分布式能源、可再生能源和數(shù)字化的擴展正在增加電網(wǎng)之間的鏈接，系統(tǒng)間需要交換更多的數(shù)據(jù)。而復雜的研究、分析、案例、服務對數(shù)據(jù)準確性的依賴越來越強，數(shù)據(jù)收集與交換的需求給能源與電網(wǎng)企業(yè)帶來了新的挑戰(zhàn)。
綜合能源企業(yè)在電網(wǎng)工作中需要維護許多不同的模型，每個模型與不同的領域相關聯(lián)，例如：規(guī)劃、操作、資產(chǎn)管理、GIS、停電管理和保護。保持數(shù)據(jù)同步是一個很大的挑戰(zhàn)。在這些系統(tǒng)之間進行數(shù)據(jù)交換時的不一致或其他故障會導致嚴重的后果，如模型不準確、系統(tǒng)性能不理想甚至整個電網(wǎng)系統(tǒng)癱瘓。因此，電網(wǎng)企業(yè)需在整個IT領域推動可操作的數(shù)據(jù)交換，并為可持續(xù)的數(shù)字未來做好準備。
數(shù)字孿生，是指對于物理世界中的物體，通過數(shù)字化的手段來構建一個與數(shù)字世界中一模一樣的實體，借此來實現(xiàn)對物理實體的了解、分析和優(yōu)化。通過物理設備的數(shù)據(jù)，可以在虛擬信息空間構建一個可以表征該物理設備的虛擬實體和子系統(tǒng)，并且這種聯(lián)系不是單向和靜態(tài)的，而是與整個產(chǎn)品的生命周期聯(lián)系在一起。因此，數(shù)字孿生不僅可以參與產(chǎn)品的設計階段，而延展至生產(chǎn)制造和服務階段。電網(wǎng)中的數(shù)字孿生是充分利用電網(wǎng)的物理模型、在線量測數(shù)據(jù)、歷史運行數(shù)據(jù)，并集成電氣、流體、熱力、計算機、通信、氣候、經(jīng)濟等多學科知識進行的多物理量、多時空尺度、多概率的仿真過程，通過在虛擬空間中完成對電網(wǎng)的映射，反映電網(wǎng)的全生命周期過程。
西門子電氣數(shù)字孿生公司通過在其IT領域為公用事業(yè)公司提供單一的真實來源來建模數(shù)據(jù)，從而將真實世界和虛擬世界緊密地結合起來。數(shù)據(jù)從不同的系統(tǒng)同步，然后通過基于標準的適配器/接口標準化到一個多用戶數(shù)據(jù)庫，以實現(xiàn)可靠、高效和安全的電力系統(tǒng)規(guī)劃、運行和維護。
西門子電氣數(shù)字孿生解決方案可提供以下服務：
跨運營和規(guī)劃的傳輸網(wǎng)絡模型管理
保護數(shù)據(jù)管理
利用GIS數(shù)據(jù)簡化可再生集成分析西門子電氣數(shù)字孿生公司
自動化操作規(guī)劃案例創(chuàng)建
為集成T&D分析進行數(shù)據(jù)管理
創(chuàng)建分布規(guī)劃模型并與GIS、DMS和MDM數(shù)據(jù)同步
數(shù)字孿生解決方案技術上由三個部分組成:引擎、適配器/接口和用戶接口。引擎是指核心啟用技術，包括:
中央多用戶數(shù)據(jù)庫
數(shù)據(jù)管理功能(如:場景、變體、項目等)
案例構建器
數(shù)據(jù)同步
數(shù)據(jù)驗證
數(shù)據(jù)交換和通信
適配器和接口是支持數(shù)據(jù)導入和/或從其他域和系統(tǒng)導出數(shù)據(jù)的連接器。適配器可以同時使用基于標準的數(shù)據(jù)(如CIM)和專有數(shù)據(jù)。用戶界面是與EDT核心的主要圖形交互，提供圖形化數(shù)據(jù)可視化、維護和用戶管理等功能。它還支持多個部署選項，比如本地和云/托管。通過連接electric Digital Twin解決方案的三個關鍵部分，客戶能夠在整個企業(yè)中自動化模型同步和標準化交換，從而創(chuàng)建完美的網(wǎng)格數(shù)字表示。
西門子電氣數(shù)字孿生解決方案
西門子電氣數(shù)字孿生解決方案利用其強大的應用程序，在電網(wǎng)中有著多重價值。
一、跨運營和規(guī)劃的傳輸網(wǎng)絡模型管理
傳輸公司交換企業(yè)內部和外部系統(tǒng)(如規(guī)劃、運營、運營規(guī)劃、保護等)的數(shù)據(jù)，以有效地規(guī)劃和運營電網(wǎng)。但是，來自這些系統(tǒng)的輸入通常有自己的數(shù)據(jù)格式，并且有專家團隊手動維護每個模型?？珙I域的模型數(shù)據(jù)不一致會導致模型不準確、系統(tǒng)性能不理想、可能違反法規(guī)、過度的手工勞動和其他額外的損失。為了優(yōu)化網(wǎng)格性能，實用程序需要一種解決方案，能夠在內部和外部實用程序域之間提供無縫、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交換。
西門子電子數(shù)字孿生解決方案帶來：
跨計劃和操作的模型自動同步；
輕松交換網(wǎng)絡模型數(shù)據(jù)在您自己的公司和其他公用事業(yè)/實體；
中央“真實單一來源”數(shù)據(jù)庫網(wǎng)格數(shù)據(jù)。
優(yōu)勢：
節(jié)省了90%的網(wǎng)格模型創(chuàng)建和維護時間；
提高了輸電規(guī)劃和運行模型的準確性，從而提高了系統(tǒng)運行的利潤和效率；
IT集成成本降低；
消除重復建模工作；
為企業(yè)內的數(shù)據(jù)管理提供可持續(xù)的方式；
開啟未來可點擊的潛在研究，如預測維護、經(jīng)濟/投資分析等。
二、保護數(shù)據(jù)管理
系統(tǒng)操作員、規(guī)劃師和保護工程師面臨著電力系統(tǒng)保護日益增長的挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)包括數(shù)字技術的增長、保護系統(tǒng)數(shù)據(jù)點的增加(例如數(shù)字繼電器、變電站等)，以及電網(wǎng)可靠性最大化的壓力。在不同的系統(tǒng)中使用和存放的保護數(shù)據(jù)需要手動與現(xiàn)場數(shù)據(jù)同步，誤差會導致數(shù)據(jù)模型不準確。
西門子電子數(shù)字孿生解決方案帶來：
跨系統(tǒng)和設備同步數(shù)據(jù)交換；
可伸縮的數(shù)據(jù)收集/存儲；
自動保護設定計算。
優(yōu)勢：
減少保護模型中的錯誤，使系統(tǒng)運行接近極限，提高可靠性；
通過自動/自適應保護設置，節(jié)省時間；
提高安全性；
以可持續(xù)的方式管理企業(yè)內部的數(shù)據(jù)。
三、利用GIS數(shù)據(jù)簡化可再生集成分析
電網(wǎng)在分布層面上的日益整合使得電力分配規(guī)劃面臨更多的互連請求，從而導致更長的隊列和額外的人工工作來執(zhí)行操作。為了便于理解分布式能源資源(DERs)對電網(wǎng)的影響，公用事業(yè)公司需要簡化互連應用程序，并從現(xiàn)有的GIS網(wǎng)絡數(shù)據(jù)創(chuàng)建數(shù)字網(wǎng)絡分析模型。
西門子電子數(shù)字孿生解決方案帶來：
簡化建立互連研究案例的流程；
互連研究的自動化分析、模擬、篩選；
能夠利用現(xiàn)有GIS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)創(chuàng)建用于規(guī)劃研究的數(shù)字配電網(wǎng)絡。
優(yōu)勢：
減少數(shù)據(jù)維護、IT集成和建模成本、工作量和復雜性；
自動化的DER互聯(lián)評估流程，最大化DER投資回報(ROI)；
優(yōu)化設計、審批流程。
四、自動化操作計劃案例創(chuàng)建
政府機構正在增加關于網(wǎng)格穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)格式一致性的法規(guī)和標準，增加了運營規(guī)劃研究和案例的數(shù)量，公用事業(yè)公司為了運營需要進行這些研究和案例。為了完成他們的任務，運營規(guī)劃者需要準備不同的“假設”案例，然后可以使用網(wǎng)格模擬軟件來研究這些案例。構建這些案例可能是一項耗時且容易出錯的手工任務，涉及融合來自各種格式和來源的信息(中斷調度、生成預測、負載預測、交換調度、狀態(tài)估計器快照等)。公用事業(yè)公司需要一種解決方案，能夠根據(jù)政府的期望，提供輕松、自動化、可重復和準確的預測案例。
西門子電子數(shù)字孿生解決方案帶來：
自動創(chuàng)建案例；
與其他系統(tǒng)自動同步案例數(shù)據(jù)(如規(guī)劃、發(fā)電/負荷預測、停電計劃等)。
優(yōu)勢：
減少了建立預測案例和進行研究所需的時間；
提高了創(chuàng)建案例的準確性；
易于集成來自其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)(停機調度、負載配置文件、調度、拓撲等)；
監(jiān)管支持(如CGMES(歐盟)、NERC-TOP-002 (NA))。
五、數(shù)據(jù)管理和集成T&D分析
分布式能源的擴散已經(jīng)改變了電力系統(tǒng)規(guī)劃和運行的基本原則。電力流動性增強，導致T&D水平之間的相互依賴，在干擾后的恢復過程更加復雜。因此要求電力公司執(zhí)行集成的T&D分析，以應對這些挑戰(zhàn)。
西門子電子數(shù)字孿生解決方案帶來：
集成T&D網(wǎng)絡分析，通過通同步數(shù)據(jù)模型跨T&D實現(xiàn)；
評估輸電系統(tǒng)對配電系統(tǒng)的影響，反之亦然；
在T&D級別跨計劃和操作進行模型和數(shù)據(jù)交換；
T&D之間的保護協(xié)調。
優(yōu)勢：
優(yōu)化網(wǎng)格利用；
在T&D系統(tǒng)設計和運營方面發(fā)揮協(xié)同作用，使投資規(guī)劃最優(yōu)化；
通過考慮配電網(wǎng)的短路貢獻，提高了傳輸可靠性。
六、分布規(guī)劃模型的創(chuàng)建和與GIS、ADMS和MDM數(shù)據(jù)的同步
隨著電網(wǎng)越來越多地連接到配電層，電力公司面臨著優(yōu)化系統(tǒng)性能、確保電網(wǎng)可靠性和穩(wěn)定性以及滿足配電規(guī)劃方面新出現(xiàn)的監(jiān)管要求的壓力。為了克服網(wǎng)格的復雜性，公用事業(yè)公司已經(jīng)開始手動將其分布網(wǎng)格模型與來自地理信息系統(tǒng)(GIS)、高級分布管理系統(tǒng)(ADMS)和儀表數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)(MDM)的數(shù)據(jù)連接起來。為了節(jié)省時間和提高準確性，需要一個自動化和集成的接口與外部信息系統(tǒng)。
西門子電子數(shù)字孿生解決方案帶來：
從GIS自動生成配電規(guī)劃模型；
自動同步規(guī)劃數(shù)據(jù)與ADMS數(shù)據(jù)；
用于規(guī)劃研究的高精度負荷預測數(shù)據(jù)(如MDM數(shù)據(jù))；
為分配規(guī)劃研究自動創(chuàng)建案例。
優(yōu)勢：
節(jié)省了90%的網(wǎng)格模型創(chuàng)建和維護時間；
提高了分配規(guī)劃模型的準確性，從而提高了系統(tǒng)運行的效益和效率；
更快的故障恢復，建立了更可靠的電網(wǎng)。
應用案例
一、芬蘭Fingrid傳輸網(wǎng)絡模型管理
Fingrid是芬蘭輸電系統(tǒng)運營商，負責14.000多公里400、220和110千伏輸電線路的運營和規(guī)劃，以及100多個變電站。過去，在Fingrid規(guī)劃未來的電網(wǎng)投資要花費80%的精力在數(shù)據(jù)收集和驗證上，20%的精力在實際分析上。大部分時間用于手動收集數(shù)據(jù)，合并缺少的部分，并最終成功地組合數(shù)據(jù)。近年來，分散式可再生能源的興起使得維持整個電網(wǎng)的平衡變得更加困難。隨著越來越多的傳統(tǒng)發(fā)電廠被風能和太陽能所取代，業(yè)務需求正在發(fā)生變化。
2016年，他們與西門子合作推出了數(shù)字網(wǎng)格模型ELVIS，該模型支持他們的資產(chǎn)和運營管理以及基礎設施投資規(guī)劃。” Singlesource of trut” 模型與資產(chǎn)管理數(shù)據(jù)、過去數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)相關聯(lián)與預測未來能源消耗的經(jīng)濟研究相結合。電子數(shù)字孿生模型用于開發(fā)考慮不同政策框架的幾種投資方案。該數(shù)字孿生解決方案使Fingrid節(jié)省了大量時間和金錢，數(shù)據(jù)收集和驗證過程現(xiàn)在只需要不到20%的時間，而剩下80%的時間用于關鍵的分析任務。數(shù)據(jù)的準確性提高了網(wǎng)絡模型的整體準確性和一致性，為當前和未來業(yè)務流程的高效數(shù)字化奠定了基礎。
二、美國電力公司(AEP)的輸電網(wǎng)模式管理
美國電力傳輸公司(AEP Transmission)是美國電力公司(American Electric Power)的一個部門，運營著全美最大的電力傳輸網(wǎng)絡，擁有4萬多英里的線路，服務于11個州的540多萬客戶。它管理運營、工程和計劃網(wǎng)絡模型，每一個模型都涉及到來自多個內部和外部系統(tǒng)的數(shù)據(jù)準備和輸入。
在過去二十年中，模型的大小和復雜性顯著增加，模型的協(xié)調是一個日益嚴峻的挑戰(zhàn)，監(jiān)管可靠性和合規(guī)要求不斷提高。在AEP傳輸中，組織和技術的限制變得越來越明顯。規(guī)劃、運營和保護的基本傳輸網(wǎng)絡模型由公司內部的不同業(yè)務單位維護，而協(xié)調業(yè)務單位之間的模型很大程度上是一個手工過程。
2015年公司推出一個計劃，主要有兩個主要目標：跨多個業(yè)務功能領域更好地協(xié)調網(wǎng)絡模型信息，以及對這些信息進行集中管理。2017年初，AEP傳輸公司與西門子PTI合作，幫助提供并促進向電子數(shù)字孿生解決方案的過渡，這是AEP更大的T-Nexus網(wǎng)絡模型管理改進計劃的一部分。新的解決方案建立在行業(yè)認可的公共信息模型(CIM)開放標準之上，該標準允許AEP傳輸有效地維護、分析和跨多個域交換網(wǎng)絡數(shù)據(jù)，并生成短期和長期的案例。
因此，AEP傳輸將:
大大減少了與手工模型協(xié)調工作相關的時間和成本，包括內部和外部實體；
建立基礎設施和數(shù)據(jù)治理基礎，以支持AEP在傳輸改善和擴展方面的資本投資戰(zhàn)略；
提供一個模型校準解決方案，這將有助于推動先進技術的實現(xiàn)，如預測資產(chǎn)健康分析，同步相位器等。
三、江蘇海上風電項目的設計
當前Bentley公司正大力推動數(shù)字化孿生模型發(fā)展。云平臺數(shù)據(jù)將通過與相關企業(yè)合作托管的形式在國內落地，特別是地理信息將單獨保存，通過疊加顯示技術集成BIM信息與地理信息，在保證信息安全的同時進一步提升信息更新的有效性。
在江蘇海上風電項目中，面對項目諸多挑戰(zhàn)，中國電建河南工程公司創(chuàng)新使用了Bentley應用程序。在項目前期階段，團隊使用Bentley三維可視化應用程序進行碰撞檢查，優(yōu)化電纜設計方案，避免因施工返工而浪費資源，同時施工人員利用碰撞優(yōu)化后的三維管線方案，進行施工交底和施工模擬，提高施工質量。據(jù)統(tǒng)計，通過應用Bentley的ProjectWise協(xié)同管理與設計產(chǎn)品將設計錯誤率減少了90%，通過BIM工作流減少了60%的項目返工。此外項目團隊制定的220千伏海上變電站的工程、施工、安裝和運營標準，也被公認為最佳實踐。
參考資料：
1. SiemensElectrical Digital Twin，siemens.com/electrical-digital-twin
2. 數(shù)字孿生技術引領能源電力基礎設施發(fā)展，中國能源報
3. 數(shù)字孿生的概念、發(fā)展形態(tài)和意義，融合論壇，時培昕
作者 | 尹華琛
