數(shù)字孿生技術(shù)概述　　

　　首先，數(shù)字孿生技術(shù)又指數(shù)字鏡像或數(shù)字雙胞胎，它是通過構(gòu)建復(fù)雜的物理實體以此實現(xiàn)現(xiàn)實空間到虛擬數(shù)字空間的一種全息映射技術(shù)，并利用虛實信息連接，模擬出物理系統(tǒng)的動態(tài)特征以及實時狀況。其次，數(shù)字孿生技術(shù)還集成了數(shù)據(jù)采集功能、數(shù)據(jù)仿真以及數(shù)據(jù)通信等多種學(xué)科的一種系統(tǒng)性工程。其中，仿真是該項技術(shù)的核心能力，可以實現(xiàn)對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)、動作以及狀態(tài)進(jìn)行擬實。

　　

　　綜合能源系統(tǒng)概述　　

　　傳統(tǒng)的能源管理系統(tǒng)主要是對電力、動力以及水道進(jìn)行獨立管理，這種能源管理模式已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)的能源管理需求。而科學(xué)的、智慧的能源管理作為現(xiàn)代化信息集成模式，既實現(xiàn)了對資源配置的優(yōu)化和能源的改善，還實現(xiàn)了單一設(shè)備節(jié)能向智能化、系統(tǒng)化等方向轉(zhuǎn)變。因此，綜合智慧能源管理系統(tǒng)的設(shè)計，實現(xiàn)了對電力能源系統(tǒng)、動力能源系統(tǒng)等各個單元的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和監(jiān)測，預(yù)測與管理等全面的智能管理模式，從而為高質(zhì)量能源和服務(wù)奠定了良好的基礎(chǔ)。因此，該系統(tǒng)形成了動態(tài)能源價格機制，根據(jù)電力不同階段需求，保障電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行?？傮w上來說，合智慧能源管理系統(tǒng)中應(yīng)用數(shù)字孿生，已經(jīng)成為綜合能源領(lǐng)域中的重要熱點問題。

　　

　　02、綜合智慧能源管理系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計

　　系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計　　

　　綜合智慧能源管理系統(tǒng)的總體設(shè)計如圖1所示。首先，該系統(tǒng)的設(shè)計可以支持多種工業(yè)接口的應(yīng)用，如PLC接口、智能儀表接口以及在線分析儀接口、PDA接口、智能傳感器接口等。其次，該系統(tǒng)設(shè)計支持Profinet通信協(xié)議等所有的通信協(xié)議。此外，還可以根據(jù)實際需求和網(wǎng)絡(luò)的情況，實現(xiàn)有限組網(wǎng)模式、有線和無線的混合組網(wǎng)模式、無線組網(wǎng)模式等多種類型。最后，能夠?qū)崿F(xiàn)對能源的能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析和優(yōu)化控制管理。

▲綜合智慧能源管理系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計示意圖（圖1）

　　綜合智慧能源管理系統(tǒng)軟件架構(gòu)設(shè)計　　

　　從系統(tǒng)軟件架構(gòu)方面來看，該系統(tǒng)的軟件架構(gòu)主要由能源實際管理、數(shù)據(jù)自定義、能耗信息報告以及終端能耗預(yù)警、能源監(jiān)控等構(gòu)成。具體如圖2所示。其中，從能源的實際管理方面來看，可以借助對不同類型能源介質(zhì)的單價或者動態(tài)的價格更新，計算產(chǎn)品生產(chǎn)的能源成本。并借助外供與回收的指標(biāo)，對產(chǎn)品能源成本進(jìn)行綜合計算。從能源的情況方面來看，借助對能源數(shù)據(jù)的變化趨勢分析，可以為企業(yè)節(jié)能減排和綜合能源管理工作提供一定的數(shù)據(jù)支撐。從能源的監(jiān)控可視化方面來看，綜合智慧管理系統(tǒng)的設(shè)計可以實現(xiàn)對多種類型的能源介質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實時的采集和監(jiān)控，并利用數(shù)據(jù)可視化技術(shù)更加直觀地對能源數(shù)據(jù)進(jìn)行展示。

▲系統(tǒng)軟件架構(gòu)設(shè)計示意圖（圖2）
 

　　03、系統(tǒng)主要功能設(shè)計　　

　　數(shù)據(jù)采集功能　　

　　此功能通過利用采集分類以及對能耗數(shù)據(jù)計量分項等，為能耗數(shù)據(jù)精細(xì)化管理提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)，保障了能源數(shù)據(jù)的可靠性。數(shù)據(jù)采集得到的數(shù)據(jù)需要存儲在計算機當(dāng)中，并且還可以上傳到大數(shù)據(jù)之中，便于相關(guān)人員對能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的監(jiān)控與管理，便于上級管理部分對能源的數(shù)據(jù)匯總進(jìn)行統(tǒng)籌安排與管理。

　　

　　數(shù)據(jù)監(jiān)測功能　

　　數(shù)據(jù)監(jiān)測功能的設(shè)計主要是利用數(shù)據(jù)表格與圖表的模式，將采集得到的相關(guān)數(shù)據(jù)在綜合智慧能源監(jiān)控平臺中進(jìn)行顯示和實時監(jiān)控，這對能源企業(yè)來說具有非常重要的作用。而數(shù)據(jù)監(jiān)測的精準(zhǔn)性會對工作人員把控現(xiàn)場具有重要的影響。因此，在綜合智慧能源管理系統(tǒng)設(shè)計時，需要可以做到及時對數(shù)據(jù)統(tǒng)計信息進(jìn)行更新，并將數(shù)據(jù)以圖表方式或者文章的形式，在顯示器上進(jìn)行顯示，使工作人員能夠更加直觀地從數(shù)據(jù)當(dāng)中獲得設(shè)備的信息，及時對相關(guān)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，能有效避免設(shè)備由于過熱或者電壓不足等情況發(fā)生故障，提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

　　

　　能耗統(tǒng)計分析功能　

　　從能耗統(tǒng)計的方面來看，該功能主要是對能耗的數(shù)據(jù)、能耗分項以及區(qū)域能耗和能耗指標(biāo)等進(jìn)行統(tǒng)計。其中，還包含總能耗定比，也就是指實際消耗的能量所占據(jù)總能量的百分比，并利用百分?jǐn)?shù)的方式進(jìn)行表示。同時，總能耗主要用于綜合分析。因此，綜合智慧能源管理系統(tǒng)的設(shè)計，能夠自動實現(xiàn)對相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，并將統(tǒng)計完成的數(shù)據(jù)存儲在計算機數(shù)據(jù)庫當(dāng)中。這樣一來，用戶就可以利用數(shù)據(jù)管理軟件，直接實現(xiàn)對能耗比的信息進(jìn)行查詢，并做出相應(yīng)的決策，使得其工作效率得到提高。從能耗分析方面來看。綜合智慧能源管理系統(tǒng)可以利用不同分析算法工具對能源消耗的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算與分析。并將其能耗進(jìn)行分類成建筑能耗、區(qū)域能耗等類型計量數(shù)據(jù)，從而匯總成統(tǒng)一的能耗值。并根據(jù)總能耗、但能耗以及對標(biāo)定等相關(guān)指標(biāo)，實現(xiàn)對能耗水平進(jìn)行綜合分析與對比。同時，在對比中利用標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)對比實現(xiàn)，并生產(chǎn)對應(yīng)的圖標(biāo)，以此實現(xiàn)對能耗數(shù)據(jù)的研究，為領(lǐng)導(dǎo)層的決策提供相應(yīng)的依據(jù)。

　　

　　智慧能源管理功能　　

　　在工業(yè)生產(chǎn)過程時，綜合智慧能源管理系統(tǒng)的應(yīng)用可以合理有效地利用能源，以此降低能源消耗，使得經(jīng)濟效益得到提升。同時，可以將能源計劃、能源的管控以及統(tǒng)計分析等下放到各個單位當(dāng)中，從而使得節(jié)能工作責(zé)任得到明確。并且還可以實現(xiàn)對不同單位的能源消耗水平，設(shè)置定額用能，以此達(dá)到節(jié)能減排，使得能源的利用效率得到提升。

　　

　　智能故障診斷　　

　　智能分析功能主要包含了健康狀況分析、設(shè)備狀態(tài)分析以及故障診斷分析等3個功能構(gòu)成。其中，從設(shè)備的健康狀態(tài)方面進(jìn)行分析，可以利用數(shù)據(jù)采集平臺中所存儲的設(shè)備每項指標(biāo)狀態(tài)數(shù)據(jù)，展開全面的分析，并對各個類型的指標(biāo)與設(shè)備之間建立起相關(guān)性分析，并實現(xiàn)對設(shè)備的健康相關(guān)特征值，如特征頻率以及相位等進(jìn)行重點的監(jiān)控。通過對設(shè)備的運行以及狀態(tài)監(jiān)測歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，構(gòu)建關(guān)于設(shè)備的健康評估模型，從而幫助運維人員對設(shè)備的健康狀態(tài)進(jìn)行評估。從設(shè)備的狀態(tài)評價方面來看，可以結(jié)合預(yù)定的特征值，在線實時對歷史工況與當(dāng)前類似的工況進(jìn)行對比分析，結(jié)合大數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析和時序預(yù)測，實現(xiàn)對設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行實時分析。最后，從故障診斷方面來看，該功能主要利用傳感器和智能數(shù)據(jù)采集設(shè)備兩者之間進(jìn)行有效結(jié)合，實現(xiàn)多維在線監(jiān)測，從而實時地對設(shè)備的監(jiān)控狀態(tài)進(jìn)行反映出來。并以多級報警方式，告知相應(yīng)工作人員，以此實現(xiàn)故障遠(yuǎn)程診斷。

　　

　　智能監(jiān)控功能　　

　　智能監(jiān)控功能在綜合智慧能源管理系統(tǒng)設(shè)計中，主要包含了配電網(wǎng)系統(tǒng)監(jiān)控、分布式發(fā)電系統(tǒng)監(jiān)控以及負(fù)荷監(jiān)控和儲能系統(tǒng)監(jiān)控等供熱供冷系統(tǒng)檢修監(jiān)控，以此實現(xiàn)對不同類型的能源系統(tǒng)設(shè)備工作狀態(tài)以及運行的數(shù)據(jù)進(jìn)行全面的實時監(jiān)控，并根據(jù)不同數(shù)據(jù)進(jìn)行實時運算。同時，將通過采集得到的實時數(shù)據(jù)利用三維可視化技術(shù)進(jìn)行展現(xiàn)出來，以此使得信息的直觀性得到進(jìn)一步的提高。并借助平臺下發(fā)相應(yīng)的操作指令，進(jìn)行現(xiàn)在設(shè)備控制。同時，綜合智慧能源管理系統(tǒng)，通過利用電力系統(tǒng)、能耗系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)圖形畫面，將現(xiàn)場設(shè)備的電壓值、電流值以及功率因數(shù)、電鍍等相應(yīng)的測量值在顯示屏上進(jìn)行直觀地顯示出來。以此可以實現(xiàn)對不同回路的測量值、信號以及參數(shù)等進(jìn)行實時監(jiān)測，此外還能夠根據(jù)實時記錄，進(jìn)行故障報警和故障信號顯示。

04、數(shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù)在綜合智慧能源管理系統(tǒng)中的應(yīng)用　　

　　仿真與混合建模技術(shù)　

　　在綜合智慧能源管理系統(tǒng)當(dāng)中數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用，將機械、電氣以及信息等多個類型的系統(tǒng)共同組成了智慧能源系統(tǒng)，通過全面綜合對多物理場機械能分析和建模，使得智慧能源系統(tǒng)所需要出傳遞的虛實信息，在數(shù)字孿生模型當(dāng)中進(jìn)行加載，并構(gòu)建出模型驅(qū)動和按數(shù)據(jù)驅(qū)動兩者結(jié)合的驅(qū)動模式，從而更加逼真。

　　

　　信息安全防御機制　　

　　綜合智慧能源管理系統(tǒng)設(shè)計過程中，還包括信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要依賴于網(wǎng)絡(luò)。并且，系統(tǒng)能夠正常地工作，還取決于信息交流的可靠性。如果，數(shù)據(jù)信息發(fā)生泄露的問題，就會導(dǎo)致系統(tǒng)的工作狀態(tài)受到印象。因此，這時就需要加強對網(wǎng)絡(luò)攻擊的監(jiān)測，以及對網(wǎng)絡(luò)防御技術(shù)進(jìn)行研究，這樣一來可以更好地面對網(wǎng)絡(luò)中存在的攻擊行為，以此為綜合智慧能源管理系統(tǒng)的安全提供保障。

　　

　　可視化與交互技術(shù)　　

　　數(shù)字孿生技術(shù)的數(shù)據(jù)仿真模型和一般數(shù)字仿真模型不同，數(shù)字孿生模型可以在虛實之間機械能交互。從而達(dá)到更新動態(tài)演化的效果，以此真實地映射出物理世界的動態(tài)效果。而可視化技術(shù)的應(yīng)用，可以為用戶提供更加清晰的視覺，實現(xiàn)算法與模型的可視化。

　　

　　多能協(xié)同優(yōu)化技術(shù)　　

　　在綜合智慧能源管理系統(tǒng)當(dāng)中，多能協(xié)同優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用，可以為用戶提供分布式的供能，并借助智慧能源管理系統(tǒng)的多能協(xié)同優(yōu)化調(diào)度策略，使得能源的利用效率得到提高，并達(dá)到不同類型的能源之間互相協(xié)調(diào)與互補。同時，在有效保障用戶的穩(wěn)定能源供給時，通過對可再生能源在綜合智慧能源管理系統(tǒng)當(dāng)中的占比以及利用率進(jìn)行提升，可以有效減少對不可再生能源的依賴，從而達(dá)到有效地節(jié)能減排目的。最后，利用合理的控制模型，還可以實現(xiàn)主動配電網(wǎng)，對分布式能源進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度以及主動管理。