本文摘要：摘要：針對數(shù)字孿生在電力系統(tǒng)中面臨的概念模糊、項目數(shù)量眾多卻缺乏評價標(biāo)準(zhǔn)、與傳統(tǒng)仿真區(qū)別不明等三個問題，通過分析數(shù)字孿生的多種定義，澄清數(shù)字孿生及其相關(guān)基本概念;從數(shù)字孿生應(yīng)當(dāng)具備的主要特征出發(fā)，提出數(shù)字孿生項目成熟度評價的五個維度;通過回顧電力系統(tǒng)
摘要：針對數(shù)字孿生在電力系統(tǒng)中面臨的概念模糊、項目數(shù)量眾多卻缺乏評價標(biāo)準(zhǔn)、與傳統(tǒng)仿真區(qū)別不明等三個問題，通過分析數(shù)字孿生的多種定義，澄清數(shù)字孿生及其相關(guān)基本概念;從數(shù)字孿生應(yīng)當(dāng)具備的主要特征出發(fā)，提出數(shù)字孿生項目成熟度評價的五個維度;通過回顧電力系統(tǒng)仿真工具的發(fā)展歷史，剖析電力系統(tǒng)無法孕育數(shù)字孿生概念的根本原因，明確數(shù)字孿生與電力系統(tǒng)仿真的區(qū)別。在此基礎(chǔ)上，提出數(shù)字孿生在電力系統(tǒng)應(yīng)用的發(fā)展方向和賦能領(lǐng)域，并介紹了數(shù)字孿生的常用構(gòu)建技術(shù)。最后，以基于熱泵的制冷供熱系統(tǒng)數(shù)字孿生項目為例，展示數(shù)字孿生的基本特征，并結(jié)合所提成熟度評價方法對此項目進行評價分析。
關(guān)鍵詞：建模;仿真;數(shù)字孿生;新型電力系統(tǒng)
1引言
在以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化為核心的“工業(yè)4.0”背景下，數(shù)字孿生以其深度融合新一代信息技術(shù)和數(shù)字模型的理念引發(fā)工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的關(guān)注。通過物理對象和虛擬模型的交互，數(shù)字孿生能夠刻畫物理對象的多維屬性、實際行為和狀態(tài)，分析物理對象的未來發(fā)展趨勢，從而實現(xiàn)對物理對象的監(jiān)控、仿真、預(yù)測、優(yōu)化等實際功能服務(wù)和應(yīng)用需求[1]。自航天和軍工領(lǐng)域引發(fā)數(shù)字孿生概念的熱潮以來[2,3]，信息化、數(shù)字化技術(shù)的快速發(fā)展進一步推動了數(shù)字孿生在制造業(yè)、城市管理、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)、電力等多個行業(yè)的研究與應(yīng)用落地。
在制造業(yè)，數(shù)字孿生有望解決先進制造中物理世界和信息世界如何交互與共融的難題。因此，陶飛等人提出“數(shù)字孿生車間”的概念[4]，并在常用的三維模型(物理實體、虛擬實體及連接)的基礎(chǔ)上增加服務(wù)和孿生數(shù)據(jù)兩個維度，提出數(shù)字孿生五維模型的概念以適應(yīng)數(shù)字孿生車間研究過程中的新需求[5]。
在此基礎(chǔ)上，文獻[1]提出數(shù)字孿生模型的構(gòu)建準(zhǔn)則和理論體系，并以數(shù)字孿生車間為例開展具體研究和分析。在城市管理領(lǐng)域，文獻[6]探討數(shù)字孿生城市的理念及其背后可能的支撐技術(shù)，提出利用城市孿生體評估、預(yù)測城市狀態(tài)來輔助管理者的決策。文獻[7]提出在智慧城市的背景下，健康醫(yī)療服務(wù)的ISO/IEEE11073標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)字孿生框架。在醫(yī)療健康領(lǐng)域，文獻[8]利用數(shù)字孿生跟蹤人體的健康狀況，通過預(yù)測體能狀態(tài)來提供針對性健康管理建議。
在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，文獻[9]通過探討數(shù)字孿生可能給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供的附加價值，提出數(shù)字孿生在農(nóng)業(yè)中可行的應(yīng)用技術(shù)路線。在能源電力領(lǐng)域，數(shù)字孿生技術(shù)也正在提供潛在的價值增長點，相關(guān)研究和應(yīng)用呈逐年增長趨勢，并逐漸滲透到電力行業(yè)的各個環(huán)節(jié)。在宏觀研究層面，文獻[10]指出電力系統(tǒng)數(shù)字孿生旨在認(rèn)知電力系統(tǒng)繼而輔助電網(wǎng)的決策制定，并通過實時態(tài)勢感知、超實時虛擬推演的手段以實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動、實時交互和閉環(huán)反饋的3大特點。
文獻[11]通過結(jié)合數(shù)字孿生的定義和智能電網(wǎng)的特點給出智能電網(wǎng)數(shù)字孿生的定義，給出智能電網(wǎng)數(shù)字孿生的整體框架和關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，最后介紹一種對構(gòu)建數(shù)字孿生關(guān)鍵步驟進行實踐的智能電網(wǎng)數(shù)字孿生原型系統(tǒng)CloudPSS。文獻[12]給出了面向智能發(fā)電的數(shù)字孿生定義，并提出了智能發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)字孿生架構(gòu)及部署的一般性方法。文獻[13]提出輸變電設(shè)備狀態(tài)評估中的數(shù)字孿生技術(shù)架構(gòu)，并深入分析數(shù)字孿生技術(shù)在輸變電設(shè)備狀態(tài)評估應(yīng)用中面臨的挑戰(zhàn)及發(fā)展前景。
針對以電力系統(tǒng)為核心的能源互聯(lián)網(wǎng)，文獻[14]給出了能源互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字孿生的定義、構(gòu)建方式與可能應(yīng)用，并介紹了基于數(shù)字孿生的能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃平臺——CloudIEPS。文獻[15]提出了針對能源互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字孿生系統(tǒng)的總體框架及技術(shù)路線，并分析了具體實施過程中需要突破的關(guān)鍵問題。在微觀研究層面，數(shù)字孿生技術(shù)的潛在應(yīng)用方向十分廣泛。在電力系統(tǒng)分析方面，文獻[16]提出一種基于數(shù)字孿生的交直流電網(wǎng)秒級在線實時分析方法。
文獻[17]提出一種基于數(shù)字孿生概念的狀態(tài)估計方法，用于實時監(jiān)測電網(wǎng)狀態(tài)，并根據(jù)可能的未來事件對電網(wǎng)狀態(tài)進行預(yù)測。在優(yōu)化運行方面，文獻[18]提出了一種基于數(shù)字孿生驅(qū)動的智慧微電網(wǎng)多智能體協(xié)調(diào)控制架構(gòu)，并搭建微電網(wǎng)半實物仿真模型驗證了所提基于數(shù)字孿生驅(qū)動的多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度策略。在電力設(shè)備健康狀態(tài)評估方面，文獻[19]提出一種用于分布式光伏系統(tǒng)故障診斷的數(shù)字孿生設(shè)計方法，并通過仿真實驗驗證數(shù)字孿生技術(shù)可提高診斷方法的故障敏感性。在電力系統(tǒng)信息安全方面。
文獻[20]提出的一種基于物聯(lián)網(wǎng)的信息物理系統(tǒng)數(shù)字孿生模型，通過與控制系統(tǒng)交互來緩解協(xié)同虛假數(shù)據(jù)注入和網(wǎng)絡(luò)攻擊，保障控制系統(tǒng)的正常運行。在電力系統(tǒng)繼電保護方面，文獻[21]提出基于數(shù)字孿生的柔性直流輸電系統(tǒng)縱聯(lián)保護原理，并通過仿真證明數(shù)字孿生可以全面提升保護性能，緩解直流保護中的“四性”矛盾。在應(yīng)用層面，西門子公司通過開發(fā)針對芬蘭電力系統(tǒng)規(guī)劃、運行和維護的數(shù)字孿生系統(tǒng)，顯著提高其自動化程度、數(shù)據(jù)利用率和決策能力[22]。通用電氣公司利用數(shù)字孿生優(yōu)化風(fēng)電場開發(fā)、運營和維護的全過程[23]。
在國家電網(wǎng)公司2020年和2021年的科技項目指南中，數(shù)字孿生技術(shù)備受關(guān)切，相關(guān)內(nèi)容包括基于數(shù)字孿生的變電設(shè)備綜合狀態(tài)評估、調(diào)度控制系統(tǒng)數(shù)字孿生平臺研究、基于數(shù)字孿生的特高壓直流輸電系統(tǒng)能效計量與降損技術(shù)、風(fēng)光儲基地數(shù)字孿生建模等等。無庸贅述，數(shù)字孿生的價值正吸引越來越多研究者的關(guān)注，并有望為電力系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)注入新的活力。盡管如此，電力系統(tǒng)中的數(shù)字孿生研究尚處于萌芽階段，仍有眾多關(guān)鍵問題備受業(yè)界關(guān)注且亟待厘清：
1)數(shù)字孿生的定義和內(nèi)涵隨著研究的深入反而越來越模糊，數(shù)字孿生是否具有被普遍接受的統(tǒng)一概念與定義?2)如何判斷某一具體數(shù)字孿生項目和理想數(shù)字孿生的距離，以排除部分研究將傳統(tǒng)技術(shù)貼上數(shù)字孿生標(biāo)簽進行“炒作”的可能。更重要的是，如何建立數(shù)字孿生項目的評價標(biāo)準(zhǔn)，以推進相關(guān)項目真正發(fā)揮數(shù)字孿生概念的優(yōu)勢?3)電力行業(yè)積累了多年建模仿真的有關(guān)經(jīng)驗，卻沒有率先提出數(shù)字孿生的概念，那么數(shù)字孿生與電力系統(tǒng)傳統(tǒng)仿真的區(qū)別到底是什么?
為回答上述問題，本文首先澄清關(guān)于數(shù)字孿生的幾個基本概念，總結(jié)出不同定義下數(shù)字孿生的共同特點;然后，提出數(shù)字孿生項目的成熟度評價方法;接下來，剖析電力系統(tǒng)無法孕育數(shù)字孿生概念的根本原因，明確數(shù)字孿生與電力系統(tǒng)仿真的區(qū)別。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)電力系統(tǒng)的特點，分析數(shù)字孿生在電力系統(tǒng)應(yīng)用的發(fā)展方向和潛在賦能領(lǐng)域，并介紹了幾種數(shù)字孿生的常用構(gòu)建技術(shù)。最后，以基于熱泵的樓宇制冷供熱系統(tǒng)數(shù)字孿生為例展示數(shù)字孿生技術(shù)的重要作用。
2數(shù)字孿生概念辨析隨著相關(guān)研究和應(yīng)用在各行業(yè)的深入，不同的研究者對數(shù)字孿生的理解越來越多樣化。這些研究者根據(jù)自己的理解對數(shù)字孿生給出了不同的定義。不同定義不僅從不同角度和側(cè)重點進行詮釋，指向的對象也不統(tǒng)一。本章節(jié)通過分析和比較不同文獻中數(shù)字孿生的多種定義，總結(jié)產(chǎn)生不同解讀的原因，希望澄清與數(shù)字孿生有關(guān)的基本概念，最后總結(jié)數(shù)字孿生的主要特點。
2.1數(shù)字孿生的不同理解
數(shù)字孿生的理念最早由密歇根大學(xué)MichaelGrieves教授于2002年針對產(chǎn)品全生命周期管理(PLM)提出[24]。起初，使用“鏡像空間模型(MirroredSpaceModel,MSM)”一詞，后命名為“數(shù)字孿生”。盡管術(shù)語發(fā)生變化，背后的思想均為在數(shù)字空間建立物理對象的鏡像模型，通過比較工程設(shè)計和數(shù)學(xué)模型的區(qū)別，來更好地理解理論設(shè)計與實際生產(chǎn)，以期加強對設(shè)備全生命周期的有效管理。
隨著信息技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字孿生逐漸成為研究熱點，也產(chǎn)生了諸多不同的定義。目前被使用的最多的定義來自NASA于2010年發(fā)布的報告《建模，仿真，信息技術(shù)與處理路線圖》[25]：“數(shù)字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應(yīng)的實體裝備的全生命周期過程。”不僅如此，數(shù)字孿生還被強調(diào)為一個“基于仿真的系統(tǒng)工程”(Simulation-BasedSystemsEngineering)。在以多物理場仿真為核心技術(shù)的Ansys公司的數(shù)字孿生定義中，還提到仿真模型需利用傳感器數(shù)據(jù)實現(xiàn)與真實世界的實時性與同步性[26]。
張霖等人[27,28]通過列舉工業(yè)界和學(xué)術(shù)界對數(shù)字孿生的9種代表性解讀并分析不同定義背后的邏輯關(guān)聯(lián)，最后將數(shù)字孿生歸結(jié)為物理對象的數(shù)字模型，且該模型必須通過接收來自物理對象的數(shù)據(jù)而實時演化，從而與物理對象在全生命周期保持一致。在此基礎(chǔ)上，人們可以利用這個模型進行分析、預(yù)測、診斷、訓(xùn)練等(即仿真)，并將仿真結(jié)果反饋給物理對象，從而幫助對物理對象進行優(yōu)化和決策。除以上定義外，數(shù)字孿生還有諸如數(shù)字副本[29]、動態(tài)虛擬表示[30,31]等多種解讀。
對比上述關(guān)于數(shù)字孿生的各種定義，本質(zhì)區(qū)別在于“數(shù)字孿生”一詞在不同語境下被指向了數(shù)字模型、物理實體及其數(shù)字模型所構(gòu)成的整體和支撐其發(fā)展的信息技術(shù)這幾個不同對象。若要厘清不同概念間的聯(lián)系與區(qū)別，可分別以“數(shù)字孿生體”指代數(shù)字空間中和物理對象對應(yīng)的數(shù)字模型，以“物理-數(shù)字孿生系統(tǒng)”指代物理實體與其數(shù)字孿生體構(gòu)成的整體，以“數(shù)字孿生技術(shù)”指代所有涉及到構(gòu)造數(shù)字空間模型以及基于該模型進行仿真、分析、預(yù)測和控制的各種技術(shù)。
總之，在目前的多數(shù)文獻中，數(shù)字孿生往往被用作一個整體名詞指代與之相關(guān)的各個組成部分，從而造成了數(shù)字孿生概念的不同定義。實際上，數(shù)字孿生如果在不同語境中可以用于指代與之相關(guān)的不同對象，也就無需將其約束在統(tǒng)一的定義之下并嚴(yán)格限制其使用范圍。
更進一步，數(shù)字孿生可以理解成一種理念：一方面，在數(shù)字空間中構(gòu)建能夠反映物理對象客觀變化規(guī)律的數(shù)字空間模型(數(shù)字孿生體)，并利用該模型推演、預(yù)測物理對象的變化趨勢，驗證控制規(guī)律，從而改變物理對象的演化軌跡;另一方面，持續(xù)利用對物理對象的觀測，積累對物理對象的認(rèn)知，從而對其數(shù)字空間模型不斷進行改進，使之能更準(zhǔn)確地反映物理變化規(guī)律�？傊裟芾斫�“數(shù)字孿生”被用作整體名詞，在不同語境中指代“數(shù)字孿生體”、“物理-數(shù)字孿生系統(tǒng)”和“數(shù)字孿生技術(shù)”等不同對象，就能理解造成數(shù)字孿生不同定義的原因。若能將數(shù)字孿生作為一種理念來理解其核心思想，也就不必糾結(jié)于統(tǒng)一的定義�；谝陨险J(rèn)識，為行文簡潔，除非必要，下文中將數(shù)字孿生將被用作整體名詞，在不同的語境中指代不同對象。
2.2數(shù)字孿生的特點
盡管現(xiàn)有文獻對數(shù)字孿生的定義尚未統(tǒng)一，但在多種解讀的背后，仍可以發(fā)現(xiàn)數(shù)字孿生的核心特點。首先，“孿生”意為“雙胞胎”，代表物理實體和其數(shù)學(xué)模型之間具有“相同基因”，換言之，具有相同的物理規(guī)律和運行機理。因此，“相同基因”構(gòu)成了數(shù)字孿生必備的基本特點。除此之外，還可以梳理出數(shù)字孿生的其他四個重要特點，分別是自治、同步、互動、共生。
1)自治數(shù)字孿生體，即物理實體的數(shù)字模型，和物理實體一樣，服從相同的物理規(guī)律，并在此規(guī)律的驅(qū)動下獨立演化。具體來說，在給定的數(shù)字空間邊界條件下，數(shù)字孿生體通過仿真即可自主推演并獲得輸出變量的演化軌跡，該過程可以獨立于物理實體。自治特性為數(shù)字孿生的模擬推演能力賦能，通過賦予數(shù)字孿生體不同的邊界條件，可以推演不同外部因素對物理實體產(chǎn)生的影響。
2)同步同步具有以下兩層含義。第一層含義為：在利用數(shù)字孿生體推演物理實體的變化軌跡時，需要利用物理實體的當(dāng)前狀態(tài)對數(shù)字孿生體進行初始化，使數(shù)字孿生體和物理實體初始條件保持一致。第二層含義為：支配物理實體演化的物理規(guī)律和數(shù)字孿生體所蘊含的物理規(guī)律需保持一致。
在客觀世界中，物理實體時刻處于變化和發(fā)展的過程中，因此，數(shù)字孿生模型需要根據(jù)物理實體的變化不斷修正自身結(jié)構(gòu)與參數(shù)，從而準(zhǔn)確反映當(dāng)前物理規(guī)律。為了實現(xiàn)數(shù)字孿生體和物理實體的同步，特別是在動態(tài)過程分析領(lǐng)域，數(shù)字孿生通過構(gòu)建數(shù)據(jù)驅(qū)動的統(tǒng)計相關(guān)性模型來彌補知識驅(qū)動的微分代數(shù)模型的動態(tài)建模不完備的缺陷[11]，并通過與物理實體間的雙向數(shù)據(jù)交互確保數(shù)字孿生與物理實體的狀態(tài)同步。同步性確保了利用數(shù)字孿生體推演物理實體演化軌跡的準(zhǔn)確性。
3)互動互動性指數(shù)字孿生體和物理實體間的雙向影響。一方面，通過在數(shù)字孿生體上預(yù)測物理實體的變化趨勢，可以對不同的控制策略進行篩選，從而改變物理實體的演化軌跡;另一方面，通過對物理實體的觀察和分析，可以不斷增進對物理實體的認(rèn)知，從而改進數(shù)字孿生體，使其能夠更加準(zhǔn)確地反映物理實體的變化規(guī)律。互動性是數(shù)字孿生的關(guān)鍵特征，也是數(shù)字孿生理念存在和發(fā)展的前提與保障。若失去了互動能力，數(shù)字孿生也就無法服務(wù)于認(rèn)識世界和改造世界的目的了。
4)共生共生指數(shù)字孿生體和物理實體有利于彼此的發(fā)展。對于物理實體，數(shù)字孿生體通過預(yù)測物理實體的未來運行態(tài)勢為不同控制策略提供驗證平臺，從而篩選出合適的控制，實現(xiàn)物理實體發(fā)展軌跡的調(diào)整;對于數(shù)字孿生體，物理實體的存在幫助技術(shù)人員更深刻地認(rèn)識研究對象，從而實現(xiàn)數(shù)字孿生體的調(diào)整和升級。共生是數(shù)字孿生理念存在的目的和意義，即認(rèn)識世界和改造世界。可以說，正是這些特點將數(shù)字孿生與傳統(tǒng)建模和仿真技術(shù)區(qū)別開來，并支撐著數(shù)字孿生概念的發(fā)展。
3數(shù)字孿生項目的成熟度評價
從以上數(shù)字孿生的特點出發(fā)，可進一步賦予物理-數(shù)字孿生系統(tǒng)五個基本能力或者說性質(zhì)，分別是可視性、可預(yù)測性、可假設(shè)性、可解釋性和可互動性[32]。更進一步，利用這五條性質(zhì)可以對數(shù)字孿生項目的成熟度從多角度進行評價，由此判斷其和理想數(shù)字孿生的距離，并為下一步工作的推進提供指導(dǎo)。
4電力系統(tǒng)仿真與數(shù)字孿生
數(shù)字孿生雖然在不同文獻中的定義不盡相同，但其技術(shù)的核心幾乎都指向建模和仿真。因此，真正明確電力系統(tǒng)中數(shù)字孿生的優(yōu)勢必須要厘清數(shù)字孿生和傳統(tǒng)意義上的建模仿真的聯(lián)系和區(qū)別。本章通過回顧電力系統(tǒng)仿真工具的發(fā)展歷史，分析電力系統(tǒng)難以孕育數(shù)字孿生概念的原因，最后總結(jié)電力系統(tǒng)傳統(tǒng)仿真與數(shù)字孿生的區(qū)別。
4.1電力系統(tǒng)仿真工具的發(fā)展歷史
在電力行業(yè)，人們通過仿真認(rèn)識電力系統(tǒng)的物理規(guī)律并指導(dǎo)生產(chǎn)已有較長一段歷史。促使電力系統(tǒng)大規(guī)模使用仿真工具的標(biāo)志性事件是1965年的北美大停電。在此之前，電力系統(tǒng)的計算只涉及靜態(tài)潮流計算，利用仿真工具輔助電力系統(tǒng)運行和管理尚未普及。1965年的大規(guī)模故障造成了巨大損失，從此引發(fā)了業(yè)界對電力系統(tǒng)動態(tài)行為研究的熱潮。
70年代，由于電力系統(tǒng)動態(tài)的快速性與復(fù)雜性決定其只能通過仿真的方式進行分析計算，電力系統(tǒng)行業(yè)開展了大量建模仿真工作。能量管理系統(tǒng)(EMS)和調(diào)度員培訓(xùn)模擬系統(tǒng)(DTS)在此背景下應(yīng)運而生，并迅速得到推廣。但由于電力系統(tǒng)動態(tài)特性復(fù)雜，計算規(guī)模龐大，模型參數(shù)精度有限，電力行業(yè)的工程師往往僅對簡化后的電力系統(tǒng)進行仿真。簡化包括空間尺度上的簡化，即僅對局部電力系統(tǒng)仿真;時間尺度上的簡化，即僅關(guān)注電力系統(tǒng)某個時間尺度的動態(tài)。
得到計算結(jié)果以后，還需要反復(fù)校核來確認(rèn)其準(zhǔn)確性。以調(diào)度運行方式的N-1靜態(tài)安全校核為例，電網(wǎng)公司一般只對調(diào)度范圍內(nèi)電網(wǎng)進行計算，這是空間上的簡化;校核的目的是防止某些系統(tǒng)運行狀態(tài)越限(如線路過載)，所以采用的是網(wǎng)絡(luò)的靜態(tài)模型(潮流模型)，這是時間尺度上的簡化。校核的方式來源于實際系統(tǒng)，并通過反復(fù)修訂使之能代表實際運行工況;若仿真發(fā)現(xiàn)某假設(shè)故障校核不通過，則不斷調(diào)整運行方式直到通過;最后將校核完成的運行方式應(yīng)用于實際生產(chǎn)。為了避免模型參數(shù)不準(zhǔn)確以及算法局限帶來的誤差，計算結(jié)果也并非直接采用，而是在其基礎(chǔ)上通過增加裕量等方式間接影響系統(tǒng)運行。
可以看出，電力系統(tǒng)仿真工具的適用范圍被嚴(yán)格限制，即使通過仿真校核，比如控制策略，也很少讓其自動閉環(huán)�？偨Y(jié)以上電力系統(tǒng)應(yīng)用仿真工具的歷史，從使用目的來看，傳統(tǒng)仿真往往只能被作為一種計算工具用于輔助決策;從仿真對象的動態(tài)時間尺度來看，受仿真能力限制，一般僅針對時間常數(shù)較大其實時性要求不高的過程，比如前述的運行方式N-1靜態(tài)安全校核。需要注意的是，在以上N-1校核的實踐過程中，仿真和實際系統(tǒng)間存在著某種形式的互動，這雖然是數(shù)字孿生的基本性質(zhì).之一，但客觀來講，數(shù)字孿生的理念并沒有在電力系統(tǒng)中得到廣泛的實踐。
4.2電力系統(tǒng)難以孕育數(shù)字孿生概念的原因
電力行業(yè)盡管早就利用仿真認(rèn)識電力系統(tǒng)并用來輔助制定控制策略，但是沒有產(chǎn)生數(shù)字孿生的概念，背后的原因與電力系統(tǒng)的復(fù)雜性極其相關(guān)。電力系統(tǒng)是一個具有多時間尺度、動態(tài)特性豐富的復(fù)雜系統(tǒng)，比如納秒級的電力電子開關(guān)動態(tài)過程、微秒級的電磁暫態(tài)過程、毫秒級到秒級的機電暫態(tài)過程、分鐘級到小時級的中長期動態(tài)過程，若涉及規(guī)劃，時間常數(shù)更是以年甚至幾十年計。對傳統(tǒng)電力系統(tǒng)而言，上述不同時間尺度的動態(tài)雖然存在一定程度的耦合，但是耦合性并不強。
5電力系統(tǒng)數(shù)字孿生應(yīng)用展望
在厘清數(shù)字孿生和傳統(tǒng)意義上建模仿真的聯(lián)系和區(qū)別后，本章將展望電力系統(tǒng)數(shù)字孿生的發(fā)展方向和賦能領(lǐng)域。
5.1電力系統(tǒng)數(shù)字孿生發(fā)展方向
回顧電力系統(tǒng)的數(shù)字化進程，盧強院士早在2000年就提出了數(shù)字電力系統(tǒng)的概念[33]：“實際運行的電力系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)、物理特性、技術(shù)性能、經(jīng)濟管理、環(huán)保指標(biāo)、人員狀況、科教活動等數(shù)字地、形象化地、實時地描述與再現(xiàn)。”文獻[33]中還強調(diào)可以利用數(shù)字電力系統(tǒng)“改善系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性，制定和實施經(jīng)濟運行策略，對電力系統(tǒng)實施緊急控制和反事故控制等”。實際上，數(shù)字電力系統(tǒng)與數(shù)字孿生技術(shù)都蘊含著在數(shù)字空間中構(gòu)建模型，從而實現(xiàn)物理對象的控制及改善這一理念。因此，數(shù)字電力系統(tǒng)便是電力系統(tǒng)數(shù)字孿生[14]，只是沒有采用“孿生”一詞。
6數(shù)字孿生常用構(gòu)建技術(shù)
構(gòu)建一個高可信度、高質(zhì)量的數(shù)字孿生模型是開展各類數(shù)字孿生應(yīng)用的核心和基礎(chǔ)。目前，數(shù)字孿生在各領(lǐng)域相關(guān)實踐中常用的關(guān)鍵技術(shù)很多，比如知識和數(shù)據(jù)驅(qū)動的融合建模技術(shù)、高性能計算技術(shù)、虛擬化和容器技術(shù)、深度學(xué)習(xí)和人工智能技術(shù)和3D建模技術(shù)等等。此外，由于電力系統(tǒng)的特殊性，數(shù)字孿生在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用還需依靠數(shù)字化交付技術(shù)和中臺技術(shù)。數(shù)字孿生常用構(gòu)建技術(shù)的體系化描述可參考數(shù)字孿生車間的關(guān)鍵技術(shù)分類[4]。
盡管電力系統(tǒng)和車間生產(chǎn)系統(tǒng)完全不同，但在構(gòu)建數(shù)字孿生時依賴相同的理念，因此在進行體系化描述時也可互為參考。結(jié)合電力系統(tǒng)的實際特點和數(shù)字孿生車間關(guān)鍵技術(shù)的分類結(jié)果，本節(jié)將電力系統(tǒng)常用的關(guān)鍵技術(shù)進行以下分類：電力系統(tǒng)物理實體互聯(lián)與共融技術(shù);電力系統(tǒng)孿生體構(gòu)建、仿真運行與驗證技術(shù);電力系統(tǒng)孿生數(shù)據(jù)構(gòu)建及管理技術(shù);電力系統(tǒng)數(shù)字孿生運行技術(shù);基于電力系統(tǒng)數(shù)字孿生的精準(zhǔn)服務(wù)技術(shù)。
7數(shù)字孿生項目實例——基于熱泵制冷供熱系統(tǒng)數(shù)字孿生的熱泵投切控制
本節(jié)以基于熱泵制冷供熱系統(tǒng)數(shù)字孿生的熱泵投切控制為例，展示數(shù)字孿生項目需要具備的基本特征，并結(jié)合所提成熟度評價方法對此項目進行評價分析。基于熱泵制冷供熱系統(tǒng)數(shù)字孿生的熱泵投切控制的基本思路是：首先對樓宇熱傳遞規(guī)律進行機理建模。由于制冷供熱系統(tǒng)模型復(fù)雜參數(shù)難以準(zhǔn)確獲得，建立詳細(xì)準(zhǔn)確的制冷供熱系統(tǒng)模型并不現(xiàn)實。因此考慮采用簡單的機理模型反應(yīng)樓宇熱傳遞的基本規(guī)律;再利用實測數(shù)據(jù)(墻壁溫度、室內(nèi)外溫度)對模型參數(shù)進行在線校準(zhǔn)，從而得到樓宇熱負(fù)荷的數(shù)字孿生體。
該數(shù)字孿生體應(yīng)該能夠預(yù)測短期內(nèi)樓宇內(nèi)溫度的變化。然后，以真實環(huán)境中日內(nèi)室外溫度的實測值和給定的控制策略作為孿生體的邊界條件，實現(xiàn)短期內(nèi)較高精度的樓宇熱負(fù)荷預(yù)測;最后，利用模型預(yù)測控制的思路選擇最佳的熱泵開停機控制策略。可見，對基于熱泵制冷供熱系統(tǒng)數(shù)字孿生的熱泵投切控制離不開熱負(fù)荷預(yù)測，而熱負(fù)荷預(yù)測首先需要對熱負(fù)荷進行建模。
8結(jié)語
數(shù)字孿生的概念在信息化、數(shù)字化浪潮的推動下得以快速傳播，為能源電力領(lǐng)域提供潛在的價值增長點。本文聚焦數(shù)字孿生在電力系統(tǒng)中面臨的概念模糊、項目眾多卻良莠不齊、相較電力系統(tǒng)傳統(tǒng)建模仿真的核心競爭力尚未明確這三個主要問題開展研究。得出以下結(jié)論：
(1)數(shù)字孿生之所以存在多種定義，是由于“數(shù)字孿生”被作為整體名詞，在不同語境中被分別用于指代“數(shù)字孿生體”、“物理-數(shù)字孿生系統(tǒng)”和“數(shù)字孿生技術(shù)”等不同對象。為避免混淆，可結(jié)合需要采用更精確的描述。(2)物理-數(shù)字孿生系統(tǒng)具有相同基因、自治、同步、互動和共生這五個主要特點。數(shù)字孿生更應(yīng)被當(dāng)作一種理念來理解其核心思想。(3)可視性、可預(yù)測性、可假設(shè)性、可解釋性和可互動性是物理-數(shù)字孿生系統(tǒng)應(yīng)該具有的基本性質(zhì)。利用這五個性質(zhì)可以從多角度對數(shù)字孿生項目進行成熟度評價，即判斷具體數(shù)字孿生項目和理想數(shù)字孿生的差距，從而為某一具體項目推進下一步工作提供指導(dǎo)。
參考文獻
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作者：沈沉1*，曹仟妮1，賈孟碩2，陳穎1，黃少偉1
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