能源與數(shù)字技術(shù)的融和將推動構(gòu)建一個全新的綜合智慧能源體系，數(shù)字孿生技術(shù)作為一種先進(jìn)的數(shù)字化技術(shù)，在能源領(lǐng)域的應(yīng)用尚處于初級階段，但其應(yīng)用和發(fā)展正在加速。
什么是數(shù)字孿生？
數(shù)字孿生（Digital Twin）的概念由美國密歇根大學(xué)邁克爾•格里夫教授于2002年提出，但目前尚無業(yè)界公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)定義。
數(shù)字孿生是對物理實體或流程的數(shù)字化鏡像。創(chuàng)建數(shù)字孿生的過程，集成了人工智能、機器學(xué)習(xí)和傳感器數(shù)據(jù)，以建立一個可以實時更新的、現(xiàn)場感極強的真實模型，用來支撐物理產(chǎn)品生命周期各項活動的決策。
也可以說，數(shù)字孿生是物理世界的數(shù)字化表達(dá)，它可以幫助我們在數(shù)字世界中模擬真實世界，并預(yù)測可能發(fā)生的各種情況，從而基于模擬結(jié)果做出判斷，選取最優(yōu)方案，再反饋到物理世界。
而事實上，早在上世紀(jì)70年代，數(shù)字孿生的概念就已經(jīng)開始被應(yīng)用。在美國航天局NASA阿波羅13號事故中，NASA曾嘗試?yán)脭?shù)字孿生技術(shù)模擬航天器在太空中的各種場景，并以此幫助宇航員解決在太空遇到的突發(fā)情況。
今天，數(shù)字孿生正在成為影響全球數(shù)字化變革的關(guān)鍵技術(shù)，其被廣泛應(yīng)用在城市建設(shè)、醫(yī)療保健和汽車工業(yè)、智慧能源等各個領(lǐng)域。德勤發(fā)布的《技術(shù)趨勢2020報告》將數(shù)字孿生列為五大重點趨勢之一。
美國研究機構(gòu)Markets and Markets的預(yù)測稱，2019年，數(shù)字孿生體的市場價值為38億美元，預(yù)計2025年將增至358億美元。數(shù)字孿生的發(fā)展勢頭迅猛，得益于快速發(fā)展的仿真和建模能力、更好的互操作性和物聯(lián)網(wǎng)傳感器，以及更多可用的工具和計算的基礎(chǔ)架構(gòu)等。
比如在汽車和飛機制造領(lǐng)域，數(shù)字孿生技術(shù)逐漸成為優(yōu)化整個制造價值鏈和創(chuàng)新產(chǎn)品的重要工具；在能源領(lǐng)域，油田服務(wù)運營商通過獲取和分析大量井內(nèi)數(shù)據(jù)，建立數(shù)字模型，實時指導(dǎo)鉆井作業(yè);在醫(yī)療保健領(lǐng)域，心血管研究人員正在為臨床診斷、教育、培訓(xùn)，創(chuàng)造高仿真的人類心臟的數(shù)字孿生體；作為智慧城市管理的典型案例，新加坡使用詳細(xì)的虛擬城市模型，用于城市規(guī)劃、維護(hù)和災(zāi)害預(yù)警項目。
數(shù)字孿生+智慧能源
數(shù)字化的智慧能源系統(tǒng)已成能源行業(yè)的發(fā)展大趨勢。當(dāng)前，數(shù)字孿生技術(shù)在智慧能源行業(yè)應(yīng)用仍處于起步階段。數(shù)字孿生技術(shù)可在物理世界和數(shù)字世界之間建立精準(zhǔn)的聯(lián)系，有助于解決智慧能源發(fā)展所面臨的技術(shù)難題，支持從多角度對能源互連網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行精確仿真和控制。
一般認(rèn)為，數(shù)字孿生技術(shù)特別適用于資產(chǎn)密集型且可靠性需求高的復(fù)雜系統(tǒng)。該技術(shù)已逐漸應(yīng)用到諸多工業(yè)領(lǐng)域，以制造業(yè)領(lǐng)域為典型。智慧能源系統(tǒng)是融合多能源的綜合復(fù)雜系統(tǒng)，與數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用方向高度契合。然而，當(dāng)前數(shù)字孿生技術(shù)在智慧能源領(lǐng)域應(yīng)用發(fā)展比較零散，沒有建立數(shù)字孿生技術(shù)在智慧能源領(lǐng)域的應(yīng)用實施框架。
數(shù)字孿生技術(shù)可以充分利用精細(xì)化物理模型、智能傳感器數(shù)據(jù)、運維歷史等數(shù)據(jù)，集成電、磁、熱、流體等多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成對智慧能源系統(tǒng)的映射；數(shù)字孿生實例反映對應(yīng)智能設(shè)備的全生命周期過程，能夠?qū)崟r更新與動態(tài)演化，進(jìn)而實現(xiàn)對智慧能源系統(tǒng)的真實映射。
我國已有相關(guān)單位在推進(jìn)數(shù)字孿生在綜合智慧能源系統(tǒng)中的應(yīng)用。清華四川能源互聯(lián)網(wǎng)研究院CloudPSS團(tuán)隊研發(fā)的綜合能源系統(tǒng)建模仿真平臺IESLab 2.0，即支持綜合能源系統(tǒng)項目的數(shù)字孿生體生成、部署及交付功能。
▲CloudPSS數(shù)字孿生體
CloudPSS團(tuán)隊介紹稱，該功能基于云計算和虛擬化技術(shù)，為不同類型綜合能源系統(tǒng)定制化“安全可靠”、“雙向同步”、“持續(xù)改進(jìn)”的數(shù)字孿生體，即為綜合能源系統(tǒng)構(gòu)建云端高性能引擎，并封裝為用戶專項虛擬機，貫通應(yīng)用于系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計、建設(shè)調(diào)試、調(diào)度運行和檢修維護(hù)等業(yè)務(wù)流程，保持和實際系統(tǒng)參數(shù)、數(shù)據(jù)、控制邏輯的雙向同步和互動，進(jìn)而基于人工智能技術(shù)獲得持續(xù)改進(jìn)的系統(tǒng)調(diào)控和運維策略。
綜合能源系統(tǒng)的數(shù)字孿生體是一種可交付的數(shù)字產(chǎn)品，可以衍生出豐富的應(yīng)用功能。例如將數(shù)字孿生體與數(shù)值天氣預(yù)報結(jié)合，可在線模擬極端氣象條件下綜合能源系統(tǒng)故障和恢復(fù)，給出隔離故障和恢復(fù)供能的最優(yōu)方案；也可以在云端利用數(shù)字孿生體開展強化學(xué)習(xí)訓(xùn)練，獲得綜合能源系統(tǒng)最優(yōu)調(diào)度運行策略，進(jìn)而下載部署于實際系統(tǒng)中，持續(xù)改善綜合能源開發(fā)和利用成效。
