本文立足于對未來智慧城市建設方面對能源系統(tǒng)提出的要求,結合數字孿生(digital twin,DT)技術，為城市系統(tǒng)與能源系統(tǒng)兩者的融合、交互以及協(xié)調優(yōu)化奠定堅實的基礎，并圍繞綜合智慧能源管理系統(tǒng)的數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。

數字孿生技術概述

首先,數字孿生技術又指數字鏡像或數字雙胞胎,它是通過構建復雜的物理實體以此實現(xiàn)現(xiàn)實空間到虛擬數字空間的一種全息映射技術,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,數字孿生技術還集成了數據采集功能、數據仿真以及數據通信等多種學科的一種系統(tǒng)性工程。其中,仿真是該項技術的核心能力,可以實現(xiàn)對系統(tǒng)的數據、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無法滿足現(xiàn)代化生產的能源管理需求。而科學的、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)了單一設備節(jié)能向智能化、系統(tǒng)化等方向轉變。因此,綜合智慧能源管理系統(tǒng)的設計,實現(xiàn)了對電力能源系統(tǒng)、動力能源系統(tǒng)等各個單元的數據進行采集和監(jiān)測,預測與管理等全面的智能管理模式,從而為高質量能源和服務奠定了良好的基礎。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節(jié)與儲存裝置,根據電力不同階段需求,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)中應用數字孿生,已經成為綜合能源領域中的重要熱點問題。

綜合智慧能源管理系統(tǒng)總體架構設計

系統(tǒng)總體架構設計

綜合智慧能源管理系統(tǒng)的總體設計如圖1所示。首先,該系統(tǒng)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分析儀接口、PDA接口、智能傳感器接口等。其次,該系統(tǒng)設計支持西門子Profinet通信協(xié)議等所有的通信協(xié)議。此外,還可以根據實際需求和網絡的情況,實現(xiàn)有限組網模式、有線和無線的混合組網模式、無線組網模式等多種類型。最后,能夠實現(xiàn)對能源的能耗數據進行采集、分析和優(yōu)化控制管理。

綜合智慧能源管理系統(tǒng)軟件架構設計

從系統(tǒng)軟件架構方面來看,該系統(tǒng)的軟件架構主要由能源實際管理、數據自定義、能耗信息報告以及終端能耗預警、能源監(jiān)控等構成。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的單價或者動態(tài)的價格更新,計算產品生產的能源成本。并借助外供與回收的指標，對產品能源成本進行綜合計算。從能源的情況方面來看,借助對能源數據的變化趨勢分析，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據支撐。從能源的監(jiān)控可視化方面來看，綜合智慧管理系統(tǒng)的設計可以實現(xiàn)對多種類型的能源介質數據進行實時的采集和監(jiān)控,并利用數據可視化技術更加直觀地對能源數據進行展示。

綜合智慧能源管理系統(tǒng)總體架構設計示意圖

系統(tǒng)軟件架構設計示意圖

系統(tǒng)主要功能設計

數據采集功能

此功能通過利用采集分類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,便于相關人員對能耗數據進行相應的監(jiān)控與管理,便于上級管理部分對能源的數據匯總進行統(tǒng)籌安排與管理。

數據監(jiān)測功能

數據監(jiān)測功能的設計主要是利用數據表格與圖表的模式,將采集得到的相關數據在綜合智慧能源監(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。而數據監(jiān)測的精準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)設計時,需要可以做到及時對數據統(tǒng)計信息進行更新,并將數據以圖表方式或者文章的形式,在顯示器上進行顯示,使工作人員能夠更加直觀地從數據當中獲得設備的信息,及時對相關設備狀態(tài)進行調整,能有效避免設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據、能耗分項以及區(qū)域能耗和能耗指標等進行統(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總能量的百分比,并利用百分數的方式進行表示。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)的設計,能夠自動實現(xiàn)對相應的數據進行統(tǒng)計,并將統(tǒng)計完成的數據存儲在計算機數據庫當中。這樣一來,用戶就可以利用數據管理軟件,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據進行計算與分析。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據,從而匯總成統(tǒng)一的能耗值。并根據總能耗、但能耗以及對標定等相關指標,實現(xiàn)對能耗水平進行綜合分析與對比。同時,在對比中利用標準指標對比實現(xiàn),并生產對應的圖標,以此實現(xiàn)對能耗數據的研究,為領導層的決策提供相應的依據。

智慧能源管理功能

在工業(yè)生產過程時,綜合智慧能源管理系統(tǒng)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中,從而使得節(jié)能工作責任得到明確。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、設備狀態(tài)分析以及故障診斷分析等3個功能構成。其中,從設備的健康狀態(tài)方面進行分析,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,展開全面的分析,并對各個類型的指標與設備之間建立起相關性分析,并實現(xiàn)對設備的健康相關特征值,如特征頻率以及相位等進行重點的監(jiān)控。通過對設備的運行以及狀態(tài)監(jiān)測歷史數據進行對比分析,構建關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)進行評估。從設備的狀態(tài)評價方面來看,可以結合預定的特征值,在線實時對歷史工況與當前類似的工況進行對比分析,結合大數據關聯(lián)分析和時序預測,實現(xiàn)對設備的狀態(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據采集設備兩者之間進行有效結合,實現(xiàn)多維在線監(jiān)測,從而實時地對設備的監(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)設計中,主要包含了配電網系統(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)設備工作狀態(tài)以及運行的數據進行全面的實時監(jiān)控,并根據不同數據進行實時運算。同時,將通過采集得到的實時數據利用三維可視化技術進行展現(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)相應的操作指令,進行現(xiàn)在設備控制。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)的標準圖形畫面,將現(xiàn)場設備的電壓值、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、信號以及參數等進行實時監(jiān)測,此外還能夠根據實時記錄,進行故障報警和故障信號顯示。

數字孿生關鍵技術在綜合智慧能源管理系統(tǒng)中的應用

仿真與混合建模技術

在綜合智慧能源管理系統(tǒng)當中數字孿生技術的應用,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,在數字孿生模型當中進行加載,并構建出模型驅動和按數據驅動兩者結合的驅動模式,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)設計過程中,還包括信息網絡系統(tǒng),該系統(tǒng)主要依賴于網絡。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,數據信息發(fā)生泄露的問題,就會導致系統(tǒng)的工作狀態(tài)受到印象。因此,這時就需要加強對網絡攻擊的監(jiān)測,以及對網絡防御技術進行研究,這樣一來可以更好地面對網絡中存在的攻擊行為,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

數字孿生技術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。而可視化技術的應用,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

在綜合智慧能源管理系統(tǒng)當中,多能協(xié)同優(yōu)化技術的應用,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,對分布式能源進行優(yōu)化調度以及主動管理。

結語

綜上所述,綜合智慧能源管理系統(tǒng)設計過程中,數字孿生技術得以應用,為智慧城市、數字化城市當中的海量數據連接提供了技術上的支撐。可以使得能源系統(tǒng)和城市當中的各個領域,利用數據空間,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(tǒng)綜合建模以及數據驅動等場景中的應用方面的技術問題。經分析表明在數字孿生應用下,綜合智慧能源管理系統(tǒng),在規(guī)劃設計、預測維護以及多領域協(xié)調互動發(fā)展方面具有重要的應用價值,這對促進智慧能源管理水平的提升具有現(xiàn)實意義。