焦點(diǎn)！從虛擬中發(fā)展電網(wǎng)現(xiàn)實(shí)：數(shù)字孿生承載的能源變革

光伏仿真模擬正當(dāng)時(shí)

編者按：本文來自微信公眾號 腦極體（ID：unity007），作者：燕良，創(chuàng)業(yè)邦經(jīng)授權(quán)轉(zhuǎn)載，頭圖來源攝圖網(wǎng)

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近日，各地已經(jīng)輪番上演高溫、暴雨、冰雹、洪水的極端天氣。極端天氣的頻發(fā)，也讓越來越多的人感受到溫室效應(yīng)帶來的危害。

為了應(yīng)對全球變暖，選擇碳中和之路已經(jīng)成為許多國家的共識。在雙碳戰(zhàn)略背景下，我們知道開發(fā)可再生的清潔能源是重中之重。畢竟在人類高碳排的活動(dòng)中，幾乎四分之三的碳排來源于能源的消耗。在發(fā)展風(fēng)光水電等資源的過程中，可再生能源的并網(wǎng)是關(guān)鍵。因?yàn)榭稍偕茉达@著的間歇性和強(qiáng)隨機(jī)波動(dòng)性，接入大電網(wǎng)后，給系統(tǒng)帶來了強(qiáng)烈的波動(dòng)，影響電網(wǎng)的穩(wěn)定與安全。

在解決清潔能源并網(wǎng)的有效措施中，儲能和虛擬電廠是其中有效的方式，腦極體在之前的虛擬電廠和儲能勢動(dòng)的文章都有詳細(xì)的介紹過，除此之外，運(yùn)用仿真模擬的數(shù)字孿生技術(shù)映射并網(wǎng)也成為重要的舉措。今天就和大伙兒掰扯掰扯其在能源電網(wǎng)中的應(yīng)用、價(jià)值與瓶頸。

光伏仿真模擬正當(dāng)時(shí)

從能源側(cè)的角度來看，以清潔能源光伏發(fā)電舉例來說，其全生命周期都需要嚴(yán)格的安全生產(chǎn)管理，因此在能源生產(chǎn)到傳輸?shù)娜窂蕉夹枰踩煽氐募夹g(shù)來管理全部的流程。以“數(shù)字孿生”技術(shù)為主，基于豐富的數(shù)據(jù)為核心，可以對電力從預(yù)測、生產(chǎn)到傳輸?shù)牧鞒倘勘O(jiān)管。

在光伏發(fā)電設(shè)備中，具體來看，仿真模擬的數(shù)字孿生技術(shù)主要從狀態(tài)的診斷、生產(chǎn)調(diào)試、運(yùn)行分析、安全控制等幾個(gè)核心層面展開。

在光伏發(fā)電過程中，光伏太陽板的位置、角度、光照、風(fēng)速等變化，會(huì)影響太陽能發(fā)電功率的變化，如果能夠根據(jù)仿真模擬的技術(shù)提前預(yù)測發(fā)電功率進(jìn)行調(diào)配的話，可以很好地解決電網(wǎng)配平的問題。只有能源端發(fā)電側(cè)預(yù)測準(zhǔn)確及時(shí)，才能給下游輸送端留出足夠時(shí)間調(diào)配儲能額度。

與此同時(shí)，光伏發(fā)電站也被要求需要每隔一段時(shí)間報(bào)告預(yù)估的發(fā)電功率，因此仿真模擬的預(yù)測功能是各大光伏發(fā)電站的必需。此前在光伏發(fā)電的預(yù)測功能方面，業(yè)內(nèi)人士采用的是算法預(yù)測的方式，但因?yàn)樗惴M的“黑箱”特性與一些突發(fā)的天氣影響因素等無法應(yīng)用算法準(zhǔn)確的模擬，應(yīng)用算法來預(yù)測的方式逐漸被數(shù)字孿生的技術(shù)思路代替。

數(shù)字孿生技術(shù)可以1:1還原整座光伏發(fā)電站的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和地理位置，然后通過輸入外部參數(shù)變化（如風(fēng)速、溫度和天氣狀況），使用物理仿真模型，對現(xiàn)實(shí)世界的電站運(yùn)行情況實(shí)時(shí)模擬，提前做出預(yù)判。

因?yàn)閿?shù)字孿生技術(shù)在工業(yè)、智慧城市、智慧建筑等領(lǐng)域的成功應(yīng)用，因此在清潔能源領(lǐng)域中的應(yīng)用也讓許多業(yè)內(nèi)人士期待。目前整個(gè)行業(yè)內(nèi)可以提供光伏預(yù)測技術(shù)的服務(wù)企業(yè)屈指可數(shù)，國外以Solargis為主的幾個(gè)少數(shù)企業(yè)比較知名，而國內(nèi)目前的狀況也是以幾個(gè)零星的初創(chuàng)企業(yè)摸索為主，處于卡脖子的空白。

光伏預(yù)測的難度高主要原因則是光伏仿真模擬對于氣象數(shù)據(jù)的要求較高，并且融合的數(shù)據(jù)相關(guān)度不高，如太陽光、氣象物理、地形地貌等參數(shù)不相關(guān)，并且氣象數(shù)據(jù)偶發(fā)的頻次不低，對于預(yù)測的準(zhǔn)確度也有影響。如果想要提高各類模型互相耦合后的精度，則對復(fù)合型人才以及專家型人才的協(xié)同提出高要求。光伏仿真模擬領(lǐng)域的專業(yè)壁壘較高也就不難理解。

隨著數(shù)字孿生技術(shù)的不斷落地與持續(xù)演進(jìn)，對于光伏市場的擴(kuò)增與裝機(jī)量的不斷提升，光伏仿真模擬正在“發(fā)光”并成為國內(nèi)企業(yè)開始爭相布局的領(lǐng)域，不僅是因?yàn)闈撛诘氖袌鲆?guī)模與商業(yè)機(jī)遇，從數(shù)據(jù)安全的角度來看，因?yàn)闋砍兜膰临Y源、氣象等核心數(shù)據(jù)，國產(chǎn)化的仿真數(shù)字孿生技術(shù)發(fā)展正當(dāng)時(shí)。

數(shù)字孿生：纏繞的“勒頸線”

光伏仿真模擬是典型的數(shù)字孿生在能源生產(chǎn)階段的場景應(yīng)用，數(shù)字孿生通過建立虛擬映射的仿真模型，實(shí)時(shí)對光伏發(fā)電站的運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行環(huán)境等進(jìn)行監(jiān)控和模擬仿真運(yùn)行，及時(shí)制定生產(chǎn)機(jī)組的最優(yōu)運(yùn)行策略，不僅獲取更高的發(fā)電功率，也能夠提前預(yù)測發(fā)電功率進(jìn)行并網(wǎng)的調(diào)優(yōu)。

在能源的傳輸側(cè)，數(shù)字孿生可以把控傳輸過程的安全與優(yōu)化能力，例如對于電纜設(shè)備可以進(jìn)行映射建模，通過輸入的參數(shù)與數(shù)據(jù)，對輸電設(shè)備的運(yùn)行狀況和各節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷狀況進(jìn)行監(jiān)測，通過大數(shù)據(jù)和智能算法實(shí)時(shí)監(jiān)控電網(wǎng)并及時(shí)對電網(wǎng)可能出現(xiàn)的問題進(jìn)行預(yù)警，方便管理人員的監(jiān)管，以提高電纜設(shè)備的運(yùn)行性能，增加設(shè)備的使用壽命。

在能源的分配側(cè)，數(shù)字孿生可以針對能源分配環(huán)節(jié)存在的大量變電設(shè)備，采用映射的方式將設(shè)備虛擬化，在智能安全監(jiān)測設(shè)備的輔助下，實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)與物理設(shè)備的關(guān)聯(lián)映射，在可視化平臺進(jìn)行實(shí)時(shí)展現(xiàn)，形成數(shù)字孿生變電站，提升能源分配的經(jīng)濟(jì)性和安全性。

數(shù)字孿生技術(shù)在能源領(lǐng)域的全生命階段都可以深度的參與，提高可控性與安全生產(chǎn)，不過數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展仍然存在“勒頸”挑戰(zhàn)。

對于數(shù)字孿生來說，核心的是數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的來源是否豐富、準(zhǔn)確等，都對模擬的結(jié)果影響較大。拿國外的Solargis企業(yè)來說，其光伏發(fā)電的評估模型工具都是與頂級的實(shí)驗(yàn)室、光伏產(chǎn)業(yè)常年研究協(xié)作的成果，積累了幾十年的氣候與光伏廠商的數(shù)據(jù)。對于想要布局的企業(yè)來說，在數(shù)據(jù)領(lǐng)域是否能夠獲得準(zhǔn)確豐富的數(shù)據(jù)也是考驗(yàn)。

數(shù)據(jù)與技術(shù)融合的過程困難。數(shù)字孿生技術(shù)涉及采集的不同種類數(shù)據(jù)眾多，在仿真建模的過程中，如何協(xié)調(diào)不相關(guān)數(shù)據(jù)之間的耦合，也比較困難。與此同時(shí)數(shù)字孿生涉及的技術(shù)包括5G、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計(jì)算、模擬仿真技術(shù)、AI技術(shù)等，這些技術(shù)的協(xié)同發(fā)展并不成熟，并且數(shù)字孿生后的平臺模型標(biāo)準(zhǔn)化滯后。

建模仿真的技術(shù)有待突破，對于建模仿真技術(shù)中的理論方法和關(guān)鍵技術(shù)需要提升，因?yàn)閿?shù)字孿生涉及的數(shù)據(jù)、參數(shù)眾多，需要結(jié)合不同類型的數(shù)據(jù)如氣象、地形、季節(jié)等，對于仿真模擬計(jì)算的模型擬合難度要求也較高，耦合出較為精準(zhǔn)的模型比較困難。再加上可再生清潔能源的間歇性特性如季節(jié)、氣候等影響，數(shù)據(jù)的波動(dòng)幅度大，合成精度較高有效的模型較為困難。

無論是數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)還是數(shù)據(jù)+模型的驅(qū)動(dòng)，都對孿生數(shù)字技術(shù)在能源領(lǐng)域的應(yīng)用提出了較高的要求，正在發(fā)展初期的技術(shù)需要時(shí)間與具體場景長久的打磨，才能提升，不過正是因?yàn)榧夹g(shù)的壁壘與發(fā)展的機(jī)遇，也為參與的企業(yè)帶來了廣闊的發(fā)展空間。

“映射”可持續(xù)的未來

我們知道在碳中和的目標(biāo)背景下，可再生能源風(fēng)、光、水等在電力系統(tǒng)中的重要性逐漸提高，也是能源變革中實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)的必要途徑。據(jù)南方電網(wǎng)2021年的預(yù)測，到2030和2060年，中國風(fēng)光新能源的發(fā)電量占比將分別達(dá)到25%和60%。這也意味著接入大電網(wǎng)中的新能源電力越來越多，構(gòu)建智慧能源生態(tài)系統(tǒng)成為我國能源行業(yè)的發(fā)展趨勢。

而融合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、5G通信技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)、高性能計(jì)算技術(shù)和先進(jìn)仿真分析技術(shù)的數(shù)字孿生技術(shù)體系，成為解決電網(wǎng)并網(wǎng)與智慧能源發(fā)展的關(guān)鍵。數(shù)字孿生結(jié)合儲能設(shè)備，虛擬電廠等技術(shù)可為電網(wǎng)提供安全、發(fā)電效率的提升，也能夠?yàn)椴⑷氪箅娋W(wǎng)的調(diào)頻、調(diào)峰等輔助服務(wù)，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的削峰填谷，促進(jìn)新能源的綠色數(shù)智化轉(zhuǎn)型。

雖然目前數(shù)字孿生在電網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用場景還主要以單點(diǎn)的示范工程為主，應(yīng)用的場景較少，智能化水平也較低。但是隨著雙碳東風(fēng)的大勢，以及配套前沿技術(shù)如物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、AI等技術(shù)的深度融合，長遠(yuǎn)來看，數(shù)字孿生在電網(wǎng)領(lǐng)域的建設(shè)也會(huì)取得質(zhì)的突破。

未來整個(gè)電力系統(tǒng)，從能源生產(chǎn)側(cè)到應(yīng)用側(cè)，都會(huì)迎來較大的改革，可能未來的電網(wǎng)中每一臺設(shè)備都會(huì)接入到數(shù)字孿生中，能夠準(zhǔn)確滿足精細(xì)化管理的需求，映射仿真的顆粒度會(huì)越來越細(xì)，朝著精細(xì)化挺進(jìn)；系統(tǒng)化的發(fā)展也是數(shù)字孿生電網(wǎng)的另一個(gè)發(fā)展趨勢，以往碎片式的構(gòu)筑應(yīng)用方式，也會(huì)隨著顆粒度的變化，部件設(shè)備功能模塊化的整合，可以區(qū)域級的響應(yīng)與調(diào)控，滿足實(shí)時(shí)狀態(tài)的把控；而隨著AI技術(shù)、邊緣技術(shù)、云計(jì)算等發(fā)展，數(shù)字孿生的電網(wǎng)智能化水平也會(huì)大幅提高，不僅可以預(yù)估各類警報(bào)信息，也能夠提前做出措施以應(yīng)對，提升整個(gè)電力能源的穩(wěn)定與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

在大電網(wǎng)的并網(wǎng)挑戰(zhàn)中，數(shù)字孿生、儲能等都是有效的措施，并且在電網(wǎng)的規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)營等過程會(huì)發(fā)揮關(guān)鍵的支撐作用。數(shù)字孿生電網(wǎng)的應(yīng)用升級，最終也會(huì)對數(shù)字孿生在智慧城市、智慧交通、智慧樓宇等領(lǐng)域的發(fā)展提供技術(shù)的支撐。這些平行領(lǐng)域之間技術(shù)互相遷移與應(yīng)用，共同構(gòu)筑著未來我們數(shù)字生活的智能化、綠色化發(fā)展。

雙碳為千行百業(yè)帶來的不僅是商業(yè)的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，也為能源結(jié)構(gòu)的變革、產(chǎn)業(yè)數(shù)智技術(shù)空間的躍升帶來質(zhì)變。從前，我們一直強(qiáng)調(diào)的是各行各業(yè)乘著雙碳的東風(fēng)有了發(fā)展的機(jī)遇，現(xiàn)在，深入能源領(lǐng)域的深處，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)與雙碳戰(zhàn)略也是一場互相成就的相遇，各自為對方帶來前所未有的改變，而這些變化也會(huì)深入到所有細(xì)碎的日常中，為未來披上可持續(xù)的“綠罩袍”。

關(guān)鍵詞： 數(shù)字孿生