的竞争边界。目前数字孪生在电网中主要应用于以下方面:运行监测、预测预警、监管审查、模拟实验、研发创新。随着数字电网的发展,数字孪生将在各种新技术、新模式、新业态下大显身手。

  如为支撑可再生能源快速发展,充分利用和发展海量分布式储能将是关键手段。但目前大规模分布式储能仍面临着小容量单体差异性成网引起的“短板效应”等技术难题。通过储能虚拟化与数字孪生技术把储能系统转变为软件定义型资源,通过互联网实现柔性组合、即连即用,则是解决之道。当前再现过程已建立了基于智能电力电子开关的规模化超级电容器、电池储能串并联网络模型等,构建了分布式储能及其接入配电网的数字孪生技术架构;校准过程已提出了数字孪生仿真与储能监测等多业务系统的信息实时交互校准技术与方法。

  四、当下的工作

  数字孪生的实现需要“表里如一”,这里的“一”是指物理世界,表征孪生为基础,机理孪生为目标。没有表征孪生,一切无从谈起,其实现需要传感、建模的支撑。没有机理孪生,数字孪生就是花瓶,中看不中用,其实现需要大数据、人工智能的支撑。目前国内对数字孪生开展的研究仍然是以概念性研究和应用性研究居多,而对于实现数字孪生所需要的传感、建模等通用技术平台、基础装备方面,却缺乏企业进行大力度的深入开发投入。数字孪生对于建设数字电网意义重大,我国电力企业拥有着充足优质的人才团队和科研资源,完全有能力也有责任发挥引领作用,打造数字孪生的技术底座与生态。华为等致力于电力行业数字化转型的ICT企业应该充分发挥人才和技术优势,深入、持续地开发投入于电力数字孪生领域。

  在“十四五”期间,一是应大力进行数字孪生通用软件和公共技术平台的研发建设,及早建立我国数字孪生技术标准体系,确立我国数字孪生的技术路线,抢占数字孪生科技制高点;二是牵头开发传感器、物联网终端等数字孪生所必需的通用硬件设备设施,推进我国数字孪生实践应用水平,建设壮大我国数字孪生产业集群;三是大力开展数字孪生试点,进行数字孪生在多领域不同场景下的应用测试,加速扩展数字孪生影响力和市场边界,提升我们在数字孪生产业的市场份额和话语权,如着重开展大规模储能及其接入电网所需要的传感器研发、数字建模、自主分析决策等关键设备和技术平台等。

责任编辑:张媛媛  投稿邮箱:网上投稿