本文立足于對未來智慧城市建設(shè)方面對能源系統(tǒng)提出的要求,結(jié)合數(shù)字孿生(digital twin,DT)技術(shù)，為城市系統(tǒng)與能源系統(tǒng)兩者的融合、交互以及協(xié)調(diào)優(yōu)化奠定堅實的基礎(chǔ)，并圍繞綜合智慧能源管理系統(tǒng)的數(shù)字孿生理念展開分析,以期能夠為綜合智慧能源管理系統(tǒng)的發(fā)展提供一些理論上的借鑒。

數(shù)字孿生技術(shù)概述

首先,數(shù)字孿生技術(shù)又指數(shù)字鏡像或數(shù)字雙胞胎,它是通過構(gòu)建復(fù)雜的物理實體以此實現(xiàn)現(xiàn)實空間到虛擬數(shù)字空間的一種全息映射技術(shù),并利用虛實信息連接,模擬出物理系統(tǒng)的動態(tài)特征以及實時狀況。其次,數(shù)字孿生技術(shù)還集成了數(shù)據(jù)采集功能、數(shù)據(jù)仿真以及數(shù)據(jù)通信等多種學(xué)科的一種系統(tǒng)性工程。其中,仿真是該項技術(shù)的核心能力,可以實現(xiàn)對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)、動作以及狀態(tài)進行擬實。

綜合能源系統(tǒng)概述

傳統(tǒng)的能源管理系統(tǒng)主要是對電力、動力以及水道進行獨立管理,這種能源管理模式已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)的能源管理需求。而科學(xué)的、智慧的能源管理作為現(xiàn)代化信息集成模式,既實現(xiàn)了對資源配置的優(yōu)化和能源的改善,還實現(xiàn)了單一設(shè)備節(jié)能向智能化、系統(tǒng)化等方向轉(zhuǎn)變。因此,綜合智慧能源管理系統(tǒng)的設(shè)計,實現(xiàn)了對電力能源系統(tǒng)、動力能源系統(tǒng)等各個單元的數(shù)據(jù)進行采集和監(jiān)測,預(yù)測與管理等全面的智能管理模式,從而為高質(zhì)量能源和服務(wù)奠定了良好的基礎(chǔ)。因此,該系統(tǒng)形成了動態(tài)能源價格機制,利用電動汽車負荷調(diào)節(jié)與儲存裝置,根據(jù)電力不同階段需求,保障電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行?？傮w上來說,綜合智慧能源管理系統(tǒng)中應(yīng)用數(shù)字孿生,已經(jīng)成為綜合能源領(lǐng)域中的重要熱點問題。

綜合智慧能源管理系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計

綜合智慧能源管理系統(tǒng)的總體設(shè)計如圖1所示。首先,該系統(tǒng)的設(shè)計可以支持多種工業(yè)接口的應(yīng)用,如PLC接口、智能儀表接口以及在線分析儀接口、PDA接口、智能傳感器接口等。其次,該系統(tǒng)設(shè)計支持西門子Profinet通信協(xié)議等所有的通信協(xié)議。此外,還可以根據(jù)實際需求和網(wǎng)絡(luò)的情況,實現(xiàn)有限組網(wǎng)模式、有線和無線的混合組網(wǎng)模式、無線組網(wǎng)模式等多種類型。最后,能夠?qū)崿F(xiàn)對能源的能耗數(shù)據(jù)進行采集、分析和優(yōu)化控制管理。

綜合智慧能源管理系統(tǒng)軟件架構(gòu)設(shè)計

從系統(tǒng)軟件架構(gòu)方面來看,該系統(tǒng)的軟件架構(gòu)主要由能源實際管理、數(shù)據(jù)自定義、能耗信息報告以及終端能耗預(yù)警、能源監(jiān)控等構(gòu)成。具體如圖2所示。其中，從能源的實際管理方面來看，可以借助對不同類型能源介質(zhì)的單價或者動態(tài)的價格更新,計算產(chǎn)品生產(chǎn)的能源成本。并借助外供與回收的指標(biāo)，對產(chǎn)品能源成本進行綜合計算。從能源的情況方面來看,借助對能源數(shù)據(jù)的變化趨勢分析，可以為企業(yè)節(jié)能減排和綜合能源管理工作提供一定的數(shù)據(jù)支撐。從能源的監(jiān)控可視化方面來看，綜合智慧管理系統(tǒng)的設(shè)計可以實現(xiàn)對多種類型的能源介質(zhì)數(shù)據(jù)進行實時的采集和監(jiān)控,并利用數(shù)據(jù)可視化技術(shù)更加直觀地對能源數(shù)據(jù)進行展示。

綜合智慧能源管理系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計示意圖

系統(tǒng)軟件架構(gòu)設(shè)計示意圖

系統(tǒng)主要功能設(shè)計

數(shù)據(jù)采集功能

此功能通過利用采集分類以及對能耗數(shù)據(jù)計量分項等,為能耗數(shù)據(jù)精細化管理提供相應(yīng)的數(shù)據(jù),保障了能源數(shù)據(jù)的可靠性。數(shù)據(jù)采集得到的數(shù)據(jù)需要存儲在計算機當(dāng)中,并且還可以上傳到大數(shù)據(jù)之中,便于相關(guān)人員對能耗數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的監(jiān)控與管理,便于上級管理部分對能源的數(shù)據(jù)匯總進行統(tǒng)籌安排與管理。

數(shù)據(jù)監(jiān)測功能

數(shù)據(jù)監(jiān)測功能的設(shè)計主要是利用數(shù)據(jù)表格與圖表的模式,將采集得到的相關(guān)數(shù)據(jù)在綜合智慧能源監(jiān)控平臺中進行顯示和實時監(jiān)控,這對能源企業(yè)來說具有非常重要的作用。而數(shù)據(jù)監(jiān)測的精準(zhǔn)性會對工作人員把控現(xiàn)場具有重要的影響。因此,在綜合智慧能源管理系統(tǒng)設(shè)計時,需要可以做到及時對數(shù)據(jù)統(tǒng)計信息進行更新,并將數(shù)據(jù)以圖表方式或者文章的形式,在顯示器上進行顯示,使工作人員能夠更加直觀地從數(shù)據(jù)當(dāng)中獲得設(shè)備的信息,及時對相關(guān)設(shè)備狀態(tài)進行調(diào)整,能有效避免設(shè)備由于過熱或者電壓不足等情況發(fā)生故障,提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

能耗統(tǒng)計分析功能

從能耗統(tǒng)計的方面來看,該功能主要是對能耗的數(shù)據(jù)、能耗分項以及區(qū)域能耗和能耗指標(biāo)等進行統(tǒng)計。其中,還包含總能耗定比,也就是指實際消耗的能量所占據(jù)總能量的百分比,并利用百分數(shù)的方式進行表示。同時,總能耗主要用于綜合分析。因此,綜合智慧能源管理系統(tǒng)的設(shè)計,能夠自動實現(xiàn)對相應(yīng)的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計,并將統(tǒng)計完成的數(shù)據(jù)存儲在計算機數(shù)據(jù)庫當(dāng)中。這樣一來,用戶就可以利用數(shù)據(jù)管理軟件,直接實現(xiàn)對能耗比的信息進行查詢,并做出相應(yīng)的決策,使得其工作效率得到提高。從能耗分析方面來看。綜合智慧能源管理系統(tǒng)可以利用不同分析算法工具對能源消耗的數(shù)據(jù)進行計算與分析。并將其能耗進行分類成建筑能耗、區(qū)域能耗等類型計量數(shù)據(jù),從而匯總成統(tǒng)一的能耗值。并根據(jù)總能耗、但能耗以及對標(biāo)定等相關(guān)指標(biāo),實現(xiàn)對能耗水平進行綜合分析與對比。同時,在對比中利用標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)對比實現(xiàn),并生產(chǎn)對應(yīng)的圖標(biāo),以此實現(xiàn)對能耗數(shù)據(jù)的研究,為領(lǐng)導(dǎo)層的決策提供相應(yīng)的依據(jù)。

智慧能源管理功能

在工業(yè)生產(chǎn)過程時,綜合智慧能源管理系統(tǒng)的應(yīng)用可以合理有效地利用能源,以此降低能源消耗,使得經(jīng)濟效益得到提升。同時,可以將能源計劃、能源的管控以及統(tǒng)計分析等下放到各個單位當(dāng)中,從而使得節(jié)能工作責(zé)任得到明確。并且還可以實現(xiàn)對不同單位的能源消耗水平,設(shè)置定額用能實現(xiàn),以此達到節(jié)能減排,使得能源的利用效率得到提升。

智能故障診斷

智能分析功能主要包含了健康狀況分析、設(shè)備狀態(tài)分析以及故障診斷分析等3個功能構(gòu)成。其中,從設(shè)備的健康狀態(tài)方面進行分析,可以利用數(shù)據(jù)采集平臺中所存儲的設(shè)備每項指標(biāo)狀態(tài)數(shù)據(jù),展開全面的分析,并對各個類型的指標(biāo)與設(shè)備之間建立起相關(guān)性分析,并實現(xiàn)對設(shè)備的健康相關(guān)特征值,如特征頻率以及相位等進行重點的監(jiān)控。通過對設(shè)備的運行以及狀態(tài)監(jiān)測歷史數(shù)據(jù)進行對比分析,構(gòu)建關(guān)于設(shè)備的健康評估模型,從而幫助運維人員對設(shè)備的健康狀態(tài)進行評估。從設(shè)備的狀態(tài)評價方面來看,可以結(jié)合預(yù)定的特征值,在線實時對歷史工況與當(dāng)前類似的工況進行對比分析,結(jié)合大數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析和時序預(yù)測,實現(xiàn)對設(shè)備的狀態(tài)進行實時分析。最后,從故障診斷方面來看,該功能主要利用傳感器和智能數(shù)據(jù)采集設(shè)備兩者之間進行有效結(jié)合,實現(xiàn)多維在線監(jiān)測,從而實時地對設(shè)備的監(jiān)控狀態(tài)進行反映出來。并以多級報警方式,告知相應(yīng)工作人員,以此實現(xiàn)故障遠程診斷。

智能監(jiān)控功能

智能監(jiān)控功能在綜合智慧能源管理系統(tǒng)設(shè)計中,主要包含了配電網(wǎng)系統(tǒng)監(jiān)控、分布式發(fā)電系統(tǒng)監(jiān)控以及負荷監(jiān)控和儲能系統(tǒng)監(jiān)控等供熱供冷系統(tǒng)檢修監(jiān)控,以此實現(xiàn)對不同類型的能源系統(tǒng)設(shè)備工作狀態(tài)以及運行的數(shù)據(jù)進行全面的實時監(jiān)控,并根據(jù)不同數(shù)據(jù)進行實時運算。同時,將通過采集得到的實時數(shù)據(jù)利用三維可視化技術(shù)進行展現(xiàn)出來,以此使得信息的直觀性得到進一步的提高。并借助平臺下發(fā)相應(yīng)的操作指令,進行現(xiàn)在設(shè)備控制。同時,綜合智慧能源管理系統(tǒng),通過利用電力系統(tǒng)、能耗系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)圖形畫面,將現(xiàn)場設(shè)備的電壓值、電流值以及功率因數(shù)、電鍍等相應(yīng)的測量值在顯示屏上進行直觀地顯示出來。以此可以實現(xiàn)對不同回路的測量值、信號以及參數(shù)等進行實時監(jiān)測,此外還能夠根據(jù)實時記錄,進行故障報警和故障信號顯示。

數(shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù)在綜合智慧能源管理系統(tǒng)中的應(yīng)用

仿真與混合建模技術(shù)

在綜合智慧能源管理系統(tǒng)當(dāng)中數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用,將機械、電氣以及信息等多個類型的系統(tǒng)共同組成了智慧能源系統(tǒng),通過全面綜合對多物理場機械能分析和建模,使得智慧能源系統(tǒng)所需要出傳遞的虛實信息,在數(shù)字孿生模型當(dāng)中進行加載,并構(gòu)建出模型驅(qū)動和按數(shù)據(jù)驅(qū)動兩者結(jié)合的驅(qū)動模式,從而更加逼真。

信息安全防御機制

綜合智慧能源管理系統(tǒng)設(shè)計過程中,還包括信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),該系統(tǒng)主要依賴于網(wǎng)絡(luò)。并且,系統(tǒng)能夠正常地工作,還取決于信息交流的可靠性。如果,數(shù)據(jù)信息發(fā)生泄露的問題,就會導(dǎo)致系統(tǒng)的工作狀態(tài)受到印象。因此,這時就需要加強對網(wǎng)絡(luò)攻擊的監(jiān)測,以及對網(wǎng)絡(luò)防御技術(shù)進行研究,這樣一來可以更好地面對網(wǎng)絡(luò)中存在的攻擊行為,以此為綜合智慧能源管理系統(tǒng)的安全提供保障。

可視化與交互技術(shù)

數(shù)字孿生技術(shù)的數(shù)據(jù)仿真模型和一般數(shù)字仿真模型不同,數(shù)字孿生模型可以在虛實之間機械能交互。從而達到更新動態(tài)演化的效果,以此真實地映射出物理世界的動態(tài)效果。而可視化技術(shù)的應(yīng)用,可以為用戶提供更加清晰的視覺,實現(xiàn)算法與模型的可視化。

多能協(xié)同優(yōu)化技術(shù)

在綜合智慧能源管理系統(tǒng)當(dāng)中,多能協(xié)同優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用,可以為用戶提供分布式的供能,并借助智慧能源管理系統(tǒng)的多能協(xié)同優(yōu)化調(diào)度策略,使得能源的利用效率得到提高,并達到不同類型的能源之間互相協(xié)調(diào)與互補。同時,在有效保障用戶的穩(wěn)定能源供給時,通過對可再生能源在綜合智慧能源管理系統(tǒng)當(dāng)中的占比以及利用率進行提升,可以有效減少對不可再生能源的依賴,從而達到有效地節(jié)能減排目的。最后,利用合理的控制模型,還可以實現(xiàn)主動配電網(wǎng),對分布式能源進行優(yōu)化調(diào)度以及主動管理。

結(jié)語

綜上所述,綜合智慧能源管理系統(tǒng)設(shè)計過程中,數(shù)字孿生技術(shù)得以應(yīng)用,為智慧城市、數(shù)字化城市當(dāng)中的海量數(shù)據(jù)連接提供了技術(shù)上的支撐?？梢允沟媚茉聪到y(tǒng)和城市當(dāng)中的各個領(lǐng)域,利用數(shù)據(jù)空間,實現(xiàn)互聯(lián)互通、協(xié)同運行,這對未來智慧城市的綜合智慧能源管理系統(tǒng)發(fā)展提供了方向。同時,綜合智慧能源管理系統(tǒng)中的數(shù)字孿生,主要以建模與仿真為基礎(chǔ),打破了多物理、信息混雜系統(tǒng)綜合建模以及數(shù)據(jù)驅(qū)動等場景中的應(yīng)用方面的技術(shù)問題。經(jīng)分析表明在數(shù)字孿生應(yīng)用下,綜合智慧能源管理系統(tǒng),在規(guī)劃設(shè)計、預(yù)測維護以及多領(lǐng)域協(xié)調(diào)互動發(fā)展方面具有重要的應(yīng)用價值,這對促進智慧能源管理水平的提升具有現(xiàn)實意義。