隨著經(jīng)濟飛速發(fā)展，能源的需求越來越高，為了擺脫對于化石能源的嚴(yán)重依賴，全球主要國家大力發(fā)展清潔能源。預(yù)計全球陸上風(fēng)電、光伏發(fā)電量將在 2025 年前全面超過化石能源，到 2050 年，全球清潔能源占一次能源消費比重將超過 70%，清潔能源發(fā)電裝機占總裝機比重超過 80%，全面進入新能源時代。新能源的建設(shè)主要以分布式能源建設(shè)為主，比如在園區(qū)里建設(shè)太陽能發(fā)電以及風(fēng)、光、儲等微電網(wǎng)系統(tǒng)。能源的去中心化推動了城市建設(shè)的變革，園區(qū)建設(shè)的各種分布式能源，通過智能配電網(wǎng)支撐分布式能源的有效并網(wǎng)及就地消納，實現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)。但是如何實現(xiàn)智慧園區(qū)分布式能源的最優(yōu)配置，園區(qū)內(nèi)配電網(wǎng)如何實現(xiàn)自知自愈的智慧調(diào)度運行，園區(qū)配電設(shè)備如何進行預(yù)測性維護，這些問題是今天建設(shè)園區(qū)智慧能源系統(tǒng)推進能源互聯(lián)網(wǎng)變革所面對的主要挑戰(zhàn)。數(shù)字孿生技術(shù)提供了非常重要的能源管理及能效優(yōu)化的決策依據(jù)，基于數(shù)字孿生技術(shù)在智慧能源管理平臺內(nèi)建立的各子系統(tǒng)算法模型，并通過各種復(fù)雜場景的沙盤推演實現(xiàn)最優(yōu)化的能源配置方案，有效幫助園區(qū)實現(xiàn)用能效率的最大提升，為智慧園區(qū)建設(shè)開啟面向未來智慧能源管理的創(chuàng)新模式。
ABB Ability ™ 智慧能源管理系統(tǒng)解決方案
數(shù)字孿生（Digital Twin）的概念最早由密歇根大學(xué) Michael Grieves 教授于 2002 年提出，將現(xiàn)有或?qū)⒂械奈锢韺嶓w對象的數(shù)字模型，通過實測、仿真和數(shù)據(jù)分析技術(shù)實時感知、診斷、預(yù)測物理實體對象的狀態(tài)，通過優(yōu)化和指令來調(diào)控物理實體對象的行為，通過相關(guān)數(shù)字模型間的相互學(xué)習(xí)來進化自身，同時改進利益相關(guān)方在物理實體對象生命周期內(nèi)的決策。ABB Ability™ 完整應(yīng)用于智慧園區(qū)的建設(shè)規(guī)劃、調(diào)度運行和維護管理全過程，從而實現(xiàn)園區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)在精準(zhǔn)運行、維護和優(yōu)化的全過程精益化管理。
我國目前有超過 2 萬個工業(yè)園區(qū)，將近 3000 所高等院校，還有各類的商業(yè)建筑及各類型工廠，園區(qū)是工作與生活的載體，是經(jīng)濟發(fā)展的核心抓手，同時也是能源消耗大戶，其中電力是能源的核心。智慧園區(qū)進行新能源建設(shè)，比如：光伏、風(fēng)能、余熱發(fā)電、固廢垃圾發(fā)電等等 , 其可通過園區(qū)配電網(wǎng)實現(xiàn)并網(wǎng)，與主網(wǎng)供電形成有效互補，實現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)分布式的最優(yōu)配置（見圖 1）。
△ 圖1 園區(qū)能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)圖
當(dāng)今，實現(xiàn)園區(qū)最優(yōu)化的能源管理，實現(xiàn)經(jīng)濟效益最大化，首先需要考慮如下幾個方面：
● 如何讓光伏、風(fēng)能等清潔能源穩(wěn)定發(fā)電，實現(xiàn)經(jīng)濟效益最優(yōu)的配置？
● 如何通過時間特征分解進行負荷預(yù)測，實現(xiàn)需求側(cè)用能優(yōu)化運行管理？
● 如何通過潮流計算、網(wǎng)絡(luò)拓撲的園區(qū)配電網(wǎng)故障模擬仿真，實現(xiàn)具有自知自愈能力的堅強配電網(wǎng)系統(tǒng)？
● 如何實現(xiàn)園區(qū)配電設(shè)備的預(yù)測性維護管理？
未來園區(qū)管理者將面對如何在同一個園區(qū)內(nèi)實現(xiàn)發(fā)電、配電以及用電協(xié)同運作，有效規(guī)劃“源 - 儲 - 荷 - 網(wǎng) - 端”之間綜合調(diào)配，實現(xiàn)經(jīng)濟效益最大化的問題？傳統(tǒng)集中發(fā)電模式將能源管理功能割裂開了：發(fā)電管理者不用關(guān)心如何配電，配電管理者不用關(guān)心是否用電效益最大化。而這些在園區(qū)的能源管理中將會同時面對，對園區(qū)規(guī)劃、建設(shè)管理帶來很大挑戰(zhàn)。解決這些問題的關(guān)鍵技術(shù)在于如何進行系統(tǒng)優(yōu)化和決策，如果不能進行有效決策，則將嚴(yán)重影響能源互聯(lián)網(wǎng)變革的推動。然而，大部分園區(qū)建設(shè)管理人員不具備對于發(fā)電、配電以及用電的綜合管理能力，ABB AbilityTM智慧能源管理系統(tǒng)解決方案將有效地解決這個問題。從電源側(cè)-配電端-用電側(cè)，實現(xiàn)一體化平臺管理，實現(xiàn)園區(qū)的“源-儲-荷-網(wǎng)-端”之間綜合調(diào)配，打破以往多個系統(tǒng)孤島運行方式，實現(xiàn)相互間的協(xié)同運作。通過能源互聯(lián)網(wǎng)的物理模型、在線測量數(shù)據(jù)和歷史運行數(shù)據(jù)建立仿真模型，通過實施運行數(shù)據(jù)的采集，使用仿真模型進行不同場景的沙盤推演，驗證不同方案的合理性和有效性，得出最佳方案作為優(yōu)化決策的重要依據(jù)。
數(shù)字孿生助力新能源與負荷的柔性調(diào) 節(jié)，推進能源互聯(lián)變革
智慧園區(qū)分布式能源“風(fēng)、光、儲”中，通過儲能或者園區(qū)內(nèi)其它節(jié)余能源起到調(diào)節(jié)作用，幫助平衡能源，動態(tài)優(yōu)化。基于超短期負荷預(yù)測和多能互補優(yōu)化算法模型的仿真評估，開展最大需量（峰值負荷）影響因素預(yù)測分析，可以提供合理的分布式能源設(shè)施規(guī)格、數(shù)量規(guī)劃建議，以提高能源站運行經(jīng)濟性（見圖 2）。同時根據(jù)基于精準(zhǔn)負荷預(yù)測的 AI 算法，對各能源子系統(tǒng)進行深度節(jié)能優(yōu)化的策略，進行實際能源側(cè)和需求側(cè)配合的場景模擬。例如：根據(jù)歷史用電信息，光伏發(fā)電量預(yù)測信息、儲能系統(tǒng) BMS 信息，用戶行為分析、地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃進行數(shù)據(jù)聚合與預(yù)處理形成多能互補優(yōu)化算法模型；根據(jù)園區(qū)各系統(tǒng)負荷季節(jié)特征、工作日 / 非工作日、節(jié)假日、年負荷、季度負荷、月負荷、日負荷、逐時負荷預(yù)測負荷周期，建立算法模型；園區(qū)電動汽車充電樁作為用電負載，可通過有效的分時充電管理起到發(fā)電和用電優(yōu)化配比的調(diào)節(jié)作用。根據(jù)整個園區(qū)規(guī)劃方案和實時數(shù)據(jù)采集建立的仿真模型，進行復(fù)雜和不確定場景的沙盤推演，得出最優(yōu)配比策略作為能源最優(yōu)經(jīng)濟性運行的決策依據(jù)，實現(xiàn)經(jīng)濟效益的最大化（見圖 3）。
△ 圖2 分布式能源規(guī)劃圖
△ 圖3 園區(qū)能源管理優(yōu)化效果圖
2018 年，ABB 將其在德國工廠進行了能源互聯(lián)網(wǎng)升級，建設(shè) 1250kWp 光伏，200kW/275kWh 儲能系統(tǒng)，200kW 的熱電聯(lián)產(chǎn)機組，以及 50kW 的汽車充電樁，并通過智慧能源管理系統(tǒng)進行園區(qū)能源系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制，進而參與德國虛擬電廠交易。項目每年可減少630 噸的 CO2排放，降低園區(qū)能耗總成本 4.2%，提高2%-5% 能源市場收入。
數(shù)字孿生提升園區(qū)配電網(wǎng)的自知自愈能力，打造堅強的園區(qū)智能配電網(wǎng)
智慧園區(qū) 10kV 配電系統(tǒng)均采用環(huán)網(wǎng)供電模式，電纜接線較多。過去傳統(tǒng)配電自動化系統(tǒng)采用的集中調(diào)度管理模式已經(jīng)無法滿足智慧園區(qū)的供電可靠性 99.9999% 的要求，基于 IEC61850/GOOSE 技術(shù)實現(xiàn)配電網(wǎng)絡(luò)智能分布式方案，通過 GOOSE 水平通訊的功能，快速進行上、下游的信息交互，實現(xiàn) 40ms 內(nèi)快速故障定位和 100ms 內(nèi)切除故障，恢復(fù)供電，實現(xiàn)智能配電網(wǎng)可靠供電的要求。針對部分的園區(qū)管理人員缺乏配電系統(tǒng)的管理經(jīng)驗，無法進行配電網(wǎng)智能分布式組態(tài)，不具備精準(zhǔn)決策確保調(diào)度穩(wěn)定運行的能力。ABBAbility ™ 智慧能源管理系統(tǒng)提供給運行人員配電網(wǎng)組態(tài)的編程建議，并根據(jù)園區(qū)配電系統(tǒng)環(huán)網(wǎng)供電模式進行 GOOSE 組態(tài)，在 ABB Ability ™ 智慧能源管理系統(tǒng)中建立配電網(wǎng)絡(luò)智能分布式拓撲以及潮流計算全過程的算法模型，根據(jù)實時采集的系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行 N-1 模式計算推演，實現(xiàn)配電系統(tǒng)短路故障模擬、故障定位、快速自愈的仿真測試、算法校驗，為實現(xiàn)智慧調(diào)度運行提供最優(yōu)的決策依據(jù)（見圖 4）。
△ 圖4 配電網(wǎng)拓撲建模 N-1 仿真模擬
2012 年，ABB 在軌道交通大環(huán)網(wǎng)供電系統(tǒng)中首次推出 IEC61850/GOOSE 智能選跳功能，并成功的應(yīng)用于多條地鐵線及配電網(wǎng)智能分布式的升級改造項目中，通過IEC61850/GOOSE 系統(tǒng)的水平通訊功能，實現(xiàn)大環(huán)網(wǎng)供電系統(tǒng)全站無級差的數(shù)字化電流保護。通過 GOOSE 網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)邊緣層的分布式計算，對于運行人員來說依然比較復(fù)雜，難以理解整個系統(tǒng)的決策過程，通過 ABB Ability ™ 智慧能源管理系統(tǒng)建立仿真模型，可以將實際配電網(wǎng)狀態(tài)可視化，并且通過 N-1 模式的模擬推演，輔助運行人員預(yù)測故障發(fā)生時系統(tǒng)的動作過程，則可有效地輔助運行人員進行調(diào)度穩(wěn)定運行的決策（見圖 5）。
△圖5 配網(wǎng)智能分布式管理升級案例模型
設(shè)備全生命周期的數(shù)字孿生，實現(xiàn)從被動預(yù)防到主動預(yù)測的智慧轉(zhuǎn)變
園區(qū)配電設(shè)備的高可靠性是園區(qū)生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素，設(shè)備高可靠性的需求日趨增高。根 據(jù) ARC 公 司 調(diào) 研 的 結(jié) 果（ARC:-https://www.arcweb.com/technologies/asset-performance-management），定期檢修僅能覆蓋 18% 的設(shè)備故障，對其他 82% 的設(shè)備進行預(yù)防性維護也可能存在故障。ABB Ability ™ 智慧能源管理系統(tǒng)解決方案中提供的設(shè)備資產(chǎn)健康管理應(yīng)用方案，就是基于數(shù)字孿生技術(shù)，將產(chǎn)品研發(fā)、制造、檢驗、全生命周期運行的大數(shù)據(jù)進行大量的分析、研究及測試，建立了配電系統(tǒng)開關(guān)設(shè)備的機理算法。通過植入設(shè)備的智能傳感器實時采集設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，包括：溫度、斷路器特性參數(shù)等，通過機理算法和工業(yè)大數(shù)據(jù)加持建立 AI 算法模型，進行配電設(shè)備健康狀態(tài)的評估診斷，預(yù)測設(shè)備失效風(fēng)險，元器件使用壽命及更換周期預(yù)測（見圖 6）。
△ 圖6 基于數(shù)字孿生的設(shè)備機理模型評估診斷
2016 年，ABB 正式推出設(shè)備資產(chǎn)健康管理的應(yīng)用方案，目前已經(jīng)在鋼鐵行業(yè)、電網(wǎng)智慧變電站等多個行業(yè)中成功應(yīng)用。資產(chǎn)健康管理應(yīng)用方案可以實現(xiàn)在邊緣層的本地部署方案或者 ABB 公有云的部署方案，可將實際采集設(shè)備狀態(tài)信息與虛擬模型進行比對，通過數(shù)字孿生建立的虛擬機理算法模型評估設(shè)備的健康情況，及時預(yù)測可能失效的風(fēng)險，提供有價值的預(yù)測性維護建議，將被動預(yù)防性的運維模式轉(zhuǎn)變成主動預(yù)測性的智慧運維模式。有效提升運行效率，極大地降低因為設(shè)備故障導(dǎo)致的非預(yù)期停電損失。
數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于配電開關(guān)設(shè)備的全生命周期數(shù)據(jù)管理，通過數(shù)字仿真、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實等多種技術(shù)手段，將產(chǎn)品的各方面屬性映射到虛擬空間中，形成數(shù)字鏡像，仿真產(chǎn)品全生命周期過程中采用基于數(shù)字孿生技術(shù)建立的機理算法模型，在整個產(chǎn)品生命周期運行過程中與虛擬孿生模型進行同步比對，實時評估診斷和及時預(yù)測設(shè)備失效風(fēng)險，實現(xiàn)基于設(shè)備狀態(tài)的智慧運維管理。
ABB Ability ™ 智慧能源管理系統(tǒng)解決方案助力推進能源互聯(lián)網(wǎng)的變革
ABB Ability ™ 智慧能源系統(tǒng)解決方案實現(xiàn)園區(qū)“源 - 儲 - 荷 - 網(wǎng) - 端”之間綜合調(diào)配，打破以往多個系統(tǒng)孤島運行方式，實現(xiàn)相互間的協(xié)同運作。從電源側(cè) - 配電端 - 用電側(cè)實現(xiàn)一體化平臺管理，通過 ABB Ability ™ 智慧能源系統(tǒng)平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)的超融合；采用數(shù)字孿生技術(shù)通過多能互補算法，量化預(yù)測分布式能源最優(yōu)配置以提高能源端運行經(jīng)濟性；通過配電系統(tǒng)拓撲分析、故障模擬仿真，實現(xiàn)智慧調(diào)度運行；通過數(shù)字孿生仿真建模，人工智能的診斷模型，實現(xiàn)配電設(shè)備全生命周期的預(yù)測性智慧運維管理。如果分布能源系統(tǒng)管理、配電自動化系統(tǒng)、設(shè)備健康管理系統(tǒng)都是由各自獨立系統(tǒng)架構(gòu)和部署，仿真算法和模擬也就只能在各自獨立系統(tǒng)中完成。這樣很難實現(xiàn)真正意義上的優(yōu)化，如：分布式能源配置和需求側(cè)負荷的響應(yīng)沒有放在同一個體系中進行模擬計算和評估，那么發(fā)電側(cè)主網(wǎng)供電和新能源消納之間實現(xiàn)最經(jīng)濟性的配比，發(fā)電和用電之間實現(xiàn)最好的平衡關(guān)系，就只能是空談了。ABB Ability ™ 智慧能源管理系統(tǒng)實現(xiàn)將電源側(cè)、配電側(cè)、用電側(cè)的信息全部納入統(tǒng)一的系統(tǒng)平臺，并在平臺內(nèi)集成和建立各子系統(tǒng)的算法模型，包括預(yù)測分布式能源算法，配電系統(tǒng)拓撲分析、故障模擬仿真算法、人工智能的設(shè)備健康診斷模型。通過能源調(diào)度和負荷配比進行各種場景模擬，確定最優(yōu)決策方案；通過設(shè)備健康評估的預(yù)測與配電系統(tǒng)的故障模擬數(shù)據(jù)結(jié)合，模擬推演系統(tǒng)穩(wěn)定切換的決策方案，并且確保切換到健康的設(shè)備端。有此系統(tǒng)的加持，可以有效實現(xiàn)智慧園區(qū)的高效運行管理，效率的提升和經(jīng)濟效益的最大化（見圖 7）。
△ 圖7 新能源智慧園區(qū)方案示例
實現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵是實現(xiàn)更多分布式能源的并網(wǎng)，通過智能電網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)物理互聯(lián)，并通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)信息互聯(lián)。而智慧園區(qū)的建設(shè)是實現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)的重要基礎(chǔ)。不能實現(xiàn)園區(qū)分布式能源有效的并網(wǎng)發(fā)電；不能實現(xiàn)園區(qū)內(nèi)能源配置和需求側(cè)負荷響應(yīng)的最優(yōu)，從而實現(xiàn)經(jīng)濟效益最大化；不能確保園區(qū)配電網(wǎng)的穩(wěn)定運行，不能將所有設(shè)備端的健康狀態(tài)實現(xiàn)自我感知，主動預(yù)測的智慧運維管 理。這 都 將 影 響 能 源 互 聯(lián) 網(wǎng) 的 變 革 推 進。未 來ABB AbilityTM 智慧能源管理系統(tǒng)中基于數(shù)字孿生技術(shù)在平臺內(nèi)建立的各系統(tǒng)數(shù)據(jù)算法模型，會根據(jù)模擬驗證的反饋結(jié)果不斷進行迭代，通過各種復(fù)雜場景的沙盤推演實現(xiàn)最優(yōu)化的能源配置方案和最穩(wěn)定的配電系統(tǒng)保護控制方案，為園區(qū)的高效運行管理提供最佳決策依據(jù)。用更低的成本為園區(qū)用戶實現(xiàn)更高的價值，幫助園區(qū)實現(xiàn)用能效率的最大提升，為智慧園區(qū)建設(shè)開啟面向未來智慧能源管理的創(chuàng)新模式，助力推進能源互聯(lián)網(wǎng)快速變革。
