楊先龍 汲亞娟 楊超 劉陽 胡藝凡

摘 要：本文結(jié)合國家能源革命戰(zhàn)略背景和能源數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)展趨勢，針對能源互聯(lián)網(wǎng)多學(xué)科交叉特點及其信息物理融合特性，提出一種以數(shù)字孿生為理念的能源互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字化實驗平臺架構(gòu)及其構(gòu)建方法。通過引入數(shù)字孿生理念和模型構(gòu)造技術(shù)，使傳統(tǒng)能源研究平臺向數(shù)字空間延伸，形成新型信息物理融合實驗平臺。通過該平臺，既可提升實驗室硬件資源靈活配置能力，又可在數(shù)字空間構(gòu)造復(fù)雜多元的能源應(yīng)用研究場景，解決傳統(tǒng)能源實驗室的現(xiàn)實資源制約難題，同時為探索多方創(chuàng)新合作共研機制及打造開放式數(shù)字化集群平臺模式提供技術(shù)路徑。

關(guān)鍵詞：能源互聯(lián)網(wǎng)，數(shù)字孿生，信息物理融合，數(shù)字化實驗室

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2023.05.007

0 引 言

從黨的十八大首次提出能源革命戰(zhàn)略，到國家“十三五”規(guī)劃明確部署“將推進能源與信息等領(lǐng)域新技術(shù)深度融合，統(tǒng)籌能源與通信、交通等基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，建設(shè)‘源-網(wǎng)-荷-儲協(xié)調(diào)發(fā)展、集成互補的能源互聯(lián)網(wǎng)”發(fā)展政策，能源互聯(lián)網(wǎng)已成為能源改革與發(fā)展創(chuàng)新的重要抓手[1，2]。與此同時，能源互聯(lián)網(wǎng)有著顯著的跨學(xué)科融合特征，不是單純的互聯(lián)網(wǎng)與電網(wǎng)或氣網(wǎng)等物理網(wǎng)絡(luò)的連接，而是多形式能源網(wǎng)與信息通信技術(shù)緊密聯(lián)系在一起、充分發(fā)揮能源互聯(lián)互補優(yōu)勢的新型能源網(wǎng)絡(luò)[3]。能源互聯(lián)網(wǎng)的研究不僅涉及能源生產(chǎn)、傳輸和消費全過程，同時關(guān)注源、網(wǎng)、荷、儲資源友好配置，互聯(lián)網(wǎng)思維深度改造下的能源數(shù)字化轉(zhuǎn)型，能源、環(huán)境、經(jīng)濟協(xié)同發(fā)展技術(shù)路線以及工業(yè)、交通、建筑等多元場景中能源服務(wù)困境等諸多問題。因此，能源互聯(lián)網(wǎng)實驗平臺應(yīng)具備更高的資源配置靈活性、系統(tǒng)架構(gòu)可擴展性以及信息物理融合性，以滿足對能源互聯(lián)網(wǎng)不同關(guān)鍵技術(shù)、不同系統(tǒng)方案以及不同應(yīng)用場景的研究、試驗、驗證和評價需求[4]。

由于行業(yè)普遍認可，傳統(tǒng)能源電力系統(tǒng)研究及驗證平臺一般基于相似原理，以動模仿真為基礎(chǔ)進行搭建，實現(xiàn)直接觀察各種現(xiàn)象物理過程，獲得明確的物理概念[5]。其搭建涉及大量硬件資產(chǎn)和昂貴設(shè)備投入，同時其資源配置缺乏靈活性，場景研究缺乏覆蓋性，系統(tǒng)規(guī)模具有局限性，因此較難長久適用于面向各種場景、運行環(huán)境和規(guī)模尺度的能源研究活動之中。

針對上述問題，本文設(shè)計了一種面向信息物理融合的新型能源互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字化平臺架構(gòu)，并進行了集中建設(shè)。該架構(gòu)下的新型平臺技術(shù)特點為：以數(shù)字孿生和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為技術(shù)路徑，將現(xiàn)實空間中的物理資源和運行數(shù)據(jù)映射到數(shù)字空間之中，充分打破硬件設(shè)備的現(xiàn)實局限性，實現(xiàn)資源價值重構(gòu)；以模型構(gòu)造技術(shù)為基礎(chǔ)，使物理設(shè)備與其數(shù)字模型進行一一關(guān)聯(lián)，通過對現(xiàn)實數(shù)據(jù)信息的感知、匯聚，實現(xiàn)虛實映射；通過在數(shù)字空間中構(gòu)建不同的應(yīng)用空間體，可實現(xiàn)對能源互聯(lián)網(wǎng)仿真計算、運行管理、智能決策、知識學(xué)習(xí)以及數(shù)字空間交互等多類別應(yīng)用及系統(tǒng)解決方案研究，培育了信息物理融合下的平臺可持續(xù)演進新動能[6，7]。

1 總體設(shè)計理念

1.1 基于MECE原則的實驗室數(shù)字化規(guī)劃思路

在全球數(shù)字浪潮影響下，數(shù)字化實驗室研究與建設(shè)得到極大發(fā)展，形成諸多高價值研究成果與示范。屈泳等[8]認為數(shù)字化實驗室的本質(zhì)特征即實驗室的數(shù)字化，包括實驗技術(shù)數(shù)字化、實驗室管理數(shù)字化和實驗室運行數(shù)字化三個方面。姜瀛洲等[9]認為實驗室數(shù)字化轉(zhuǎn)型內(nèi)涵為運用新一代數(shù)字技術(shù)，促進實驗室在戰(zhàn)略、研發(fā)、管理、服務(wù)等層面的轉(zhuǎn)型升級，同時形成高價值數(shù)字資產(chǎn)。綜上，數(shù)字化轉(zhuǎn)型對實驗室技術(shù)、管理、運行、效益等多個層面均有較大提升作用，但數(shù)字化建設(shè)的成本投入及問題導(dǎo)向不可忽視。

對科研類或研究型實驗室，在其數(shù)字化轉(zhuǎn)型中，由于問題導(dǎo)向不明確、建設(shè)預(yù)期不清晰所產(chǎn)生的盲目性技術(shù)投入，不僅會產(chǎn)生嚴重的技術(shù)負債，同時會打破原有管理運行平衡，甚至制約科研生產(chǎn)力的持續(xù)發(fā)展[10]。針對上述問題，本文從資源配置底層切入，提出了基于MECE（Mutually ExclusiveCollectively Exhaustive）原則的能源互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字化平臺規(guī)劃思路，如圖1所示。

1.2 數(shù)字實驗平臺信息物理融合系統(tǒng)構(gòu)建路徑

構(gòu)建能源互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字實驗平臺的關(guān)鍵在于充分發(fā)揮能源互聯(lián)網(wǎng)信息物理融合特性，搭建實驗室信息物理融合系統(tǒng)（CPS，Cyber-Physical System）。CPS的本質(zhì)在于構(gòu)建一套信息空間與物理空間之間基于數(shù)據(jù)自動流動的狀態(tài)感知、實時分析、科學(xué)決策、精準執(zhí)行的閉環(huán)賦能體系，解決生產(chǎn)制造、應(yīng)用服務(wù)過程中的復(fù)雜性和不確定性問題，提高資源配置效率，實現(xiàn)資源優(yōu)化，同時其具備數(shù)據(jù)驅(qū)動、軟件定義、泛在連接、虛實映射、異構(gòu)集成和系統(tǒng)自治六大特征[11]。針對能源互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字化實驗平臺，實現(xiàn)CPS的關(guān)鍵在于如何從技術(shù)層面實現(xiàn)“泛在連接”和“虛實映射”，即實現(xiàn)實驗室中物理資源和數(shù)據(jù)信息的有效鏈接與深度融合，營造數(shù)字化科研空間基礎(chǔ)。

構(gòu)造CPS是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，在選擇技術(shù)路線時，應(yīng)充分考慮技術(shù)先進性、技術(shù)成熟度以及技術(shù)匹配度等因素。為在能源互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字實驗平臺中實現(xiàn)信息物理融合，研究團隊經(jīng)充分論證，確定以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和數(shù)字孿生分別作為構(gòu)建平臺“泛在連接”和“虛實映射”特征的技術(shù)路線。在此基礎(chǔ)上，本文提出了如圖2所示的能源互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字實驗平臺信息物理融合系統(tǒng)的構(gòu)建路徑。

2 數(shù)字化實驗平臺架構(gòu)設(shè)計

2.1 平臺架構(gòu)設(shè)計思路

數(shù)字化平臺架構(gòu)設(shè)計思路為：充分應(yīng)用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)先進的平臺架構(gòu)思想和數(shù)字孿生技術(shù)理念，構(gòu)建實驗平臺信息物理融合系統(tǒng)；通過模型技術(shù)和場景化二次開發(fā)，建設(shè)以能源互聯(lián)網(wǎng)為核心對象的數(shù)字研究平臺，開展能源互聯(lián)網(wǎng)裝備和系統(tǒng)特性、控制策略、故障模式以及能量調(diào)控管理等方面研究，形成技術(shù)方法和研究數(shù)據(jù)等成果；充分利用數(shù)字空間的構(gòu)造和模擬特性，開展在智慧城市、新基建以及工業(yè)4.0大背景下的能源應(yīng)用場景研究，為傳統(tǒng)能源電力、離散制造、流程工業(yè)以及未來城市、交通、建筑等重大負荷設(shè)施建設(shè)提供能源應(yīng)用支撐平臺和靈活、高效、綠色的供能解決方案[12]。

2.2 平臺架構(gòu)

能源互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字化實驗平臺架構(gòu)分為四層：物理層、異構(gòu)異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)層、信息物理交互層以及應(yīng)用層。具體架構(gòu)如圖3所示。

1）物理層

為達成技術(shù)和管理的協(xié)同考量，本架構(gòu)物理層定義由現(xiàn)實中“設(shè)備”“人”以及“環(huán)境”三種元素組成，即上述三種元素構(gòu)成了平臺物理空間和研究邊界。其中：“設(shè)備”元素由各類電源模擬器、換流器、儲能單元、電網(wǎng)單元等動模仿真設(shè)備以及電氣負荷、充電樁、各類控制執(zhí)行部件等場景設(shè)備構(gòu)成，可組成相互獨立的物理功能平臺；同時，平臺在物理層充分考慮“人”在設(shè)計、生產(chǎn)、應(yīng)用中的相關(guān)活動行為，將行為規(guī)則、安全要求以及體系要求納入映射范圍；“環(huán)境”要素由基礎(chǔ)設(shè)施、局部空間氣象和局部污染組成，環(huán)境要素構(gòu)成了實驗平臺的基礎(chǔ)設(shè)計、試驗和工作剖面，既是依照相關(guān)標準要求反映了實驗室運行環(huán)境情況，同時反映了設(shè)備設(shè)施所處環(huán)境狀態(tài)，因此環(huán)境要素是實驗室運行控制、輔助研究和保障結(jié)果復(fù)現(xiàn)的重要組成和依據(jù)。

2）異構(gòu)異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)層

以異構(gòu)異質(zhì)的思想建立網(wǎng)絡(luò)層是達成信息物理融合的重要載體，也是能源互聯(lián)網(wǎng)研究的本質(zhì)特征及內(nèi)在需求。異構(gòu)異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)層分為“能源異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)”和“信息異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)”?！澳茉串悩?gòu)網(wǎng)絡(luò)”即包括多源柔性交直流混合網(wǎng)，同時包括電網(wǎng)與冷、熱、氣所組成的多形式能源網(wǎng)，其建立將依據(jù)實際物理設(shè)備和平臺的能源網(wǎng)絡(luò)形式，同時能源異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對物理層的動模設(shè)備和場景研究設(shè)備進行連接，形成能源系統(tǒng)?！靶畔悩?gòu)網(wǎng)絡(luò)”用于建立能源系統(tǒng)的監(jiān)測控制網(wǎng)，同時實現(xiàn)對物理層中環(huán)境參量的監(jiān)測傳輸，其組成即可包含傳統(tǒng)寬帶、CAN總線、RS485等有線傳輸方式，同時可包含ZigBee、LoRa、5G、6G、WIFI6等無線傳輸方式，不同傳輸方式的柔性組網(wǎng)可滿足針對能源生產(chǎn)、傳輸、供應(yīng)等不同環(huán)節(jié)的模擬，同時可有效適用能源-建筑、能源-園區(qū)以及能源-交通等不同融合應(yīng)用場景中的信息傳輸要求，大幅增加平臺的場景研究覆蓋度。

3）信息物理交互層

信息物理交互層的主要功能為通過基于數(shù)字孿生的多形式模型構(gòu)造方法，在數(shù)字空間達成對現(xiàn)實設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)、設(shè)施以及環(huán)境的準確刻畫。在本架構(gòu)中，信息物理的交互將通過數(shù)據(jù)和模型的雙重驅(qū)動實現(xiàn)，同時信息物理交互層通過數(shù)據(jù)匯聚與控制反饋與異構(gòu)異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)層進行鏈接。

本文提出五種針對不同應(yīng)用需求，實現(xiàn)數(shù)字孿生的模型構(gòu)造技術(shù)和方法，分別為計算機圖形（CG）建模、MBD基于模型的工程定義技術(shù)、仿真模型構(gòu)造、“XIM”信息模型構(gòu)造以及數(shù)字孿生多維模型構(gòu)造。通過前四種技術(shù)建立裝備和系統(tǒng)的數(shù)字孿生模型具有較強應(yīng)用針對性，同時在相關(guān)學(xué)術(shù)研究、產(chǎn)業(yè)應(yīng)用和標準固化方面已形成積累。第五種方式為數(shù)字孿生通用模型構(gòu)建方法，即可對前四種模型構(gòu)造技術(shù)進行兼容，同時可用于在數(shù)字空間中構(gòu)建不同實驗及研究場景。以下為五種技術(shù)方法具體應(yīng)用方式：

①計算機圖形（CG）建模：利用計算機圖形建模技術(shù)，可在可視化界面中實現(xiàn)對裝備和系統(tǒng)的幾何模型表達，便于人、機間的直接交互。該模型實現(xiàn)了裝備和系統(tǒng)基本幾何特征的數(shù)字孿生，即可提高人機交互效率，一定程度上實現(xiàn)技術(shù)展示需求，同時裝備圖形模型可作為其他表征參量載體，特別在能源系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測和運檢、運維等方面具有突出的表達優(yōu)勢。

②MBD基于模型的工程定義：MBD是一種使用三維模型、產(chǎn)品信息和相關(guān)元數(shù)據(jù)來定義單個部件或產(chǎn)品裝備體的方法[13]。在能源互聯(lián)網(wǎng)新型關(guān)鍵裝備的實驗驗證和全生命周期管控研究中，可構(gòu)建裝備的MBD模型，實現(xiàn)從裝備設(shè)計（三維模型、三維工藝規(guī)劃、三維標準、關(guān)鍵功能元數(shù)據(jù)定義）、生產(chǎn)（數(shù)控加工、操作指導(dǎo)、生產(chǎn)校對）、驗證（執(zhí)行功能驗證、核心參量驗證、可靠性壽命驗證）到服務(wù)（遠程運維、維修指導(dǎo)）的全生命周期定義，數(shù)字化實驗平臺可充分利用該模型搭建相關(guān)物理/數(shù)字驗證及應(yīng)用場景，從而指導(dǎo)裝備的設(shè)計、生產(chǎn)改進，同時依據(jù)驗證中所得裝備薄弱點，提供有針對性的設(shè)計服務(wù)和運維方案。

③仿真模型構(gòu)造：實驗平臺部署有動模仿真設(shè)備、實時數(shù)字仿真設(shè)備或相關(guān)仿真軟件。在數(shù)字化平臺中，可依照仿真軟件中對相關(guān)模型的數(shù)據(jù)建模要求，建立各類裝備的仿真數(shù)據(jù)模型，該數(shù)據(jù)模型可被仿真軟件調(diào)用，并可依照相關(guān)測試數(shù)據(jù)以及現(xiàn)場運行監(jiān)測數(shù)據(jù)進行滾動刷新，仿真模型的網(wǎng)絡(luò)化連接可形成具體場景能源系統(tǒng)，通過對該系統(tǒng)或局部系統(tǒng)進行潮流、機電暫態(tài)或電磁暫態(tài)仿真計算，可指導(dǎo)能源系統(tǒng)規(guī)劃和關(guān)鍵裝備設(shè)計驗證，同時在一定程度上支撐開展能源隨機生產(chǎn)仿真和故障重構(gòu)、沙盤推演等方面決策研究。

④“XI M”信息模型構(gòu)造：“XI M”是應(yīng)用于不同場景的信息模型（Information Model）統(tǒng)稱，“X IM”信息模型構(gòu)造可從信息角度實現(xiàn)對相關(guān)應(yīng)用場景的兼容，由于數(shù)字化平臺可實現(xiàn)對智能建筑、智慧城市、智能電網(wǎng)以及智能交通等多場景的融合研究，因此在構(gòu)造裝備和系統(tǒng)的數(shù)字模型時，可充分借鑒城市信息模型（CIM）、建筑信息模型（BIM）、電力行業(yè)公共信息模型（DL/ T 1991-2019）以及電力系統(tǒng)公共信息模型（IEC61970）等相關(guān)標準中對基本元素對象、邏輯結(jié)構(gòu)和關(guān)系等方面的描述及要求，確保實驗平臺研究成果具備較強移植性和應(yīng)用一致性。

⑤數(shù)字孿生多維模型構(gòu)造：以裝備為最小單元構(gòu)建用于描述其基本特征的模型集合，對于具體裝備的描述，定義其數(shù)字孿生模型表達式如（1）所示：

DTM =（GAE，PAE，F(xiàn)AE，RAE） （1）

式中：DTM為裝備數(shù)字孿生模型表達式，為一多元屬性集合；GAE為裝備的幾何屬性，用于構(gòu)建可視化模型；PA E為裝備特征屬性，涵蓋裝備基本部件組成、額定參數(shù)、環(huán)境應(yīng)力閾值、典型故障模式等基礎(chǔ)信息，表示裝備的物理能力；FAE為裝備功能屬性，表示裝備的工作模式、基本功能及其功能函數(shù)等；RAE為裝備的規(guī)則屬性，限定了裝備正常工作約束條件，同時闡明了裝備與前后級裝備或部件的組織關(guān)系及邏輯結(jié)構(gòu)等。

目前，由于行業(yè)和領(lǐng)域不同，對于如何在數(shù)字空間中刻畫現(xiàn)實裝備尚未形成統(tǒng)一表達，特別是流程工業(yè)和離散制造業(yè)，其使用數(shù)字孿生側(cè)重點大不相同：流程工業(yè)更偏重于描述裝備及系統(tǒng)的功能屬性和規(guī)則屬性，傾向于研究實際運行過程，以期獲得可靠、穩(wěn)定、安全的運行特性；離散制造業(yè)構(gòu)建數(shù)字孿生模型主要用于裝備及系統(tǒng)的設(shè)計、生產(chǎn)、運維全生命周期管控，更加重視其幾何屬性和特征屬性等固有屬性研究，以期獲得較好的設(shè)計、工藝和產(chǎn)品能力等方面提升。

因此，在實際建立裝備和系統(tǒng)的數(shù)字孿生模型、探索模型中各屬性間相互作用關(guān)系時，可根據(jù)場景需求進行屬性裁剪。對于能源互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字化實驗平臺，即關(guān)注能源生產(chǎn)、傳輸、消費全流程鏈條及其關(guān)鍵節(jié)點，同時關(guān)注源、網(wǎng)、荷、儲等資源的運行特性、優(yōu)化配置及其基礎(chǔ)設(shè)施運營，所以應(yīng)盡可能準確地對裝備和裝備間關(guān)系進行建模描述，以拓展平臺在應(yīng)用層的研究維度，實現(xiàn)在數(shù)字空間中對能源互聯(lián)網(wǎng)各個研究層面和技術(shù)環(huán)節(jié)的充分探索。利用數(shù)字孿生模型，平臺可構(gòu)建以可視化為基礎(chǔ)的人機交互界面，同時利用模型數(shù)據(jù)的向上傳遞，在上層構(gòu)建數(shù)字化研究與應(yīng)用。

4）應(yīng)用層

應(yīng)用層是平臺在信息物理融合下，實施物理設(shè)備管控、開展數(shù)字化實驗、驗證相關(guān)規(guī)劃方案和控制策略、構(gòu)建頂層數(shù)字應(yīng)用場景的核心工作區(qū)間。在架構(gòu)上，其由“應(yīng)用空間體”和“數(shù)字研究及應(yīng)用場景”兩部分構(gòu)成。

“應(yīng)用空間體”通過對數(shù)字孿生模型的調(diào)用和數(shù)據(jù)交互實現(xiàn)與信息物理交互層的連接，以具備在數(shù)字空間中對現(xiàn)實物理設(shè)備、基礎(chǔ)設(shè)施以及實驗室環(huán)境的管控能力?！皯?yīng)用空間體”依照不同功能分類和模塊化組合特性劃分為5個功能空間，分別為仿真計算、運行管理、智能應(yīng)用、知識學(xué)習(xí)以及交互空間，不同空間承載數(shù)字實驗平臺在研究、應(yīng)用和服務(wù)等方面基礎(chǔ)功能，并配置和開發(fā)相應(yīng)的功能軟件，不同軟件可通過應(yīng)用程序接口進行訪問和調(diào)用，形成支撐數(shù)字化研究與應(yīng)用的基礎(chǔ)功能群。同時，空間體在理論上可以根據(jù)實驗研究需求不斷擴展，且僅受限于硬件載體設(shè)備的存儲和運算能力，因此在一定程度上解決了未來柔性擴展問題。

借助“應(yīng)用空間體”所提供的基礎(chǔ)功能軟件，可在上層構(gòu)建“數(shù)字研究及應(yīng)用場景”，滿足能源互聯(lián)網(wǎng)下數(shù)字化智能實驗室、數(shù)字孿生動模仿真、微網(wǎng)能量管理與控制策略以及負荷、樓宇、園區(qū)等典型場景研究。同時，通過數(shù)字連接方式，可在內(nèi)部構(gòu)建基于數(shù)據(jù)和能量傳遞的數(shù)字實驗平臺群，提供跨空間的實驗檢測、技術(shù)研發(fā)、應(yīng)用示范展示等高價值技術(shù)服務(wù)；通過與外部單位在信息物理交互層建立一致性裝備和系統(tǒng)模型，可與外部單位構(gòu)建基于模型和數(shù)據(jù)傳遞的協(xié)作共研平臺，外部單位可將裝備設(shè)計、生產(chǎn)、制造中產(chǎn)生的關(guān)鍵數(shù)據(jù)封裝于模型之中，數(shù)字實驗平臺可依照裝備使用場景，建立虛實結(jié)合的驗證環(huán)境，通過仿真分析等手段對裝備關(guān)鍵參量、運行特性、故障模式以及與系統(tǒng)間相互影響進行試驗評價，指導(dǎo)外部單位完善設(shè)計生產(chǎn)過程。

3 平臺建設(shè)實踐

3.1 物理平臺建設(shè)

依據(jù)能源互聯(lián)網(wǎng)實驗網(wǎng)絡(luò)需求，建設(shè)基于多分布式資源接入的交直流混合動模仿真平臺。平臺主要構(gòu)成及功能為：平臺通過VSC換流器與實際交流配網(wǎng)、交流電網(wǎng)模擬器以及風(fēng)電場模擬器進行連接；通過DCDC換流器將光伏、儲能等分布式資源模擬器與直流電網(wǎng)部分進行連接；平臺直流電網(wǎng)部分由12條直流母線構(gòu)成，每條直流母線均有3個對外接口，用于連接一次分布式資源、其它外部直流網(wǎng)絡(luò)以及相關(guān)測試裝備；直流母線被封裝于組態(tài)屏內(nèi)，形成柔性拓撲組網(wǎng)功能，通過在組態(tài)屏上進行接線操作，可實現(xiàn)包括直流環(huán)網(wǎng)、手拉手、背靠背、T型電路以及復(fù)雜輻射網(wǎng)絡(luò)等多種拓撲形式；平臺部署有實時數(shù)字仿真系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)可進一步與動模仿真系統(tǒng)進行聯(lián)動，實現(xiàn)更大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)模擬仿真，同時實現(xiàn)功率在環(huán)、控制在環(huán)以及在網(wǎng)運行等仿真模式；平臺部署有中央控制/故障模擬系統(tǒng)，依托該系統(tǒng)，可進一步建立分布式電網(wǎng)及微網(wǎng)研究環(huán)境，可對系統(tǒng)運行特性以及相關(guān)控制保護策略進行模擬研究。物理平臺拓撲架構(gòu)如圖4所示。

數(shù)字實驗平臺物理空間環(huán)境及控制仿真設(shè)備部署如圖5、圖6所示。

3.2 數(shù)字孿生可視化平臺構(gòu)建

1）高滲透率、高鏡像度的數(shù)字孿生建模。利用數(shù)字孿生模型構(gòu)建和計算機圖形建模技術(shù)，平臺實現(xiàn)裝備、設(shè)施和環(huán)境（包括溫度、濕度、照度、二氧化碳等監(jiān)測量）的同步孿生，如圖7所示。

2）實現(xiàn)動模仿真遠程實驗服務(wù)與展示。通過構(gòu)建信息物理融合系統(tǒng)，平臺實現(xiàn)物理動模仿真過程和數(shù)據(jù)的同步孿生，觀測者可通過訪問平臺網(wǎng)站清晰了解試驗過程，同時查詢試驗樣品的相關(guān)信息與試驗數(shù)據(jù)，該功能可用于遠程實驗服務(wù)、學(xué)校教學(xué)以及相關(guān)培訓(xùn)之中，如圖8所示。

3）構(gòu)建多種數(shù)字孿生研究場景。利用虛擬構(gòu)造及映射方法，在數(shù)字孿生可視化平臺上構(gòu)建電力負荷、建筑、園區(qū)等研究場景，定義研究內(nèi)容和研究對象數(shù)字孿生模型，在數(shù)字空間中與數(shù)字實驗平臺進行連接，實現(xiàn)研究場景的可視化擴充，如圖9所示。

3.3 基于數(shù)字實驗平臺的研究應(yīng)用

以數(shù)字孿生可視化平臺為交互載體，構(gòu)建“運行管理”“資源管理”“仿真計算”“智能應(yīng)用與交互”四個空間體，如圖10所示。

其中：

1）“運行管理”空間體部署有能源管理與控制以及能效監(jiān)測與管理兩項軟件，即可與動模仿真設(shè)備進行連用，開展運行策略和能量優(yōu)化調(diào)度算法研究與驗證，同時在建筑、園區(qū)等場景下開展能效監(jiān)測與對比研究；

2）“資源管理”空間體由資源調(diào)控與監(jiān)視軟件和分布式能源管理軟件構(gòu)成，前者用于實驗室照明、音視頻系統(tǒng)、監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)等一般基礎(chǔ)設(shè)施資源管控，形成數(shù)字化智能實驗室研究的底層支撐，后者用于與能源相關(guān)的一二次關(guān)鍵設(shè)備管理，可協(xié)助實驗室開展數(shù)字化分布式能源調(diào)控和能源分級決策等關(guān)鍵技術(shù)和算法研究，同時基于兩項軟件的協(xié)同，實驗室可在數(shù)字空間內(nèi)開展以溫度、照度或能效為目標的實驗室多設(shè)施聯(lián)合控制優(yōu)化技術(shù)等研究，并形成綠色建筑和凈零能耗建筑等場景下的多目標協(xié)同自驅(qū)優(yōu)化解決方案；

3）“仿真計算”空間體部署了兩項仿真軟件，即“RT-LAB實時仿真平臺”和本單位自主研發(fā)的“Cloud PSS云仿真平臺”，前者以Simulink為載體，配合功率放大器等設(shè)備，可開展相關(guān)關(guān)鍵裝備的半實物仿真驗證，后者可在數(shù)字空間模擬更大規(guī)模電網(wǎng)或綜合能源系統(tǒng)，協(xié)同數(shù)字孿生可視化平臺，開展更多場景的仿真驗證，同時也可面向?qū)嶋H能源系統(tǒng)，在軟件中構(gòu)建其系統(tǒng)模型，并與本地動模仿真平臺進行連接，通過數(shù)字、動模聯(lián)合仿真方式構(gòu)造面向真實場景的仿真實驗環(huán)境，打破平臺硬件資源局限；

4）“智能應(yīng)用與交互”空間體目前部署了大數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析軟件以及工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺接口，大數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析軟件可將實驗平臺研究的各項數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計匯總，特別在裝備異常數(shù)據(jù)層面，指導(dǎo)開展面向裝備可靠性與故障模式的預(yù)測及健康管理研究，同時可與仿真軟件進行協(xié)同，研究并形成面向系統(tǒng)異常的仿真構(gòu)建、故障遍歷和故障重構(gòu)算法及方案，工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺為預(yù)留接口，未來可通過該接口，實現(xiàn)與其它平臺及單位的數(shù)據(jù)共享和協(xié)同研究。

4 結(jié) 語

本平臺構(gòu)建思想及架構(gòu)既契合能源數(shù)字化發(fā)展下的未來新型能源系統(tǒng)和裝備的研究及實驗需求，同時為進一步探索新工科背景下能源互聯(lián)網(wǎng)新興學(xué)科的建設(shè)和發(fā)展提供基礎(chǔ)載體支撐。本文提出的基于MECE原則的實驗室數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)展思路可廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域數(shù)字實驗平臺建設(shè)，以最大程度發(fā)揮現(xiàn)有儀器設(shè)備功能及價值，構(gòu)建面向資源優(yōu)化配置與利用的現(xiàn)代化數(shù)字實驗室。

為持續(xù)探索基于數(shù)字化思想的實驗平臺創(chuàng)新協(xié)同機制，研究團隊已與清華大學(xué)、澳門大學(xué)、國家電網(wǎng)、南方電網(wǎng)、格力、西門子以及瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院等諸多國內(nèi)外知名單位建立了面向數(shù)字孿生平臺建設(shè)及其技術(shù)應(yīng)用的廣泛合作。通過產(chǎn)-學(xué)-研全面協(xié)同，平臺在能源互聯(lián)網(wǎng)專業(yè)知識結(jié)構(gòu)、人才培養(yǎng)途徑、聯(lián)合發(fā)展模式以及開放融合生態(tài)等方面形成創(chuàng)新研究體系，為促進我國能源互聯(lián)網(wǎng)學(xué)科及產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量協(xié)同發(fā)展，探索創(chuàng)新鏈與產(chǎn)業(yè)鏈深度融合新思路提供實踐支撐。

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作者簡介

楊先龍，碩士研究生，英國工程技術(shù)學(xué)會皇家特許工程師（IETCEng），從事可靠性工程、數(shù)字技術(shù)集成與平臺應(yīng)用研究。

（責(zé)任編輯：張佩玉）