本文立足于對未來(lái)智慧城市建設方面對能源系統提出的要求,結合數字孿生(digital twin,DT)技術(shù)，為城市系統與能源系統兩者的融合、交互以及協(xié)調優(yōu)化奠定堅實(shí)的基礎，并圍繞綜合智慧能源管理系統的數字孿生理念展開(kāi)分析,以期能夠為綜合智慧能源管理系統的發(fā)展提供一些理論上的借鑒。

數字孿生技術(shù)概述

首先,數字孿生技術(shù)又指數字鏡像或數字雙胞胎,它是通過(guò)構建復雜的物理實(shí)體以此實(shí)現現實(shí)空間到虛擬數字空間的一種全息映射技術(shù),并利用虛實(shí)信息連接,模擬出物理系統的動(dòng)態(tài)特征以及實(shí)時(shí)狀況。其次,數字孿生技術(shù)還集成了數據采集功能、數據仿真以及數據通信等多種學(xué)科的一種系統性工程。其中,仿真是該項技術(shù)的核心能力,可以實(shí)現對系統的數據、動(dòng)作以及狀態(tài)進(jìn)行擬實(shí)。

綜合能源系統概述

傳統的能源管理系統主要是對電力、動(dòng)力以及水道進(jìn)行獨立管理,這種能源管理模式已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足現代化生產(chǎn)的能源管理需求。而科學(xué)的、智慧的能源管理作為現代化信息集成模式,既實(shí)現了對資源配置的優(yōu)化和能源的改善,還實(shí)現了單一設備節能向智能化、系統化等方向轉變。因此,綜合智慧能源管理系統的設計,實(shí)現了對電力能源系統、動(dòng)力能源系統等各個(gè)單元的數據進(jìn)行采集和監測,預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。因此,該系統形成了動(dòng)態(tài)能源價(jià)格機制,利用電動(dòng)汽車(chē)負荷調節與儲存裝置,根據電力不同階段需求,保障電力系統的穩定運行?？傮w上來(lái)說(shuō),綜合智慧能源管理系統中應用數字孿生,已經(jīng)成為綜合能源領(lǐng)域中的重要熱點(diǎn)問(wèn)題。

綜合智慧能源管理系統總體架構設計

系統總體架構設計

綜合智慧能源管理系統的總體設計如圖1所示。首先,該系統的設計可以支持多種工業(yè)接口的應用,如PLC接口、智能儀表接口以及在線(xiàn)分析儀接口、PDA接口、智能傳感器接口等。其次,該系統設計支持西門(mén)子Profinet通信協(xié)議等所有的通信協(xié)議。此外,還可以根據實(shí)際需求和網(wǎng)絡(luò )的情況,實(shí)現有限組網(wǎng)模式、有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)的混合組網(wǎng)模式、無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)模式等多種類(lèi)型。最后,能夠實(shí)現對能源的能耗數據進(jìn)行采集、分析和優(yōu)化控制管理。

綜合智慧能源管理系統軟件架構設計

從系統軟件架構方面來(lái)看,該系統的軟件架構主要由能源實(shí)際管理、數據自定義、能耗信息報告以及終端能耗預警、能源監控等構成。具體如圖2所示。其中，從能源的實(shí)際管理方面來(lái)看，可以借助對不同類(lèi)型能源介質(zhì)的單價(jià)或者動(dòng)態(tài)的價(jià)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，對產(chǎn)品能源成本進(jìn)行綜合計算。從能源的情況方面來(lái)看,借助對能源數據的變化趨勢分析，可以為企業(yè)節能減排和綜合能源管理工作提供一定的數據支撐。從能源的監控可視化方面來(lái)看，綜合智慧管理系統的設計可以實(shí)現對多種類(lèi)型的能源介質(zhì)數據進(jìn)行實(shí)時(shí)的采集和監控,并利用數據可視化技術(shù)更加直觀(guān)地對能源數據進(jìn)行展示。

綜合智慧能源管理系統總體架構設計示意圖

系統軟件架構設計示意圖

系統主要功能設計

數據采集功能

此功能通過(guò)利用采集分類(lèi)以及對能耗數據計量分項等,為能耗數據精細化管理提供相應的數據,保障了能源數據的可靠性。數據采集得到的數據需要存儲在計算機當中,并且還可以上傳到大數據之中,便于相關(guān)人員對能耗數據進(jìn)行相應的監控與管理,便于上級管理部分對能源的數據匯總進(jìn)行統籌安排與管理。

數據監測功能

數據監測功能的設計主要是利用數據表格與圖表的模式,將采集得到的相關(guān)數據在綜合智慧能源監控平臺中進(jìn)行顯示和實(shí)時(shí)監控,這對能源企業(yè)來(lái)說(shuō)具有非常重要的作用。而數據監測的精準性會(huì )對工作人員把控現場(chǎng)具有重要的影響。因此,在綜合智慧能源管理系統設計時(shí),需要可以做到及時(shí)對數據統計信息進(jìn)行更新,并將數據以圖表方式或者文章的形式,在顯示器上進(jìn)行顯示,使工作人員能夠更加直觀(guān)地從數據當中獲得設備的信息,及時(shí)對相關(guān)設備狀態(tài)進(jìn)行調整,能有效避免設備由于過(guò)熱或者電壓不足等情況發(fā)生故障,提升系統的穩定性。

能耗統計分析功能

從能耗統計的方面來(lái)看,該功能主要是對能耗的數據、能耗分項以及區域能耗和能耗指標等進(jìn)行統計。其中,還包含總能耗定比,也就是指實(shí)際消耗的能量所占據總能量的百分比,并利用百分數的方式進(jìn)行表示。同時(shí),總能耗主要用于綜合分析。因此,綜合智慧能源管理系統的設計,能夠自動(dòng)實(shí)現對相應的數據進(jìn)行統計,并將統計完成的數據存儲在計算機數據庫當中。這樣一來(lái),用戶(hù)就可以利用數據管理軟件,直接實(shí)現對能耗比的信息進(jìn)行查詢(xún),并做出相應的決策,使得其工作效率得到提高。從能耗分析方面來(lái)看。綜合智慧能源管理系統可以利用不同分析算法工具對能源消耗的數據進(jìn)行計算與分析。并將其能耗進(jìn)行分類(lèi)成建筑能耗、區域能耗等類(lèi)型計量數據,從而匯總成統一的能耗值。并根據總能耗、但能耗以及對標定等相關(guān)指標,實(shí)現對能耗水平進(jìn)行綜合分析與對比。同時(shí),在對比中利用標準指標對比實(shí)現,并生產(chǎn)對應的圖標,以此實(shí)現對能耗數據的研究,為領(lǐng)導層的決策提供相應的依據。

智慧能源管理功能

在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程時(shí),綜合智慧能源管理系統的應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(shí),可以將能源計劃、能源的管控以及統計分析等下放到各個(gè)單位當中,從而使得節能工作責任得到明確。并且還可以實(shí)現對不同單位的能源消耗水平,設置定額用能實(shí)現,以此達到節能減排,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、設備狀態(tài)分析以及故障診斷分析等3個(gè)功能構成。其中,從設備的健康狀態(tài)方面進(jìn)行分析,可以利用數據采集平臺中所存儲的設備每項指標狀態(tài)數據,展開(kāi)全面的分析,并對各個(gè)類(lèi)型的指標與設備之間建立起相關(guān)性分析,并實(shí)現對設備的健康相關(guān)特征值,如特征頻率以及相位等進(jìn)行重點(diǎn)的監控。通過(guò)對設備的運行以及狀態(tài)監測歷史數據進(jìn)行對比分析,構建關(guān)于設備的健康評估模型,從而幫助運維人員對設備的健康狀態(tài)進(jìn)行評估。從設備的狀態(tài)評價(jià)方面來(lái)看,可以結合預定的特征值,在線(xiàn)實(shí)時(shí)對歷史工況與當前類(lèi)似的工況進(jìn)行對比分析,結合大數據關(guān)聯(lián)分析和時(shí)序預測,實(shí)現對設備的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析。最后,從故障診斷方面來(lái)看,該功能主要利用傳感器和智能數據采集設備兩者之間進(jìn)行有效結合,實(shí)現多維在線(xiàn)監測,從而實(shí)時(shí)地對設備的監控狀態(tài)進(jìn)行反映出來(lái)。并以多級報警方式,告知相應工作人員,以此實(shí)現故障遠程診斷。

智能監控功能

智能監控功能在綜合智慧能源管理系統設計中,主要包含了配電網(wǎng)系統監控、分布式發(fā)電系統監控以及負荷監控和儲能系統監控等供熱供冷系統檢修監控,以此實(shí)現對不同類(lèi)型的能源系統設備工作狀態(tài)以及運行的數據進(jìn)行全面的實(shí)時(shí)監控,并根據不同數據進(jìn)行實(shí)時(shí)運算。同時(shí),將通過(guò)采集得到的實(shí)時(shí)數據利用三維可視化技術(shù)進(jìn)行展現出來(lái),以此使得信息的直觀(guān)性得到進(jìn)一步的提高。并借助平臺下發(fā)相應的操作指令,進(jìn)行現在設備控制。同時(shí),綜合智慧能源管理系統,通過(guò)利用電力系統、能耗系統的標準圖形畫(huà)面,將現場(chǎng)設備的電壓值、電流值以及功率因數、電鍍等相應的測量值在顯示屏上進(jìn)行直觀(guān)地顯示出來(lái)。以此可以實(shí)現對不同回路的測量值、信號以及參數等進(jìn)行實(shí)時(shí)監測,此外還能夠根據實(shí)時(shí)記錄,進(jìn)行故障報警和故障信號顯示。

數字孿生關(guān)鍵技術(shù)在綜合智慧能源管理系統中的應用

仿真與混合建模技術(shù)

在綜合智慧能源管理系統當中數字孿生技術(shù)的應用,將機械、電氣以及信息等多個(gè)類(lèi)型的系統共同組成了智慧能源系統,通過(guò)全面綜合對多物理場(chǎng)機械能分析和建模,使得智慧能源系統所需要出傳遞的虛實(shí)信息,在數字孿生模型當中進(jìn)行加載,并構建出模型驅動(dòng)和按數據驅動(dòng)兩者結合的驅動(dòng)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設計過(guò)程中,還包括信息網(wǎng)絡(luò )系統,該系統主要依賴(lài)于網(wǎng)絡(luò )。并且,系統能夠正常地工作,還取決于信息交流的可靠性。如果,數據信息發(fā)生泄露的問(wèn)題,就會(huì )導致系統的工作狀態(tài)受到印象。因此,這時(shí)就需要加強對網(wǎng)絡(luò )攻擊的監測,以及對網(wǎng)絡(luò )防御技術(shù)進(jìn)行研究,這樣一來(lái)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的安全提供保障。

可視化與交互技術(shù)

數字孿生技術(shù)的數據仿真模型和一般數字仿真模型不同,數字孿生模型可以在虛實(shí)之間機械能交互。從而達到更新動(dòng)態(tài)演化的效果,以此真實(shí)地映射出物理世界的動(dòng)態(tài)效果。而可視化技術(shù)的應用,可以為用戶(hù)提供更加清晰的視覺(jué),實(shí)現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當中,多能協(xié)同優(yōu)化技術(shù)的應用,可以為用戶(hù)提供分布式的供能,并借助智慧能源管理系統的多能協(xié)同優(yōu)化調度策略,使得能源的利用效率得到提高,并達到不同類(lèi)型的能源之間互相協(xié)調與互補。同時(shí),在有效保障用戶(hù)的穩定能源供給時(shí),通過(guò)對可再生能源在綜合智慧能源管理系統當中的占比以及利用率進(jìn)行提升,可以有效減少對不可再生能源的依賴(lài),從而達到有效地節能減排目的。最后,利用合理的控制模型,還可以實(shí)現主動(dòng)配電網(wǎng),對分布式能源進(jìn)行優(yōu)化調度以及主動(dòng)管理。

結語(yǔ)

綜上所述,綜合智慧能源管理系統設計過(guò)程中,數字孿生技術(shù)得以應用,為智慧城市、數字化城市當中的海量數據連接提供了技術(shù)上的支撐?？梢允沟媚茉聪到y和城市當中的各個(gè)領(lǐng)域,利用數據空間,實(shí)現互聯(lián)互通、協(xié)同運行,這對未來(lái)智慧城市的綜合智慧能源管理系統發(fā)展提供了方向。同時(shí),綜合智慧能源管理系統中的數字孿生,主要以建模與仿真為基礎,打破了多物理、信息混雜系統綜合建模以及數據驅動(dòng)等場(chǎng)景中的應用方面的技術(shù)問(wèn)題。經(jīng)分析表明在數字孿生應用下,綜合智慧能源管理系統,在規劃設計、預測維護以及多領(lǐng)域協(xié)調互動(dòng)發(fā)展方面具有重要的應用價(jià)值,這對促進(jìn)智慧能源管理水平的提升具有現實(shí)意義。