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清華大學能源互聯網創新研究院  高峰

中國發展研究院  魏東

中國科學院電工研究所  葉華

當前,數字孿生被廣泛運用在電力、交通、醫療、城市管理等各個領域當中,正顯現出非同一般的璀璨光輝。其作為實現數字電網比特和瓦特深度融合目標的重要實現手段,正在持續演進。需要深入認識和理解數字孿生的本質與機理,明晰其對數字電網的價值與作用,促進數字比特革命與能源瓦特革命的有機結合,實現清潔低碳、安全高效的電力系統支撐下的數字經濟快速發展。

一、對數字孿生的認知

隨著企業界和學術界對數字孿生的不斷解讀,其定義、內涵和其他一些相關概念的界限也越來越模糊。如NASA從與系統工程能力結合的角度,提出了MBSE(基于模型的系統工程);國外公司用數字孿生來支撐其工業4.0、智慧制造和數字工廠。我們還看到了智慧城市語境下的數字孿生,建築BIM語境下的數字孿生,機器人語境下的數字孿生,等等。從目前公開的研究資料來看,大多數還是把數字孿生視為某種技術集成體系,少有人意識到,放大到社會學的角度上,數字孿生具有一般科技難以具備的思想價值。

我們不應簡單地從技術或技術集成的角度來理解數字孿生,而應認識到數字孿生將是在未來信息社會形態下構建“數字世界”重要基礎方法之一,需要從思想和理論角度對數字孿生進行深入認知與研究。

數字孿生的本質是對物理世界進行數字化解構,並在虛擬世界進行數字化重構的過程。虛擬世界包含三類個體︰一為數字原生體,其完全在虛擬世界中產生,以數字形態存在于虛擬世界,如網絡小說、微博等網絡創作與社交等;二為數字孿生體,其為物理世界在虛擬世界中的孿生鏡像;三為數字混合體,是前兩者的融合,其產生、存在、消費乃至消亡過程中的某些部分只存在于虛擬世界,而另外的部分則伴隨物理世界存在。

在可預見的未來,人類生產生活的大部分信息交互、決策都將在虛擬世界之中完成,並通過虛擬世界向物理世界發出指令,控制物理世界的運行。作為連通物理世界與虛擬世界的數字孿生,起著超越技術的重要作用。電力行業由于其產品與服務的特殊性,在這方面積累深厚,如調度員培訓仿真系統(DTS)作為電網調度的數字孿生,其在二三十年前就已得到應用,早已成為電網培訓調度人員的有力工具。

二、數字孿生的構建

從物理世界通過信息技術生成數字孿生體可分為三個過程,即映射、再現和校準。

映射是對物理世界實體的外觀、構造、材質和理化指標等表征數據進行采集,運用相應軟件在虛擬世界構建數字孿生體,即物理實體的表征孿生。這是對物理世界實體靜態、節點式的數字描述,常見的是三維建模。數字電網在主設備級已經或具備條件完成映射工作,有些已實現輔助設備的映射,如國網上海電力公司的數字孿生變電站已實現20多個孿生子站。

再現是通過剖析、理解和掌握物理世界實體的運行規律,建立相對應的數學模型,並通過信息技術在虛擬世界建立數字孿生體,即物理實體的機理孿生。對于單體來說,主要是全生命周期模型的建立;對于系統來說,重點是系統運行的規則體系。電網的調度、運檢等業務信息系統已將科學家、工程師百年來研究探索出來的電力系統穩態、暫態等設備和系統機理有機地融入,然而數字電網面對的是新數據、新設備、新技術、新用戶、新模式帶來的挑戰,要通過校準過程來應對未知與創新。

校準是通過觀測→修正→運行→再觀測的反復循環,使得數字孿生體無限趨近于物理實體,在盡可能的尺度下達到兩者的同步運行地過程。校準過程有助于我們認知發現物理實體本質規律、識別物理實體的表征數據需求,從而構建更加精準的機理孿生和表征孿生。

三、數字孿生的應用

數字孿生在各領域實際應用中體現在狀態洞察、實時操控、趨勢預測和模擬實驗等方面。同時,通過三維模型和可視化手段,數字孿生還可以把各個方面的專業數據匯集在同一個平台之上並直觀地表現出來,既可以促進在內部不同部門之間貫通數字主線,也可以進一步與客戶、供應商乃至政府、公眾進行相應聯接,成為通用平台,甚至進一步拓展企業的競爭邊界。目前數字孿生在電網中主要應用于以下方面︰運行監測、預測預警、監管審查、模擬實驗、研發創新。隨著數字電網的發展,數字孿生將在各種新技術、新模式、新業態下大顯身手。

如為支撐可再生能源快速發展,充分利用和發展海量分布式儲能將是關鍵手段。但目前大規模分布式儲能仍面臨著小容量單體差異性成網引起的“短板效應”等技術難題。通過儲能虛擬化與數字孿生技術把儲能系統轉變為軟件定義型資源,通過互聯網實現柔性組合、即連即用,則是解決之道。當前再現過程已建立了基于智能電力電子開關的規模化超級電容器、電池儲能串並聯網絡模型等,構建了分布式儲能及其接入配電網的數字孿生技術架構;校準過程已提出了數字孿生仿真與儲能監測等多業務系統的信息實時交互校準技術與方法。

四、當下的工作

數字孿生的實現需要“表里如一”,這里的“一”是指物理世界,表征孿生為基礎,機理孿生為目標。沒有表征孿生,一切無從談起,其實現需要傳感、建模的支撐。沒有機理孿生,數字孿生就是花瓶,中看不中用,其實現需要大數據、人工智能的支撐。目前國內對數字孿生開展的研究仍然是以概念性研究和應用性研究居多,而對于實現數字孿生所需要的傳感、建模等通用技術平台、基礎裝備方面,卻缺乏企業進行大力度的深入開發投入。數字孿生對于建設數字電網意義重大,我國電力企業擁有著充足優質的人才團隊和科研資源,完全有能力也有責任發揮引領作用,打造數字孿生的技術底座與生態。華為等致力于電力行業數字化轉型的ICT企業應該充分發揮人才和技術優勢,深入、持續地開發投入于電力數字孿生領域。

在“十四五”期間,一是應大力進行數字孿生通用軟件和公共技術平台的研發建設,及早建立我國數字孿生技術標準體系,確立我國數字孿生的技術路線,搶佔數字孿生科技制高點;二是牽頭開發傳感器、物聯網終端等數字孿生所必需的通用硬件設備設施,推進我國數字孿生實踐應用水平,建設壯大我國數字孿生產業集群;三是大力開展數字孿生試點,進行數字孿生在多領域不同場景下的應用測試,加速擴展數字孿生影響力和市場邊界,提升我們在數字孿生產業的市場份額和話語權,如著重開展大規模儲能及其接入電網所需要的傳感器研發、數字建模、自主分析決策等關鍵設備和技術平台等。

      關鍵詞︰ 數字孿生
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