房方，張效寧，梁棟煬，王慶華

面向智能發(fā)電的數(shù)字孿生技術(shù)及其應(yīng)用模式

房方，張效寧，梁棟煬，王慶華

（華北電力大學(xué)控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，北京市 昌平區(qū) 102206）

發(fā)電過程作為電力系統(tǒng)的重要組成部分，其智能化建設(shè)是推進(jìn)我國能源電力轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要方向。結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)的研究發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，剖析了智能發(fā)電的概念與體系，并給出面向智能發(fā)電的數(shù)字孿生定義，通過功能映射，構(gòu)建了智能發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)字孿生架構(gòu)。提出了在智能發(fā)電系統(tǒng)中部署數(shù)字孿生技術(shù)的一般性方法，對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用模式進(jìn)行了歸納，分析了應(yīng)用過程中面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)。研究結(jié)果可為數(shù)字孿生技術(shù)在發(fā)電領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供理論和方法參考。

智能發(fā)電；數(shù)字孿生；應(yīng)用架構(gòu)；數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)

0 引言

隨著全球新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革的蓬勃興起，互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能與實(shí)體經(jīng)濟(jì)深度融合，對(duì)經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展產(chǎn)生了深層次與全方位影響。與之相適應(yīng)，我國先后出臺(tái)了“中國制造2025”“互聯(lián)網(wǎng)+先進(jìn)制造業(yè)”“新一代人工智能”等發(fā)展戰(zhàn)略與規(guī)劃[1-3]。如何推動(dòng)物理系統(tǒng)與信息系統(tǒng)的有機(jī)融合與深度協(xié)作，是支撐我國工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的核心問題之一。

在以化石能源清潔化、清潔能源規(guī)?；?、新舊能源綜合化為特征的能源革命中，電能的生產(chǎn)和消費(fèi)方式將發(fā)生根本性的改變[4]，發(fā)電過程作為電力系統(tǒng)的重要組成部分，其智能化建設(shè)是推進(jìn)我國能源轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要方向。自2016年“智能發(fā)電”的概念[5]被提出以來，受到了行業(yè)企業(yè)和國家主管部門的高度重視，研發(fā)投入逐年增長(zhǎng)，理論體系不斷發(fā)展完善，形成了技術(shù)與產(chǎn)品的研發(fā)熱潮[6-10]，多個(gè)示范項(xiàng)目通過鑒定并取得了令人矚目的應(yīng)用效果。

但是，智能化技術(shù)與應(yīng)用場(chǎng)景的深度匹配是一個(gè)長(zhǎng)期迭代優(yōu)化、不斷修正完善的過程，盡管高性能計(jì)算、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、5G通信、大數(shù)據(jù)分析、工業(yè)機(jī)器人、區(qū)塊鏈等技術(shù)的發(fā)展日趨成熟，但其在復(fù)雜工業(yè)場(chǎng)景中的應(yīng)用尚處于探索階段，若要契合智能發(fā)電的自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、自趨優(yōu)、自恢復(fù)、自組織功能目標(biāo)[4]，還需要依托產(chǎn)學(xué)研合作，開展大量的探索與實(shí)踐。

近年來，在物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景下，工業(yè)“數(shù)字孿生”技術(shù)成為一個(gè)研究熱點(diǎn)，其利用數(shù)字技術(shù)對(duì)物體、系統(tǒng)、流程的信息進(jìn)行實(shí)時(shí)映射，完成虛擬仿真過程，從而顯著減輕工業(yè)領(lǐng)域技術(shù)創(chuàng)新和決策優(yōu)化研究中面臨的重資產(chǎn)和高成本負(fù)擔(dān)。

為適應(yīng)能源革命中的新趨勢(shì)及對(duì)智能化的新需求，本文分析了數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與研究進(jìn)展，結(jié)合智能發(fā)電技術(shù)的內(nèi)涵與應(yīng)用框架，基于一般性的部署手段，構(gòu)建了智能發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)字孿生架構(gòu)；探索了數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用模式以及面臨的主要挑戰(zhàn)，為數(shù)字孿生技術(shù)在發(fā)電領(lǐng)域落地應(yīng)用提供理論和方法參考。

1 數(shù)字孿生技術(shù)研究發(fā)展概況

數(shù)字孿生的概念最早出現(xiàn)于2005年美國密歇根大學(xué)Grieves教授關(guān)于產(chǎn)品生命周期管理的講座[11]，他將數(shù)字孿生描述為物理實(shí)體、物理實(shí)體的虛擬表示以及從物理到虛擬的雙向數(shù)據(jù)連接3個(gè)組成部分。虛擬表示可作為對(duì)象，承載建模、測(cè)試和優(yōu)化等虛擬操作。但由于當(dāng)時(shí)技術(shù)和認(rèn)知上的局限性，直到2011年美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室和美國國家航空航天局將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于飛行器研制，該項(xiàng)技術(shù)才受到廣泛關(guān)注[12]。2019年，數(shù)字孿生技術(shù)被全球權(quán)威IT研究與顧問咨詢公司Gartner評(píng)為十大關(guān)鍵戰(zhàn)略技術(shù)趨勢(shì)之一[13]。

電子電氣自動(dòng)化領(lǐng)域知名跨國企業(yè)和工業(yè)軟件開發(fā)商GE、Siemens、Ansys等是工業(yè)數(shù)字孿生技術(shù)的積極推動(dòng)者和踐行者，他們都把數(shù)字孿生技術(shù)作為其數(shù)字化工廠計(jì)劃的一個(gè)關(guān)鍵組成部分，通過對(duì)產(chǎn)品和生產(chǎn)全生命周期的推演，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)價(jià)值鏈的虛擬洞察和反饋，從而支撐真實(shí)世界的生產(chǎn)與產(chǎn)品的持續(xù)優(yōu)化。

近年來，國內(nèi)學(xué)者和行業(yè)專家高度關(guān)注數(shù)字孿生技術(shù)。文獻(xiàn)[14]總結(jié)了數(shù)字孿生的五維結(jié)構(gòu)模型，提出數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的6條應(yīng)用準(zhǔn)則，探索了14類應(yīng)用設(shè)想與實(shí)施過程中需要突破的關(guān)鍵技術(shù)；文獻(xiàn)[15]設(shè)計(jì)了數(shù)字孿生車間的參考系統(tǒng)架構(gòu)，探討了實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生車間信息物理融合的基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)；文獻(xiàn)[16]以工業(yè)4.0為背景，回顧了數(shù)字孿生技術(shù)在制造系統(tǒng)和過程工業(yè)中的發(fā)展概況。

在有關(guān)數(shù)字孿生的報(bào)道中，制造業(yè)[17-21]、醫(yī)療保健[22-24]、航空[25-26]和陸地勘探[27-28]等是一些典型研究領(lǐng)域。在能源電力領(lǐng)域，數(shù)字孿生技術(shù)正在提供潛在的價(jià)值增長(zhǎng)點(diǎn)，近2年的研究呈增長(zhǎng)趨勢(shì)[29-30]。文獻(xiàn)[31]基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)跟蹤動(dòng)態(tài)行為，構(gòu)建逆變器的數(shù)字孿生模型；文獻(xiàn)[32]利用數(shù)字孿生模型為特高壓交流/直流電網(wǎng)秒級(jí)在線分析系統(tǒng)提供決策支持；文獻(xiàn)[33]研究了基于數(shù)字孿生的智能城市能源管理，并將其作為實(shí)時(shí)管理的基準(zhǔn)；文獻(xiàn)[34]討論了能源互聯(lián)網(wǎng)中數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用問題。

需要指出的是，在發(fā)電過程的數(shù)字孿生技術(shù)方面，相關(guān)研究仍處于較為初級(jí)的階段，核心理論與技術(shù)創(chuàng)新有待突破，技術(shù)與產(chǎn)品的應(yīng)用還有諸多問題需要解決，應(yīng)用效果也有待進(jìn)一步檢驗(yàn)。尤其在火力發(fā)電領(lǐng)域，由于生產(chǎn)流程復(fù)雜、能量轉(zhuǎn)換形式多樣，首先在局部生產(chǎn)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生技術(shù)的示范應(yīng)用是目前較為可行的選擇。

2 面向智能發(fā)電的數(shù)字孿生架構(gòu)

“孿生”意味著數(shù)字化虛擬表示將在整個(gè)生命周期中雙向鏈接到物理實(shí)體[35]。將這一概念應(yīng)用于發(fā)電過程中，可衍生出若干種數(shù)字孿生架構(gòu)?；A(chǔ)數(shù)字孿生架構(gòu)如圖1所示，主要包括物理空間、虛擬空間以及這些空間之間的連接3部分[36]。物理空間包含物理實(shí)體、傳感器和執(zhí)行器；而虛擬空間包含從多角度建立的虛擬模型；物理空間和虛擬空間之間的連接連通了2個(gè)空間，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與指令的傳遞。

上述架構(gòu)中虛擬空間與物理空間直接進(jìn)行信息交互，不利于開發(fā)部署應(yīng)用服務(wù)。因此，進(jìn)一步發(fā)展出5組件數(shù)字孿生架構(gòu)，如圖2所示，主要包括物理空間、虛擬空間、融合模型、服務(wù)系統(tǒng)以及這4個(gè)模塊之間的連接5部分[37]。該架構(gòu)能夠融合額外的可用服務(wù)，如設(shè)備與流程可視化、工業(yè)質(zhì)檢、設(shè)備健康診斷、高級(jí)算法服務(wù)以及資產(chǎn)評(píng)估服務(wù)等。數(shù)字孿生數(shù)據(jù)融合模型是物理空間、虛擬空間和服務(wù)系統(tǒng)之間的橋梁，用于收集來自物理空間的傳感器數(shù)據(jù)、虛擬空間仿真指令和服務(wù)系統(tǒng)需求，按需進(jìn)行數(shù)據(jù)融合、分析和仿真，進(jìn)而做出決策與優(yōu)化建議。

面向工業(yè)4.0的數(shù)字孿生架構(gòu)如圖3所示，主要包含5個(gè)部分與6步過程[38]。5個(gè)部分包括傳感器、數(shù)據(jù)管理、集成模型、數(shù)據(jù)分析和執(zhí)行器。傳感器和執(zhí)行器位于物理空間中；而數(shù)據(jù)管理與數(shù)據(jù)分析則在虛擬空間中進(jìn)行；集成模型是連接2個(gè)空間的樞紐。6步過程主要包含生成、通信、聚合、分析、決策和執(zhí)行。傳感器檢測(cè)物理實(shí)體特定的工藝參數(shù)，并將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換生成數(shù)字信號(hào)，來表征實(shí)體的運(yùn)行和環(huán)境狀況；新測(cè)得的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過通信傳輸，與已有歷史數(shù)據(jù)、策略和模型相聚合；分析步驟則是運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)分析、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)，挖掘潛在特征與關(guān)聯(lián)，結(jié)果可通過增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)可視化呈現(xiàn)；基于集成模型形成的決策將反饋至物理實(shí)體并執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)全流程閉環(huán)。

圖3 面向工業(yè)4.0的數(shù)字孿生架構(gòu)

參考上述架構(gòu)，綜合考慮智能發(fā)電的內(nèi)涵和功能劃分[4]，可建立基于智能運(yùn)行控制系統(tǒng)(intelligent control system，ICS)和智能公共服務(wù)系統(tǒng)(intelligent service system，ISS)的雙層數(shù)字孿生體系架構(gòu)，如圖4所示。

1）智能運(yùn)行控制系統(tǒng)層。

ICS包含了與生產(chǎn)運(yùn)行緊密相關(guān)的物理實(shí)體與過程，通常包含分散控制系統(tǒng)、ICS數(shù)據(jù)服務(wù)器、高級(jí)應(yīng)用服務(wù)器、高級(jí)值班員站及其間通信設(shè)施。ICS包含的發(fā)電廠設(shè)備實(shí)體與生產(chǎn)過程對(duì)應(yīng)于數(shù)字孿生模型的傳感器與執(zhí)行器部分。其中傳感器部分涉及采集與通信2個(gè)過程，執(zhí)行器部分涉及通信與執(zhí)行2個(gè)過程。

ICS中傳感器部分采集的數(shù)據(jù)具有多源分散獲取、持續(xù)多頻率采樣、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性強(qiáng)、數(shù)量大等多時(shí)空特征[4]。在此基礎(chǔ)上構(gòu)建數(shù)字孿生系統(tǒng)既有優(yōu)勢(shì)也充滿挑戰(zhàn)，以下問題須重點(diǎn)考慮：

一是ICS中數(shù)字孿生系統(tǒng)的顆粒度問題。從生產(chǎn)過程的物理結(jié)構(gòu)上看，構(gòu)建的孿生模型是針對(duì)一個(gè)部件/設(shè)備、一個(gè)流程、一個(gè)局部系統(tǒng)，還是機(jī)爐整體；從物質(zhì)和能量傳遞的關(guān)系上看，構(gòu)建的孿生模型是關(guān)注輸入/輸出整體的能量平衡，還是局部的物質(zhì)或能量轉(zhuǎn)換關(guān)系。

二是ICS中數(shù)字孿生系統(tǒng)的模擬精度問題。高精度是對(duì)數(shù)字孿生模型的基本要求，但在具體應(yīng)用中還要充分考慮對(duì)象的復(fù)雜度、建模成本，以及承載孿生系統(tǒng)運(yùn)行的平臺(tái)性能。

三是ICS中數(shù)字孿生系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性問題。對(duì)生產(chǎn)控制系統(tǒng)而言，實(shí)時(shí)性是最基本要求。ICS中的信號(hào)采集與通信時(shí)間通常為毫秒級(jí)，要實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生系統(tǒng)的高精度同步仿真，實(shí)時(shí)性是關(guān)鍵。

四是ICS中數(shù)字孿生系統(tǒng)的魯棒性問題。無論是燃煤發(fā)電機(jī)組還是新能源發(fā)電機(jī)組，一次能源都存在不確定性，這就要求所對(duì)應(yīng)的數(shù)字孿生模型具有針對(duì)變工況運(yùn)行的適應(yīng)能力。

2）智能公共服務(wù)系統(tǒng)層。

ISS位于ICS的上層，建立在大型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)、云平臺(tái)的基礎(chǔ)上，主要實(shí)現(xiàn)智能安全、智能管理、智能服務(wù)等功能，為生產(chǎn)過程安全、管理及優(yōu)化決策提供一體化數(shù)據(jù)平臺(tái)。ISS承載生產(chǎn)經(jīng)營管理的數(shù)字孿生，其數(shù)據(jù)多從工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)或?qū)Ｓ镁W(wǎng)絡(luò)獲取，具有數(shù)據(jù)源相對(duì)分散、數(shù)據(jù)類型多樣等特征[4]。在此基礎(chǔ)上構(gòu)建數(shù)字孿生系統(tǒng)主要涉及數(shù)據(jù)管理、模型集成、數(shù)據(jù)分析3部分功能，并與聚合、分析、執(zhí)行和通信4個(gè)過程緊密關(guān)聯(lián)。ISS系統(tǒng)中數(shù)字孿生如何落實(shí)執(zhí)行需要重點(diǎn)考慮以下問題：

一是ISS中數(shù)字孿生系統(tǒng)的交互性問題。作為以提升運(yùn)維管理水平為目標(biāo)的孿生模型，其接收的信息來源廣、數(shù)據(jù)類型多樣、業(yè)務(wù)類型復(fù)雜，通過數(shù)字孿生的信息展示和利用方式也非常豐富，多系統(tǒng)、多用戶交互能力必不可少。

二是ISS中數(shù)字孿生系統(tǒng)的決策能力問題。基于規(guī)則、經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)的決策能力是對(duì)運(yùn)維管理業(yè)務(wù)領(lǐng)域數(shù)字孿生模型的基本要求，其決策結(jié)果可以是一致性趨優(yōu)的，也可以是博弈均衡的。

三是ISS中數(shù)字孿生系統(tǒng)的安全性問題。由于數(shù)據(jù)來源廣泛且多為非直接感知數(shù)據(jù)，ISS系統(tǒng)中數(shù)字孿生應(yīng)用的安全性問題更為突出，在原有電力系統(tǒng)安全分區(qū)的基礎(chǔ)上，還要進(jìn)一步考慮數(shù)字孿生自身的網(wǎng)絡(luò)安全、數(shù)據(jù)安全等問題。

四是ISS中數(shù)字孿生系統(tǒng)的執(zhí)行能力問題。對(duì)指令的執(zhí)行最終作用于發(fā)電實(shí)體設(shè)備，直接關(guān)系發(fā)電過程的安全性、經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性。數(shù)字孿生系統(tǒng)需與現(xiàn)有控制手段有機(jī)融合。

3 面向智能發(fā)電的數(shù)字孿生部署

為統(tǒng)一建立具有適當(dāng)復(fù)雜性的面向智能發(fā)電的數(shù)字孿生系統(tǒng)，需建立完善的數(shù)字孿生系統(tǒng)部署流程，如圖5所示，該流程主要包括6個(gè)步驟：驗(yàn)證部署可行性、過程辨識(shí)、初步規(guī)劃系統(tǒng)、小范圍驗(yàn)證、大范圍部署系統(tǒng)以及全生命周期監(jiān)測(cè)。

圖5 面向智能發(fā)電的數(shù)字孿生部署流程

部署面向智能發(fā)電的數(shù)字孿生系統(tǒng)，需首先對(duì)目標(biāo)火電機(jī)組或新能源機(jī)組進(jìn)行可行性評(píng)估，如ICS中的信號(hào)采集、數(shù)據(jù)通信、執(zhí)行環(huán)節(jié)等。ICS中利用現(xiàn)代化的檢測(cè)裝置與高水平的檢測(cè)技術(shù)獲取物理實(shí)體的狀態(tài)、位置、環(huán)境等信息。一方面可利用微波、激光、紅外、聲波等先進(jìn)測(cè)量技術(shù)，直接測(cè)量生產(chǎn)過程參數(shù)；另一方面可利用機(jī)理模型與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法實(shí)現(xiàn)不可測(cè)參數(shù)的間接檢測(cè)?；诂F(xiàn)場(chǎng)總線、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，可提供高速穩(wěn)定的數(shù)據(jù)通信能力。執(zhí)行部分除常見電廠設(shè)備外，還可使用智能穿戴設(shè)備、手持智能終端、無人機(jī)、智能巡檢機(jī)器人等，用于執(zhí)行高強(qiáng)度、重復(fù)性或危險(xiǎn)性的工作。

過程辨識(shí)首先對(duì)電力生產(chǎn)過程中采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析，實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的深度融合。針對(duì)全生命周期的不同階段，綜合運(yùn)用機(jī)理建模和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建模方法，挖掘物理實(shí)體不同時(shí)空尺度的特點(diǎn)與關(guān)聯(lián)，建立物理實(shí)體的多工況、多尺度模型。梳理分析各個(gè)物理實(shí)體之間的業(yè)務(wù)邏輯關(guān)聯(lián)，形成有機(jī)整體。

依照過程辨識(shí)建立的有機(jī)整體模型，初步設(shè)計(jì)規(guī)劃數(shù)字孿生虛擬空間，并集合小范圍試點(diǎn)中獲取的信息，確定實(shí)施數(shù)字孿生后可能的應(yīng)用形式、面臨的挑戰(zhàn)與潛在的風(fēng)險(xiǎn)，并根據(jù)綜合最優(yōu)投資回報(bào)原則進(jìn)一步完善數(shù)字孿生系統(tǒng)。在該過程中可反復(fù)對(duì)數(shù)字孿生的傳感器、執(zhí)行器、通信設(shè)施與數(shù)據(jù)挖掘分析技術(shù)的選擇進(jìn)行迭代優(yōu)化。

當(dāng)小范圍驗(yàn)證取得良好成效后，數(shù)字孿生系統(tǒng)即可規(guī)?；渴?，并從孤島試點(diǎn)接入到發(fā)電企業(yè)現(xiàn)有管控網(wǎng)絡(luò)。在逐步合并關(guān)聯(lián)流程的過程中，進(jìn)一步確定數(shù)字孿生系統(tǒng)的可能應(yīng)用擴(kuò)展。在此階段，可以利用局部數(shù)字孿生部署中的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)加速規(guī)?；渴?，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)全生命周期模擬和預(yù)測(cè)，以獲取最大收益，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

4 面向智能發(fā)電的數(shù)字孿生應(yīng)用模式

4.1 過程自動(dòng)化

數(shù)字孿生可以從智能發(fā)電物理空間中獲取數(shù)據(jù)，在虛擬空間中實(shí)時(shí)分析數(shù)據(jù)，并將決策指令反饋至物理空間，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電設(shè)備與過程的自主控制，將操作員從枯燥重復(fù)的人工操控中解脫出來，實(shí)現(xiàn)機(jī)組運(yùn)行控制的規(guī)范化和精細(xì)化。

4.2 綜合效益管理

數(shù)字孿生可輕松仿真各類假設(shè)情況，如存在各類故障時(shí)發(fā)電機(jī)組物理實(shí)體的降級(jí)運(yùn)行或故障停機(jī)操作手段，尋找最佳的維修計(jì)劃并有選擇地延遲維修與資產(chǎn)替換，避免計(jì)劃外操作可能造成的設(shè)備應(yīng)急關(guān)閉和重啟等。此外，數(shù)字孿生可將數(shù)據(jù)與流程可視化，直觀展示發(fā)電設(shè)備狀態(tài)和過程參數(shù)，模擬關(guān)鍵績(jī)效指標(biāo)。

4.3 生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)管控

數(shù)字孿生可利用機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)和人工智能算法預(yù)測(cè)潛在的風(fēng)險(xiǎn)與故障，避免事故發(fā)生，防控生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)。在發(fā)電機(jī)組新增設(shè)備、啟用新的控制算法或操作流程前，可以在數(shù)字孿生虛擬空間中進(jìn)行仿真測(cè)試，以評(píng)估新增部分對(duì)發(fā)電系統(tǒng)整體安全性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性的影響程度與范圍，是否對(duì)人員、設(shè)備與環(huán)境構(gòu)成潛在威脅，加速開發(fā)與交付流程。

4.4 設(shè)備設(shè)計(jì)交付

通過前期建立通用的虛擬模型庫，可與新建電廠相結(jié)合，有針對(duì)性地為新項(xiàng)目設(shè)計(jì)初始數(shù)字孿生虛擬空間，并進(jìn)行一系列測(cè)試與仿真，以逐步確定最佳設(shè)計(jì)方案。此外，通過數(shù)字孿生可分批次地添加不同供應(yīng)商交付的設(shè)備，驗(yàn)證使用不同設(shè)備的發(fā)電設(shè)施的性能指標(biāo)。使用設(shè)計(jì)階段的數(shù)字孿生系統(tǒng)，可以對(duì)發(fā)電設(shè)備進(jìn)行預(yù)調(diào)試，驗(yàn)證控制算法有效性、操作流程合理性，進(jìn)而加速電廠交付并盡快投入運(yùn)行。

4.5 新應(yīng)用研發(fā)

使用數(shù)字孿生，發(fā)電企業(yè)可以在現(xiàn)有設(shè)備條件下加速開發(fā)新運(yùn)行場(chǎng)景和運(yùn)營模式。通過在虛擬空間進(jìn)行各種情景仿真，確定最佳的運(yùn)營/開發(fā)方案，并減少從設(shè)計(jì)到上線新方法或新應(yīng)用的過程時(shí)間，進(jìn)而提高經(jīng)營收益。

4.6 高效信息交流

數(shù)字孿生系統(tǒng)可提供統(tǒng)一的信息交流與管理平臺(tái)，通過短信、郵件、可視化報(bào)警等手段，將信息及時(shí)傳達(dá)至相關(guān)方。數(shù)字孿生還可通過對(duì)全周期文檔的統(tǒng)一管理、云邊結(jié)合的數(shù)字化呈現(xiàn)，提升信息傳遞的有效性，以低成本加速項(xiàng)目進(jìn)展。

4.7 協(xié)同決策

發(fā)電機(jī)組全生命周期涉及投資決策、建設(shè)決策、運(yùn)行決策、維修決策、報(bào)價(jià)決策等，在有效獲取政策、市場(chǎng)、環(huán)境、技術(shù)等內(nèi)外部數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過多種數(shù)字孿生模型的協(xié)同，可實(shí)現(xiàn)針對(duì)特定區(qū)域或不同類型機(jī)組的綜合決策優(yōu)化。

4.8 人員操作培訓(xùn)

數(shù)字孿生與虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)技術(shù)融合，可提供一個(gè)虛擬平臺(tái)來提高員工技能水平，完成針對(duì)發(fā)電機(jī)組的設(shè)備通識(shí)、設(shè)備操作、指標(biāo)判讀、應(yīng)急對(duì)策和系統(tǒng)維修保障等技能培訓(xùn)。相比于傳統(tǒng)仿真機(jī)，數(shù)字孿生系統(tǒng)在操作結(jié)果的實(shí)時(shí)反饋、機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)和主要技術(shù)指標(biāo)的刻畫方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，基于數(shù)字孿生的操作培訓(xùn)，還可實(shí)現(xiàn)與機(jī)組實(shí)際運(yùn)行工況的在線比對(duì)。

5 面向智能發(fā)電的數(shù)字孿生技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

5.1 部署規(guī)模

面向智能發(fā)電的數(shù)字孿生系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)構(gòu)建合理的狀態(tài)感知和數(shù)據(jù)獲取平臺(tái)，在虛擬空間不同業(yè)務(wù)線間設(shè)計(jì)若干數(shù)字孿生模型，兼顧模型的易用性、適用性。評(píng)估現(xiàn)有發(fā)電設(shè)備與通信設(shè)施對(duì)數(shù)字孿生系統(tǒng)的支持能力，并以最佳的深度和廣度對(duì)數(shù)字孿生系統(tǒng)進(jìn)行部署和實(shí)施。

5.2 準(zhǔn)確性和有效性

數(shù)字孿生虛擬空間中存在眾多模型，構(gòu)建模型主要基于機(jī)理分析、經(jīng)驗(yàn)修正和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)。動(dòng)態(tài)調(diào)整模型以準(zhǔn)確表征物理實(shí)體的行為至關(guān)重要。模型調(diào)整應(yīng)盡量縮小虛擬模型與物理實(shí)體輸出之間的偏差，但這種偏差因傳感器誤差、數(shù)據(jù)采集不確定性、建模過程不確定性、模型內(nèi)在缺陷等因素通常無法避免?；诓粶?zhǔn)確或過期的模型，將無法得到有效的控制與決策指令，致使數(shù)據(jù)孿生系統(tǒng)失效，進(jìn)而產(chǎn)生錯(cuò)誤的判斷。

5.3 建設(shè)運(yùn)維標(biāo)準(zhǔn)

不同發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)、設(shè)備配置、運(yùn)行環(huán)境等會(huì)表現(xiàn)出明顯的差異性，每一臺(tái)機(jī)組的數(shù)字孿生應(yīng)用都是獨(dú)特的。但是，如果僅強(qiáng)調(diào)差異性，而忽略了共性特征，就會(huì)顯著增加數(shù)字孿生系統(tǒng)的開發(fā)、應(yīng)用和推廣成本。因此，對(duì)于每種類型的發(fā)電機(jī)組，都應(yīng)針對(duì)數(shù)字孿生應(yīng)用，凝練共性技術(shù)，制定相應(yīng)的建設(shè)運(yùn)維標(biāo)準(zhǔn)，如數(shù)據(jù)信息獲取、基本架構(gòu)、最小功能組成等，從而形成規(guī)范化開發(fā)、規(guī)?；茝V的局面。

5.4 信息安全防護(hù)

數(shù)字孿生中物理空間與虛擬空間存在雙向聯(lián)系，而發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)安全、設(shè)備安全、控制安全、應(yīng)用安全、網(wǎng)絡(luò)安全等直接關(guān)系國家能源安全，在工業(yè)安全領(lǐng)域處于核心地位。因此，除了采取入侵檢測(cè)、安全審計(jì)、惡意代碼防范、主機(jī)及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備加固等常規(guī)手段[39]來保護(hù)物理和虛擬空間的信息安全外，還要有針對(duì)性地加強(qiáng)數(shù)字孿生系統(tǒng)的信息安全技術(shù)研發(fā)，制定相應(yīng)的安全管控制度，形成多重安全保護(hù)體系。

6 結(jié)論

智能化已成為我國能源電力轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要方向。數(shù)字孿生技術(shù)能夠交互地在智能發(fā)電系統(tǒng)中的物理實(shí)體和虛擬表示之間建立雙向聯(lián)系，綜合利用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、云計(jì)算、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)，從多角度、全生命周期對(duì)發(fā)電過程建立數(shù)字孿生模型，通過高精度實(shí)時(shí)仿真，對(duì)模型進(jìn)行可視化、調(diào)試、體驗(yàn)、分析與優(yōu)化，進(jìn)而反饋到發(fā)電過程，用以提升實(shí)體性能和運(yùn)行績(jī)效。

從發(fā)展的角度看，數(shù)字孿生是一種綜合性技術(shù)策略，涉及的技術(shù)領(lǐng)域多，對(duì)物理對(duì)象的依賴度高。因此，在其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的道路上，一方面要強(qiáng)調(diào)分類發(fā)展、循序漸進(jìn)，從簡(jiǎn)單的發(fā)電形式和關(guān)鍵生產(chǎn)環(huán)節(jié)入手；另一方面要強(qiáng)調(diào)發(fā)展的規(guī)范化，盡快形成行業(yè)和產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系，從而提升數(shù)字孿生模型的通用性，降低研發(fā)成本。

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Digital Twin Technology for Smart Power Generation and Its Application Modes

FANG Fang, ZHANG Xiaoning, LIANG Dongyang, WANG Qinghua

(School of Control and Computer Engineering, North China Electric Power University, Changping District, Beijing 102206, China)

As an important part of power system, the intelligent construction of power generation process is an important direction to promote the development of energy transformation in China. Combined with current situation and development trend of digital twin technology research, the concept and system of smart power generation were analyzed. Then the definition of digital twin in the field of smart power generation was proposed. Through function mapping, the digital twin architecture of smart power generation was constructed. A general method of deploying digital twin technology in smart power generation system was proposed. The application fields and modes of digital twin technology were summarized, and the main technology challenges in application were analyzed. The research results provide theoretical and methodological reference for the industrial development of digital twin technology in the field of power generation.

smart power generation; digital twin; application architecture; data driven

10.12096/j.2096-4528.pgt.20075

TM 61；TP 391.9

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51676068)。

Project Supported by National Natural Science Foundation of China (51676068).

2020-08-27。

(責(zé)任編輯 尚彩娟)