能源互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字孿生及其應(yīng)用

摘要能源互聯(lián)網(wǎng)是以電力系統(tǒng)為核心，利用可再生能源發(fā)電技術(shù)、信息技術(shù)，融合電力網(wǎng)絡(luò)、天然氣網(wǎng)絡(luò)、供熱/冷網(wǎng)絡(luò)等多能源網(wǎng)以及電氣交通網(wǎng)形成的能源互聯(lián)共享網(wǎng)絡(luò)。能源互聯(lián)網(wǎng)是促進(jìn)可再生能源消納，提高能源使用效率的重要途徑。因構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)多，特性差異大，能源互聯(lián)網(wǎng)的規(guī)劃、運(yùn)行和控制面臨大量難題。數(shù)字孿生是融合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、通信技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)和高性能計(jì)算技術(shù)的先進(jìn)仿真分析技術(shù)，有助于解決當(dāng)前能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展面臨的技術(shù)問題。首先介紹了數(shù)字孿生的基本概念，給出了能源互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字孿生的構(gòu)建方式與可能應(yīng)用；然后以能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃為例，詳述了數(shù)字孿生技術(shù)解決的關(guān)鍵問題；最后，介紹了基于數(shù)字孿生的能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃平臺(tái)—CloudIEPS，通過能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃案例進(jìn)一步證明了數(shù)字孿生技術(shù)的重要作用。關(guān)鍵詞:

數(shù)字孿生；能源互聯(lián)網(wǎng)；規(guī)劃；仿真1能源互聯(lián)網(wǎng)能源是人類社會(huì)生存發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，攸關(guān)國(guó)計(jì)民生和國(guó)家戰(zhàn)略競(jìng)爭(zhēng)力[1]。然而，在運(yùn)行和規(guī)劃方面，傳統(tǒng)能源系統(tǒng)的決策往往局限于電、氣、熱（冷）等單一能源形式[2]，僅依靠挖掘單一能源系統(tǒng)內(nèi)部的潛力，難以走出既有困境，例如中國(guó)東北地區(qū)冬季嚴(yán)重的棄風(fēng)現(xiàn)象[3]。為了充分發(fā)揮多種能源之間的互補(bǔ)優(yōu)勢(shì)，在更大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化配置，眾多學(xué)者針對(duì)能源互聯(lián)網(wǎng)開展了豐富的研究。能源互聯(lián)網(wǎng)有兩種不同的概念：①“能源+互聯(lián)網(wǎng)”；②互聯(lián)的多能源網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于前者，考慮到互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，將能源系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)深度融合，實(shí)現(xiàn)能源行業(yè)智慧化、扁平化、融合化、分布化，是美國(guó)學(xué)者里夫金對(duì)未來能源系統(tǒng)廣泛互聯(lián)、平等共享的愿景，里夫金也進(jìn)一步提出了能源互聯(lián)網(wǎng)（energyInternet，EI）的概念[4]，但沒有給出明確的能源互聯(lián)網(wǎng)的定義。學(xué)者們則更關(guān)注后者，即互聯(lián)的多能源網(wǎng)絡(luò)（energyinterconnectedgrid），并聚焦于電、氣、熱（冷）內(nèi)部的問題及相互協(xié)調(diào)優(yōu)化[3,5]。此時(shí)“互聯(lián)”指的是物理層面的多種能源載體間的相互連接與轉(zhuǎn)換，而非“互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)”。雖然“energyinterconnectedgrid”也可以翻譯為能源互聯(lián)網(wǎng)，但學(xué)界更傾向于將其歸納為綜合能源系統(tǒng)（integratedenergysystem，IES）[5]，以與EI相區(qū)分。IES指的是在規(guī)劃、建設(shè)和運(yùn)行等過程中，通過對(duì)能源的產(chǎn)生、傳輸、轉(zhuǎn)換分配、存儲(chǔ)、消費(fèi)等環(huán)節(jié)進(jìn)行有機(jī)協(xié)調(diào)與優(yōu)化后，形成的能源產(chǎn)供銷一體化系統(tǒng)，是EI的物理載體[5-6]。本文的研究同樣也針對(duì)能源互聯(lián)網(wǎng)的第2種概念—IES展開。目前，對(duì)能源互聯(lián)網(wǎng)的研究主要包括建模、分析和優(yōu)化等3個(gè)方面。建模方面主要包括電、氣、熱（冷）系統(tǒng)以及能量樞紐的建模研究，這是分析和優(yōu)化的基礎(chǔ)。當(dāng)前研究已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了綜合能源系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)建模[2]，包括電力系統(tǒng)模型、天然氣系統(tǒng)模型[7]、供熱（冷）系統(tǒng)模型[8-9]

以及能量樞紐模型（包括能量轉(zhuǎn)換設(shè)備如熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組[10-11]、冷熱電三聯(lián)供機(jī)組[3]以及電解制氫設(shè)備[12]等），其中能量樞紐中多能源的輸入輸出關(guān)系還可以直接由轉(zhuǎn)換效率構(gòu)成的線性耦合矩陣來描述[13]。然而，上述建模工作仍存在著一定的不足，如無法考慮大慣性系統(tǒng)（如氣、熱系統(tǒng)）的動(dòng)態(tài)特征。實(shí)際上，氣、熱系統(tǒng)不同狀態(tài)之間的過渡過程可以利用時(shí)空偏微分方程組來刻畫系統(tǒng)中管道壓力、流量、介質(zhì)溫度與時(shí)間、位置之間的關(guān)系[3,14-15]，然而這將引入復(fù)雜的非凸問題，使得基于上述動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行分析難以開展。此外，能量樞紐模型被簡(jiǎn)化為了線性元件，各個(gè)能量轉(zhuǎn)化設(shè)備的效率固定不變，無法考慮實(shí)際中變工況特性和系統(tǒng)的非線性。綜合能源系統(tǒng)的分析側(cè)重于計(jì)算含電、氣、熱（冷）在內(nèi)的多種能量流以獲得各個(gè)子系統(tǒng)工況，包括電氣系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)電壓幅值和相角、天然氣系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)氣壓和支路流量、熱力系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)供回水溫度以及水力系統(tǒng)質(zhì)量流量等狀態(tài)變量。已有計(jì)算方法可分為兩大類：交替迭代法和統(tǒng)一迭代法[16]?？稍偕茉唇尤刖C合能源系統(tǒng)后，能流計(jì)算則轉(zhuǎn)變?yōu)楦怕誓芰饔?jì)算，即需要獲得各個(gè)子系統(tǒng)工況的概率分布。已有研究主要分為模擬法和解析法兩大類。其中模擬法主要為蒙特卡羅法及其變體；解析法則主要采用半不變量法。然而，已有研究仍存在一定不足，①無論交替迭代法還是統(tǒng)一迭代法，綜合能源系統(tǒng)的初值都難以直接設(shè)定[16]。氣、熱系統(tǒng)對(duì)初值要求較高一方面是由于牛頓法本身對(duì)初值較為敏感，另一方面則是由于其穩(wěn)態(tài)模型中存在非連續(xù)變量，如熱系統(tǒng)中的溫度變量取決于質(zhì)量流量的方向，當(dāng)方向改變時(shí)溫度存在非連續(xù)變化[2]。因此，如何設(shè)置系統(tǒng)初值仍是求解能量流問題的難點(diǎn)。②氣、熱系統(tǒng)的運(yùn)行點(diǎn)變化幅度大，基于給定不變的運(yùn)行點(diǎn)進(jìn)行線性化將引入較高的誤差。優(yōu)化方面主要開展對(duì)最優(yōu)多能量流的研究，在滿足運(yùn)行約束的條件下實(shí)現(xiàn)對(duì)綜合能源系統(tǒng)中能源的充分利用和成本的削減[17-18]。其優(yōu)化目標(biāo)多以系統(tǒng)運(yùn)行總成本為主，約束條件則由各個(gè)子系統(tǒng)能流方程及耦合關(guān)系，加之各狀態(tài)（電壓、氣壓、水壓、機(jī)組容量、線路與管道容量）安全范圍形成?？紤]到能流方程以及變工況下能量樞紐的非線性非凸特性，將優(yōu)化模型進(jìn)行線性化并利用凸優(yōu)化算法求解是主流做法，但只適用于小規(guī)模系統(tǒng)；對(duì)于大規(guī)模系統(tǒng)而言，則需采用智能算法以找到原始問題的近似最優(yōu)解[2]。然而，考慮到綜合能源系統(tǒng)的建模強(qiáng)調(diào)穩(wěn)態(tài)模型而忽略動(dòng)態(tài)模型，因此已有的多時(shí)段最優(yōu)能流研究忽略了氣、熱系統(tǒng)的狀態(tài)在不同時(shí)段間的過渡過程[2,19-20]，即認(rèn)為氣、熱網(wǎng)某節(jié)點(diǎn)狀態(tài)發(fā)生變化會(huì)立刻反映到全網(wǎng)中，但實(shí)際中氣、熱網(wǎng)傳輸時(shí)延尺度為分鐘乃至小時(shí)級(jí)[3]。因此，此類優(yōu)化模型脫離實(shí)際，優(yōu)化結(jié)果的實(shí)際意義較低?？傊?，由于能源互聯(lián)網(wǎng)自身的復(fù)雜性，簡(jiǎn)單沿用傳統(tǒng)單一能源系統(tǒng)的建模分析和優(yōu)化控制方法已經(jīng)難以滿足能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、運(yùn)行和維護(hù)的要求，亟需發(fā)展新的理念和方法。數(shù)字孿生技術(shù)有可能在能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的過程中發(fā)揮重要作用。2數(shù)字孿生美國(guó)密歇根大學(xué)的邁克爾·格里夫斯教授于2002年提出了數(shù)字孿生（digitaltwin）一詞[21]，指的是通過采集設(shè)備的物理數(shù)據(jù)，構(gòu)建一個(gè)可以表征該物理設(shè)備的數(shù)學(xué)模型，并比較工程設(shè)計(jì)和數(shù)學(xué)模型的區(qū)別，來更好地理解理論設(shè)計(jì)與實(shí)際生產(chǎn)，最終加強(qiáng)對(duì)設(shè)備全生命周期的有效管理。經(jīng)過十余年的發(fā)展，數(shù)字孿生的定義也在不斷完善和更新。這里給出美國(guó)國(guó)防采辦大學(xué)（DefenseAcquisitionUniversity，DAU）對(duì)數(shù)字孿生的定義[22]：“數(shù)字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)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(duì)應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過程。”有關(guān)數(shù)字孿生定義更詳細(xì)的研究，Negri等人在文獻(xiàn)[23]中給出了詳實(shí)綜述。近些年，數(shù)字孿生已連續(xù)多次（2017、2018和2019）被高德納列入“十大戰(zhàn)略技術(shù)趨勢(shì)”，同時(shí)MarketResearchFuture預(yù)測(cè)數(shù)字孿生市場(chǎng)規(guī)模將會(huì)在2025年達(dá)到350億美元[24]。有關(guān)數(shù)字孿生的學(xué)術(shù)文章至今已有百篇之多，其中絕大部分文章發(fā)表于2016年之后，涉及領(lǐng)域也由最初的航天領(lǐng)域逐步向制造業(yè)、航海、汽車、石油等領(lǐng)域擴(kuò)展[25]。數(shù)字孿生的概念提出之前也曾出現(xiàn)過一些類似的定義，諸如數(shù)字模型[26-27]、數(shù)字影子[28]等等。為了避免讀者混淆，這里給出數(shù)字模型、數(shù)字影子以及數(shù)字孿生之間的明確區(qū)別[29]：數(shù)字模型是物理實(shí)體的數(shù)字代表，但數(shù)字模型和物理實(shí)體之間沒有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸，屬于靜態(tài)模型；數(shù)字影子同樣是物理實(shí)體的數(shù)字代表，物理實(shí)體的狀態(tài)將實(shí)時(shí)反饋給數(shù)字影子，以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字影子的動(dòng)態(tài)修正，但是數(shù)字影子的狀態(tài)卻不會(huì)反饋給物理實(shí)體，即數(shù)據(jù)傳輸存在單向性；數(shù)字孿生則不僅僅是物理實(shí)體的刻畫，其與物理實(shí)體間存在雙向數(shù)據(jù)傳輸，一方面物理實(shí)體的狀態(tài)被傳遞給數(shù)字孿生以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字孿生的實(shí)時(shí)修正，另一方面數(shù)字孿生在數(shù)字空間完成的仿真、優(yōu)化結(jié)果也可反饋給物理實(shí)體以指導(dǎo)真實(shí)決策。由此可知，與物理實(shí)體的雙向數(shù)據(jù)交互是數(shù)字孿生的關(guān)鍵特征，也是確保數(shù)字孿生與物理實(shí)體在狀態(tài)上同步的重要手段。實(shí)際上，數(shù)字孿生目前尚無被普遍接受的統(tǒng)一定義，其概念仍處于發(fā)展與演變中。比較一致的看法是，數(shù)字孿生需要具備幾個(gè)要素：真實(shí)空間、虛擬空間和從真實(shí)空間到虛擬空間數(shù)據(jù)流的連接，從虛擬空間流向真實(shí)空間和虛擬子空間的信息連接[30]。數(shù)字孿生可用于對(duì)物理實(shí)體進(jìn)行監(jiān)測(cè)、仿真和控制[23,25]：監(jiān)測(cè)主要應(yīng)用在對(duì)物理實(shí)體的健康維護(hù)上，如監(jiān)測(cè)物理實(shí)體的疲勞、破損（裂紋）[30-31]或者變形[32]；仿真主要應(yīng)用于物理實(shí)體的模擬上，如利用數(shù)字孿生對(duì)物理實(shí)體進(jìn)行長(zhǎng)期行為仿真，并在不同環(huán)境條件下對(duì)物理實(shí)體的性能進(jìn)行預(yù)測(cè)和模擬[21,34]；控制則主要應(yīng)用于物理實(shí)體最優(yōu)決策/行動(dòng)上，如借助歷史數(shù)據(jù)和當(dāng)前狀態(tài)來對(duì)物理實(shí)體未來的性能進(jìn)行優(yōu)化[35-36]。文獻(xiàn)[30]則提到數(shù)字孿生可應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝流程規(guī)劃以及城市規(guī)劃等方面。數(shù)字孿生同樣可以應(yīng)用于能源系統(tǒng)。盧強(qiáng)院士早在2000年就提出了數(shù)字電力系統(tǒng)的概念[37]：“實(shí)際運(yùn)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(jì)管理、環(huán)保指標(biāo)、人員狀況、科教活動(dòng)等數(shù)字地、形象化地、實(shí)時(shí)地描述與再現(xiàn)?！蔽墨I(xiàn)[37]指出，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(shí)施經(jīng)濟(jì)運(yùn)行策略，對(duì)電力系統(tǒng)實(shí)施緊急控制和反事故控制等”。實(shí)際上，文獻(xiàn)[37]所提出的數(shù)字電力系統(tǒng)便是電力系統(tǒng)數(shù)字孿生。最近，也有研究將數(shù)字孿生的技術(shù)框架應(yīng)用于電力系統(tǒng)在線分析[38]。3能源互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字孿生3.1能源互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字孿生的定義結(jié)合數(shù)字孿生的定義和能源互聯(lián)網(wǎng)的特點(diǎn)，對(duì)能源互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字孿生作出如下定義：“能源互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字孿生是充分利用能源互聯(lián)網(wǎng)的物理模型、先進(jìn)計(jì)量基礎(chǔ)設(shè)施的在線量測(cè)數(shù)據(jù)、能源互聯(lián)網(wǎng)的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，并集成電氣、流體、熱力、計(jì)算機(jī)、通信、氣候、經(jīng)濟(jì)等多學(xué)科知識(shí)，進(jìn)行的多物理量、多時(shí)空尺度、多概率的仿真過程，通過在虛擬空間中完成對(duì)能源互聯(lián)網(wǎng)的映射，反映能源互聯(lián)網(wǎng)的全生命周期過程?！毙枰獜?qiáng)調(diào)的是，邁克爾·格里夫斯教授提出的數(shù)字孿生概念與傳統(tǒng)仿真的關(guān)鍵區(qū)別在于引入了當(dāng)前狀態(tài)用于鏡像現(xiàn)實(shí)世界中的物理實(shí)體，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體與其數(shù)學(xué)模型之間的同步與互動(dòng)。本文進(jìn)一步認(rèn)為，①盡管雙向數(shù)據(jù)交互是數(shù)字孿生的關(guān)鍵特征，但是交互的實(shí)時(shí)性和頻率則取決于物理對(duì)象的特點(diǎn)和應(yīng)用的需求。對(duì)于變化緩慢的物理對(duì)象，其實(shí)并不需要高頻的實(shí)時(shí)交互。例如，電力系統(tǒng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在較長(zhǎng)的時(shí)間跨度內(nèi)保持不變，那么，在利用數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃時(shí)，只要數(shù)字空間中的模型反映了系統(tǒng)當(dāng)前的拓?fù)浜蛥?shù)即可，不用就拓?fù)浜蛥?shù)進(jìn)行頻繁的實(shí)時(shí)同步。②數(shù)字孿生是以數(shù)字化的形式對(duì)物理對(duì)象過去和目前的行為進(jìn)行動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)，并在此基礎(chǔ)上對(duì)物理對(duì)象的未來發(fā)展進(jìn)行預(yù)測(cè)和推演，然后再將預(yù)測(cè)推演得到的信息反饋給物理對(duì)象從而改變物理對(duì)象的行為特征或者物理過程的發(fā)展軌跡。但是，不應(yīng)該只將上述反饋狹義地理解為實(shí)時(shí)控制。數(shù)字孿生影響的可以是物理對(duì)象生命周期中任意時(shí)間尺度的行為或者發(fā)展軌跡。例如，利用數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行能源互聯(lián)網(wǎng)的規(guī)劃，規(guī)劃結(jié)果的實(shí)施其實(shí)改變了能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展軌跡。3.2能源互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字孿生的構(gòu)建能源互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字孿生具有幾大關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，即對(duì)物理系統(tǒng)的量測(cè)感知、數(shù)字空間建模、仿真分析決策，而以上幾個(gè)環(huán)節(jié)又離不開云計(jì)算環(huán)境的支撐。1）量測(cè)感知是對(duì)能源互聯(lián)網(wǎng)物理實(shí)體進(jìn)行分析控制的前提，不同的應(yīng)用對(duì)量測(cè)量的多少、量測(cè)的頻率以及量測(cè)的精度可能有不同的要求。對(duì)實(shí)時(shí)控制而言，量測(cè)的對(duì)象包括能量系統(tǒng)和輔助調(diào)控系統(tǒng)（調(diào)控的對(duì)象為電、氣、熱/冷等子系統(tǒng)）。為此，需要在物理系統(tǒng)中布置眾多傳感器，并且還需解決與數(shù)據(jù)量測(cè)、傳輸、處理、存儲(chǔ)、搜索相關(guān)的一系列技術(shù)問題。對(duì)能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃而言，當(dāng)前系統(tǒng)的設(shè)備構(gòu)成、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜瓦\(yùn)行參數(shù)是規(guī)劃的基礎(chǔ)，通過資料收集或者簡(jiǎn)單量測(cè)即可。2）在數(shù)字空間中如何對(duì)能源互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行建模取決于應(yīng)用的需求。考慮到電力系統(tǒng)以及以電力系統(tǒng)為核心的能源互聯(lián)網(wǎng)，其規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)行和控制的時(shí)間常數(shù)跨度非常大，沒有必要也很難用同一個(gè)數(shù)學(xué)模型加以準(zhǔn)確描繪。因此，可以通過不同類型的數(shù)學(xué)模型反映物理實(shí)體不同時(shí)間尺度和空間尺度的特征，只要這些特征和物理實(shí)體當(dāng)前狀態(tài)是同步的即可。例如，如果要利用數(shù)字孿生對(duì)能源互聯(lián)網(wǎng)中的電氣部分進(jìn)行在線控制，可能需要建立毫秒級(jí)甚至微秒級(jí)的電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型；而如果要利用數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)能源互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行規(guī)劃，則只需要建立能源互聯(lián)網(wǎng)各設(shè)備及管網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)或者長(zhǎng)時(shí)間尺度的動(dòng)態(tài)模型即可。需要強(qiáng)調(diào)的是，能源互聯(lián)網(wǎng)模型的形式并不僅僅局限于描述實(shí)體對(duì)象物理規(guī)律的數(shù)學(xué)方程，也可以包括基于量測(cè)數(shù)據(jù)構(gòu)建的統(tǒng)計(jì)相關(guān)性模型。3）仿真分析決策環(huán)節(jié)首先對(duì)數(shù)字空間的能源互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，然后通過仿真驗(yàn)證決策的合理性和有效性，再對(duì)數(shù)字能源互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行多場(chǎng)景、多假設(shè)的沙盤推演，最終得到合理決策指令并下發(fā)至物理系統(tǒng)。云計(jì)算環(huán)境是連接物理系統(tǒng)和數(shù)字空間的橋梁。在云計(jì)算環(huán)境中，可以利用已經(jīng)掌握的能源互聯(lián)網(wǎng)物理規(guī)律和傳感器量測(cè)數(shù)據(jù)，再借助大數(shù)據(jù)分析和高性能仿真技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)能源互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字建模和仿真模擬，計(jì)算結(jié)果可實(shí)時(shí)反饋至物理系統(tǒng)，傳感器數(shù)據(jù)同樣可實(shí)時(shí)傳遞給數(shù)字鏡像以實(shí)現(xiàn)同步。之所以要利用云計(jì)算技術(shù)構(gòu)建能源互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字孿生主要有以下幾方面的考慮：云計(jì)算環(huán)境網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性強(qiáng)；云端的IT資源豐富；能源互聯(lián)網(wǎng)參與者眾多，各參與方可以自助的方式獲得所需IT資源；便于眾多參與者貢獻(xiàn)或者共享資源。3.3能源互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字孿生的可能應(yīng)用數(shù)字孿生有可能在能源互聯(lián)網(wǎng)的規(guī)劃、運(yùn)行和監(jiān)控等方面發(fā)揮重要作用。本節(jié)將簡(jiǎn)要介紹數(shù)字孿生在能源互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控和運(yùn)行方面的應(yīng)用前景。后續(xù)章節(jié)將介紹基于數(shù)字孿生的能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃。3.3.1基于數(shù)字孿生的能源互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控?cái)?shù)字孿生可以提升能源互聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)控水平，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行的異常環(huán)節(jié)，有助于實(shí)現(xiàn)基于能源互聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)的精準(zhǔn)運(yùn)維?；跀?shù)字孿生的能源互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控基本思路是：實(shí)時(shí)量測(cè)電、氣、熱（冷）等子系統(tǒng)的狀態(tài)并實(shí)時(shí)傳遞給能源互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字孿生?；诓杉臓顟B(tài)，能源互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字孿生可以開展以下工作。1）模型參數(shù)校準(zhǔn)。對(duì)于能源互聯(lián)網(wǎng)中的各類設(shè)備或子系統(tǒng)，雖然已經(jīng)根據(jù)其運(yùn)行的物理規(guī)律建立了相關(guān)數(shù)學(xué)模型（如具有時(shí)空偏微分方程組形式的氣、熱系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型），但是，模型中存在大量的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)（如管道摩擦系數(shù)、熱傳導(dǎo)系數(shù)、介質(zhì)比熱容、氣體壓縮率等）需要確定。已有研究主要通過經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)置這些參數(shù)，可能會(huì)造成設(shè)置參數(shù)與實(shí)際參數(shù)不符，進(jìn)而導(dǎo)致動(dòng)態(tài)模型失準(zhǔn)的情況。數(shù)字孿生可以能源互聯(lián)網(wǎng)工作的環(huán)境參數(shù)和負(fù)荷狀態(tài)為輸入量，通過仿真模擬各組成設(shè)備的輸出狀態(tài)，對(duì)比模擬所得狀態(tài)與實(shí)際量測(cè)之間的差別，通過調(diào)整數(shù)字孿生模型的參數(shù)實(shí)現(xiàn)兩者之間的差別最小，從而達(dá)到數(shù)字孿生模型參數(shù)校準(zhǔn)的目的。2）設(shè)備異常感知。能源互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字孿生中的數(shù)學(xué)模型是基于實(shí)體對(duì)象遵循的物理規(guī)律建立的，在模型參數(shù)準(zhǔn)確的前提下反映的是能源互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行的理想狀態(tài)。換言之，數(shù)字孿生在特定輸入條件下的輸出，可以作為該條件下物理實(shí)體的理想輸出。以此為參照，可以感知能源互聯(lián)網(wǎng)中設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)然，也可以通過歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)建立基于統(tǒng)計(jì)相關(guān)性模型的能源互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字孿生，通過比較物理設(shè)備在長(zhǎng)時(shí)間尺度上輸出狀態(tài)的變化發(fā)現(xiàn)其是否出現(xiàn)運(yùn)行異?；蛘咝阅芩p?；跀?shù)字孿生的能源互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控需要解決的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題是量測(cè)數(shù)據(jù)與仿真模擬數(shù)據(jù)的對(duì)比?？紤]到量測(cè)噪聲、環(huán)境變化以及能源互聯(lián)網(wǎng)中可再生能源、負(fù)荷等不確定性因素，數(shù)據(jù)采集結(jié)果將存在隨機(jī)性，其本質(zhì)是具有一定概率分布的隨機(jī)變量。數(shù)字孿生在不同環(huán)境條件下的多概率仿真結(jié)果同樣也具有隨機(jī)性。因此，量測(cè)數(shù)據(jù)與仿真模擬數(shù)據(jù)的對(duì)比可以理解為兩個(gè)隨機(jī)變量之間的對(duì)比。為此，需要解決非高斯非獨(dú)立多維隨機(jī)變量聯(lián)合概率分布獲取，多維隨機(jī)變量之間的比較等技術(shù)問題。3.3.2基于數(shù)字孿生的能源互聯(lián)網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行文獻(xiàn)[2]指出，能源互聯(lián)網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行問題本質(zhì)是“基于系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)律（潮流方程），考慮運(yùn)行約束（元件可調(diào)節(jié)與可承受范圍），充分調(diào)動(dòng)系統(tǒng)（源、網(wǎng)、荷）可控資源，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行成本削減、提高能源使用效率等目標(biāo)的過程”。從數(shù)學(xué)形式上看，能源互聯(lián)網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行的數(shù)學(xué)模型與電力系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度模型完全類似，區(qū)別在于能源互聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)化運(yùn)行模型由于涉及多個(gè)能源子系統(tǒng)，多時(shí)間尺度特征非常顯著。雖然電力系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度也涉及多時(shí)段問題，但是，由于電磁和機(jī)電暫態(tài)過程的時(shí)間常數(shù)相比于調(diào)度的時(shí)間尺度要短很多，多時(shí)段間的動(dòng)態(tài)耦合關(guān)系可以退化成代數(shù)約束加以描述（如發(fā)電機(jī)的爬坡約束）。而能源互聯(lián)網(wǎng)中熱力系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)與調(diào)度的時(shí)間尺度相當(dāng)，多時(shí)段耦合約束可能需要?jiǎng)討B(tài)方程來描述，大大增加了問題的求解難度。另一方面，能源互聯(lián)網(wǎng)中的多能耦合環(huán)節(jié)特性復(fù)雜，主要體現(xiàn)在運(yùn)行調(diào)節(jié)范圍、運(yùn)行效率等都與運(yùn)行的狀態(tài)有關(guān)，即運(yùn)行約束的參數(shù)實(shí)際上是運(yùn)行狀態(tài)的函數(shù)，而運(yùn)行狀態(tài)又是優(yōu)化的結(jié)果。例如，文獻(xiàn)[13]提出了能量樞紐（通常包括一個(gè)或多個(gè)耦合裝置）的概念，通過耦合矩陣（couplingmatrix）描述能量樞紐內(nèi)部的能量分配與轉(zhuǎn)化關(guān)系：式中：

α、β、γ

代表不同的能源形式；I、O分別代表能量樞紐的輸入和輸出；η、υ

分別代表能量變換系數(shù)和能量分配系數(shù)。

υ、是待求變量，而

η

又與系統(tǒng)的待求狀態(tài)有關(guān)。這就進(jìn)一步增加了優(yōu)化問題的求解難度。求解上述能源互聯(lián)網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行問題一般有兩種思路。第一種思路是：將能源互聯(lián)網(wǎng)的暫態(tài)約束以及其他復(fù)雜約束從優(yōu)化問題中獨(dú)立出來以簡(jiǎn)化優(yōu)化問題，建立能源互聯(lián)網(wǎng)的仿真模型以模擬其動(dòng)態(tài)過程；先求解簡(jiǎn)化后的優(yōu)化模型，然后將優(yōu)化結(jié)果代入仿真模型進(jìn)行校核；如果優(yōu)化結(jié)果不能滿足各種動(dòng)態(tài)運(yùn)行約束，則通過一定的規(guī)則對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行修正，反復(fù)迭代直至收斂。第二種思路是借助各種智能算法（如粒子群算法、遺傳算法等）生成大量狀態(tài)樣本，從中篩選出既滿足動(dòng)態(tài)運(yùn)行約束，又具有較優(yōu)運(yùn)行指標(biāo)的結(jié)果。無論哪種思路，對(duì)能源互聯(lián)網(wǎng)的準(zhǔn)確仿真模擬都是必不可少的。這時(shí)，能源互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字孿生都可以發(fā)揮關(guān)鍵作用。4基于數(shù)字孿生的能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃4.1能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃的內(nèi)容能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃包括兩方面內(nèi)容，一方面是設(shè)計(jì)能源互聯(lián)網(wǎng)中各類能源所占的比例，另一方面是在確定占比后進(jìn)一步回答何時(shí)何地投建何種設(shè)備[2]，文獻(xiàn)[2]將前者稱為結(jié)構(gòu)規(guī)劃，將后者稱為系統(tǒng)規(guī)劃，并指出結(jié)構(gòu)規(guī)劃是系統(tǒng)規(guī)劃的基礎(chǔ)，系統(tǒng)規(guī)劃是結(jié)構(gòu)規(guī)劃的具體實(shí)現(xiàn)。結(jié)構(gòu)規(guī)劃關(guān)注宏觀層面的設(shè)計(jì)，對(duì)管網(wǎng)等技術(shù)細(xì)節(jié)考慮較少，而系統(tǒng)規(guī)劃則立足于電、天然氣、熱（冷）系統(tǒng)的擴(kuò)建需求，以全生命周期效益、系統(tǒng)排放量、能源利用率或系統(tǒng)可靠性為指導(dǎo)，在滿足運(yùn)行約束下對(duì)源、網(wǎng)、荷中可調(diào)配資源進(jìn)行合理布局，以實(shí)現(xiàn)多能耦合與協(xié)調(diào)[2,6]。能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)劃常見的規(guī)劃目標(biāo)有最小化投資成本和運(yùn)營(yíng)成本，降低資源短缺率，減少系統(tǒng)碳排放以及對(duì)環(huán)境的影響等。具體規(guī)劃內(nèi)容包括3個(gè)部分：拓?fù)湟?guī)劃、設(shè)備選型和設(shè)備定容。拓?fù)湟?guī)劃決定電、氣、熱（冷）系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以及能量樞紐和各系統(tǒng)設(shè)備的位置。這些對(duì)能源互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的可調(diào)節(jié)范圍、損耗等有重要影響。目前，拓?fù)湟?guī)劃主要根據(jù)用戶需求和現(xiàn)有情況進(jìn)行，例如在熱負(fù)荷點(diǎn)連接熱力系統(tǒng)管道或者設(shè)置電熱設(shè)備。在完成能源互聯(lián)網(wǎng)的拓?fù)湟?guī)劃后，需要確定各設(shè)備的型號(hào)和容量。由于設(shè)備型號(hào)影響單臺(tái)設(shè)備容量，常同時(shí)進(jìn)行設(shè)備型號(hào)和容量規(guī)劃。在規(guī)劃中需要考慮典型日系統(tǒng)運(yùn)行方式，檢驗(yàn)配置方案是否可行，計(jì)算運(yùn)營(yíng)成本、資源短缺率和碳排放量。因此，規(guī)劃內(nèi)嵌系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)度問題，例如最小化成本的規(guī)劃問題：在能源互聯(lián)網(wǎng)日運(yùn)行優(yōu)化中，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、設(shè)備型號(hào)和容量固定，負(fù)荷、風(fēng)速、光照等條件給定，變量是系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，約束條件包括設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行約束、功率平衡約束、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)帶來的連接約束、負(fù)荷約束、儲(chǔ)能狀態(tài)約束、系統(tǒng)動(dòng)態(tài)約束等。例如，最小化運(yùn)行成本的運(yùn)行優(yōu)化問題如下：4.2能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃面臨的困難能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃本質(zhì)上是多層混合整數(shù)非線性規(guī)劃問題[2,6]，不是單一的優(yōu)化問題，而是需要在資源評(píng)估、系統(tǒng)開發(fā)成本評(píng)估、生產(chǎn)模擬指標(biāo)計(jì)算以及市場(chǎng)與環(huán)境分析等多個(gè)模塊間反復(fù)迭代尋求均衡[2]，問題龐雜。因此，能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃不僅要面臨通常能源系統(tǒng)規(guī)劃的困難，還需要解決多系統(tǒng)耦合帶來的問題，主要難點(diǎn)如下。1）能源互聯(lián)網(wǎng)包括電、氣、熱（冷）網(wǎng)絡(luò)。這些類型的網(wǎng)絡(luò)本質(zhì)上都是非線性系統(tǒng)，尤其氣、熱（冷）網(wǎng)絡(luò)非線性很強(qiáng)，給規(guī)劃問題求解帶來困難。2）能源互聯(lián)網(wǎng)包含多種設(shè)備，一些設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換效率、可調(diào)節(jié)范圍與設(shè)備工作點(diǎn)有關(guān)，使得設(shè)備模型也具有較強(qiáng)的非線性或者分段特征。3）電力系統(tǒng)和氣、熱（冷）系統(tǒng)相互耦合，但它們具有不同的動(dòng)態(tài)時(shí)間尺度。一般直接忽略電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)細(xì)節(jié)，僅考慮爬坡約束。氣、熱（冷）系統(tǒng)動(dòng)態(tài)具有分鐘甚至小時(shí)的尺度，為了準(zhǔn)確性必須在運(yùn)行調(diào)度中考慮。其模型為偏微分方程，難以處理。4）能源互聯(lián)網(wǎng)中負(fù)荷、新能源等給系統(tǒng)引入了隨機(jī)性。5）電、熱（冷）儲(chǔ)能將能量在時(shí)間上相互耦合，從而使多時(shí)段的運(yùn)行問題中各時(shí)段之間緊密聯(lián)系，無法解耦。6）設(shè)備選型時(shí)，可選范圍具有離散的特征，使得規(guī)劃問題需要處理離散的優(yōu)化變量。雖然可以通過忽略或簡(jiǎn)化管網(wǎng)特性，獲得近似線性化模型，然后采用傳統(tǒng)的凸優(yōu)化方法進(jìn)行求解，但是所求結(jié)果將會(huì)大大偏離原始問題的最優(yōu)解。尤其是當(dāng)可再生能源、大量電動(dòng)汽車充電站接入后，能源互聯(lián)網(wǎng)將受到來自源、荷兩側(cè)的多維非高斯隨機(jī)變量影響，能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃問題將更加難以被有效求解。4.3數(shù)字孿生在能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃中的作用在能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃中，由于系統(tǒng)還未建成運(yùn)行，數(shù)字孿生參與其中的主要作用是對(duì)規(guī)劃系統(tǒng)建模仿真，并將結(jié)果反饋給規(guī)劃主體以指導(dǎo)規(guī)劃決策。數(shù)字孿生可以檢驗(yàn)運(yùn)行方案的可行性，計(jì)算運(yùn)行成本、資源短缺量、碳排放量等指標(biāo)評(píng)估運(yùn)行方案的效果，并提供系統(tǒng)工作點(diǎn)詳細(xì)信息。利用攝動(dòng)參數(shù)后的多次仿真，能夠幫助運(yùn)行優(yōu)化尋找搜索方向。數(shù)字孿生可以準(zhǔn)確地考慮能源互聯(lián)網(wǎng)中網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備的模型，包括各種含有非線性、離散量和動(dòng)態(tài)的模型，以應(yīng)對(duì)前述能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃面臨的困難。在能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃中使用數(shù)字孿生，一方面能通過數(shù)字孿生仿真推演得到能源互聯(lián)網(wǎng)在各種工況下的運(yùn)行狀態(tài)，從而精確地獲取上述優(yōu)化模型中需要的信息；另一方面，由于模型本身沒有被簡(jiǎn)化或修改，因此能較為貼近真實(shí)地評(píng)估運(yùn)行方案的可行性和效果，并反饋到規(guī)劃主體中考慮。相比之下，常用的線性化等簡(jiǎn)化方法，雖然使得規(guī)劃能夠轉(zhuǎn)化成易于求出最優(yōu)解的問題，但其結(jié)果對(duì)于原規(guī)劃問題的有效性無法保證。此外，采用數(shù)字孿生的能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃可擴(kuò)展性較強(qiáng)，新增設(shè)備或能源形式可通過類似方式在數(shù)字孿生中建模仿真。此外，數(shù)字孿生有助于處理能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃中存在的不確定性，如可再生能源發(fā)電、電動(dòng)汽車充電功率等。借助不確定性建模、場(chǎng)景生成等技術(shù)，數(shù)字孿生可以對(duì)不同規(guī)劃方案進(jìn)行多概率、多場(chǎng)景的仿真模擬，從中選取最優(yōu)方案。4.4關(guān)鍵模型能源互聯(lián)網(wǎng)模型主要由兩大部分組成，分別是能量樞紐模型和能量傳輸模型，前者是指用于描述系統(tǒng)中能量的轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、生產(chǎn)和消耗等行為的模型，包括耦合設(shè)備模型、負(fù)荷模型、儲(chǔ)能模型等，后者是指用于描述系統(tǒng)中能量的輸送和分配等行為的模型，包括傳輸設(shè)備模型和網(wǎng)絡(luò)模型等。4.4.1能量樞紐模型能量樞紐模型（energyhub）的概念最早由Geidl等人提出[13]，通過建立能量轉(zhuǎn)換關(guān)系矩陣實(shí)現(xiàn)對(duì)能量樞紐單元的通用化建模。盡管這種建模方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)含有若干設(shè)備和若干能量流的樞紐單元的高度抽象，但也將丟失重要的能流參數(shù)信息，如熱力流的流速、溫度、壓力等，這些信息是計(jì)算流體尤其是可壓縮流體（如燃?xì)?、蒸汽、煙氣等）的熱交換效率、傳輸損失的關(guān)鍵因素。本文保留了energyhub模型中的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系矩陣，但是將能量流表示為各能源子系統(tǒng)基礎(chǔ)參數(shù)的函數(shù)，如換熱器換熱模型如下：式中：m為流量；p為壓力；T為溫度；h(p,T)為流體在一定壓力和溫度下的焓值；ηHB

代表?yè)Q熱器換熱效率；下標(biāo)cold代表冷流體；下標(biāo)hot代表熱流體；下標(biāo)in代表流入流體，out代表流出流體。4.4.2能量傳輸模型對(duì)不同的能源子系統(tǒng)，由于能量載體的輸運(yùn)特性有所差異，因此設(shè)備傳輸模型及網(wǎng)絡(luò)模型都難以進(jìn)行統(tǒng)一建模。比如對(duì)熱力系統(tǒng)，其傳輸設(shè)備模型（管道模型）和網(wǎng)絡(luò)模型主要圍繞質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒三大定律進(jìn)行建模，另外考慮到系統(tǒng)規(guī)劃問題的計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)較大，可以忽略系統(tǒng)過程中的動(dòng)態(tài)特性。因此，本文考慮的都是穩(wěn)態(tài)模型。下面分別展示了氣體管道和熱力網(wǎng)絡(luò)的模型。1）氣體管道模型壓降方程：溫降方程：式中：m為質(zhì)量流量；pQ為管道起點(diǎn)壓力；pZ為管道終點(diǎn)壓力；K和α為系數(shù)，與管道和氣體物性參數(shù)有關(guān)；TQ為起點(diǎn)溫度；TZ為終點(diǎn)溫度；T0為環(huán)境溫度；a為系數(shù)，與管道和氣體物性參數(shù)有關(guān)。2）網(wǎng)絡(luò)模型節(jié)點(diǎn)質(zhì)量守恒方程：節(jié)點(diǎn)壓力平衡方程：節(jié)點(diǎn)能量平衡方程：4.5算法流程本文采用的優(yōu)化目標(biāo)包括規(guī)劃系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性及能效水平等多項(xiàng)指標(biāo)，因此，目標(biāo)函數(shù)可表示為各項(xiàng)指標(biāo)的加權(quán)總和，對(duì)于各項(xiàng)指標(biāo)的計(jì)算方法可參考文獻(xiàn)[18]；優(yōu)化決策變量則包含了設(shè)備待選型號(hào)、設(shè)備配置臺(tái)數(shù)以及不同典型負(fù)荷日下的設(shè)備優(yōu)化運(yùn)行方式，其中設(shè)備運(yùn)行方式以1h為時(shí)間間隔進(jìn)行出力規(guī)劃；優(yōu)化約束條件則由兩部分組成，分別是系統(tǒng)運(yùn)行約束和設(shè)備運(yùn)行約束，前者是指系統(tǒng)模型方程所帶來的約束條件（如4.4節(jié)中介紹的方程），后者是指設(shè)備運(yùn)行時(shí)需要滿足的工況約束（如電池最大儲(chǔ)能量、管道最大承壓等）。4.4節(jié)中的系統(tǒng)模型整體呈現(xiàn)較強(qiáng)的非線性特征，目前已有的研究在進(jìn)行優(yōu)化前通常是將上述模型線性化，然后采用線性規(guī)劃類方法進(jìn)行求解。但是，線性化過程做了大量簡(jiǎn)化假設(shè)，從而會(huì)引入一定的計(jì)算誤差，同時(shí)方法的可擴(kuò)展性較差，對(duì)各種接入設(shè)備的模型形式要求較高。為解決這一問題，本文在維持非線性模型的前提下，基于智能優(yōu)化算法結(jié)合基于數(shù)字孿生的多能流計(jì)算內(nèi)核實(shí)現(xiàn)了綜合能源系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化算法框架如圖1所示。在優(yōu)化過程中，智能優(yōu)化算法通過對(duì)決策變量進(jìn)行編碼，在解空間中按照相應(yīng)規(guī)則搜索，而每次搜索位置對(duì)應(yīng)的決策變量則為基于數(shù)字孿生的多能流計(jì)算內(nèi)核提供了計(jì)算所需的基礎(chǔ)條件（如各非平衡節(jié)點(diǎn)設(shè)備在每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的出力分配等），因此多能流計(jì)算內(nèi)核可以計(jì)算得到滿足4.4節(jié)中模型方程約束的系統(tǒng)狀態(tài)（如電網(wǎng)潮流），接下來再對(duì)設(shè)備約束條件進(jìn)行校驗(yàn)，校驗(yàn)通過后就可以根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)計(jì)算經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性等指標(biāo)，最后將目標(biāo)函數(shù)值反饋給優(yōu)化算法內(nèi)核以進(jìn)行下一步計(jì)算。圖1基于數(shù)字孿生仿真驅(qū)動(dòng)的優(yōu)化算法流程圖

Fig.1FlowchartofoptimizationalgorithmbasedonthedigitaltwinsimulationofEI5基于CloudIEPS的能源互聯(lián)網(wǎng)規(guī)劃示例CloudIEPS（Cloud-basedIntegratedEnergyPlanningStudio）是一款面向綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃的基于數(shù)字孿生技術(shù)云平臺(tái)，采用多能源網(wǎng)絡(luò)能量流計(jì)算和優(yōu)化內(nèi)核支撐綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)。用戶可根據(jù)需求靈活地調(diào)整系統(tǒng)能量的梯級(jí)利用形式，從而實(shí)現(xiàn)綜合能源系統(tǒng)的可視化建模、智能化設(shè)備配置、全生命周期運(yùn)行優(yōu)化和綜合效益評(píng)價(jià)，輔助用戶實(shí)現(xiàn)綜合能源系統(tǒng)方案的規(guī)劃設(shè)計(jì)。本章將以某實(shí)際綜合能源系統(tǒng)—南方某樓宇型園區(qū)—作為案例對(duì)CloudIEPS在綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃實(shí)踐中的應(yīng)用效果進(jìn)行探討。5.1CloudIEPS基本功能模塊CloudIEPS包含四大模塊，分別是數(shù)據(jù)管理模塊、拓?fù)渚庉嬆K、集成優(yōu)化模塊和方案評(píng)估模塊，通過流程化設(shè)計(jì)引導(dǎo)用戶快捷操作，各模塊相互配合協(xié)作，共同完成綜合能源系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)。各模塊的主要功能如下。數(shù)據(jù)管理模塊：對(duì)優(yōu)化計(jì)算、效益評(píng)估所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，主要包含了氣象數(shù)據(jù)、負(fù)荷數(shù)據(jù)、能源信息數(shù)據(jù)和待選設(shè)備信息數(shù)據(jù)。拓?fù)渚庉嬆K：用戶利用該模塊對(duì)綜合能源系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（即能量梯級(jí)利用的形式）進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括確定要用哪些種類的設(shè)備、設(shè)備間的連接方式、設(shè)備型號(hào)和容量是否限定、設(shè)備的容量范圍、設(shè)備的運(yùn)行條件、設(shè)備或負(fù)荷供用能的計(jì)價(jià)方式等。集成優(yōu)化模塊：根據(jù)用戶設(shè)置的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和信息，通過優(yōu)化求解器生成一定數(shù)量的滿足約束條件的待選方案，各方案按照用戶設(shè)置的經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性和能效水平的權(quán)重系數(shù)進(jìn)行整體評(píng)價(jià)并按順序排列在方案列表中，用戶可以查看每種方案對(duì)應(yīng)的詳細(xì)配置情況，包括各種設(shè)備的選型方案及典型運(yùn)行方式。方案評(píng)估模塊：用戶根據(jù)情況選擇方案優(yōu)化模塊中的特定方案后，可以進(jìn)入方案評(píng)估模塊對(duì)方案進(jìn)行更詳細(xì)的評(píng)估。這主要體現(xiàn)在財(cái)務(wù)評(píng)價(jià)上，用戶還需要輸入一些金融參數(shù)諸如貸款利率、稅率等信息后獲得詳細(xì)的經(jīng)濟(jì)性報(bào)表。由于不同的方案對(duì)應(yīng)的基礎(chǔ)財(cái)務(wù)評(píng)價(jià)參數(shù)存在不同（如土石方工程用量、控制系統(tǒng)工程、項(xiàng)目管理費(fèi)用等），因此一般情況下用戶需要對(duì)方案優(yōu)化模塊中生成的多個(gè)方案分別進(jìn)行評(píng)價(jià)，最后選擇效益最優(yōu)的方案。在該模塊中用戶也可以查看更為詳細(xì)的環(huán)保性和能效水平評(píng)價(jià)結(jié)果。各模塊的使用邏輯如圖2所示。圖2CloudIEPS的功能模塊

Fig.2FunctionblocksofCloudIEPS5.2案例介紹該案例中負(fù)荷包含電負(fù)荷、冷負(fù)荷和熱負(fù)荷，現(xiàn)擬用燃?xì)獍l(fā)電機(jī)、吸收式制冷機(jī)、燃?xì)忮仩t、光伏、蓄電池、蓄冰空調(diào)系統(tǒng)、電壓縮制冷機(jī)等設(shè)備構(gòu)建如圖3所示的綜合能源系統(tǒng)。上述系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的平均用能需求數(shù)據(jù)如表1，初步按照冬季、過渡季、夏季3個(gè)時(shí)期的用能場(chǎng)景對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃。表1不同時(shí)期的平均用能需求

Table1Averageenergydemandindifferentseasons圖