区域综合能源系统的数字孪生运行模拟方法研究

The operation of regional integrated energy systems (RIES) has gained more complexity because of the new characteristics such as spatial-temporal interactions between various energies, and the complicated cyber-physical features. The digital twin (DT), as a modern technical concept in the design and operation of complex industrial systems, aims to construct a holographic mirror of real system in digital space, providing an important solution for the operational analysis of RIES. This project focuses on the key issues about the construction and application of DTs in RIES, including the modeling of multiphysics and cyber-physical characteristics, the data-driven analysis of implicit operational properties, the semi-analytical solution of hybrid DT models, and the multi-scale simulation and feedback modification of DTs. In this way, the DT of RIES with the capabilities of high fidelity mirroring, virtual-real interacting, multi-scene simulation, and self-evolution is constructed. On this basis, the dynamic behaviors and properties of the real system are replicated in digital space. The analysis and applications that have difficulties in real world can be performed within the DT that has full-scene observability and flexible controllability. The project will provide powerful methods and tools for the study of operational mechanism, multi-energy dynamics, and optimization techniques of RIES.

区域综合能源系统运行问题因各类能源时空特性交织、复杂信息-物理环节耦合等诸多新特征而更加复杂，对更有效的运行模拟分析手段形成了迫切需求。数字孪生作为复杂工业系统设计运行的前沿技术理念，旨在构建真实系统在数字空间中的全息镜像，为区域综合能源系统运行问题提供了重要解决思路。本项目立足于数字孪生的核心技术构成，通过区域综合能源系统的多物理场-多源信息耦合特征刻画、多源数据融合驱动的复杂运行特性认知、半解析框架下的混杂模型分析求解、多尺度运行模拟与应用反馈等方法研究，构建了具备高保真度镜像能力、虚-实信息融合能力、复杂场景运行模拟能力、自我演化与自我完善能力的区域综合能源系统数字孪生，能够在数字空间中呈现出与真实系统一致的行为模式和动态特征，进而能够以全景可观、灵活可控的数字孪生完成真实世界内难以实现的运行分析应用，为揭示系统运行机理、掌握多能流耦合规律、实现高品质运行优化等提供了有力支撑手段。

本项目按多物理场与多源信息混杂系统的综合建模与降阶化简方法、数据驱动的不可观环节复杂特性认知重建与滚动修正方法、数字孪生异构模型的半解析求解与稳定性分析方法、考虑多要素影响的复杂场景数字孪生多尺度模拟与应用反馈方法四个课题组织并完成研究工作。首先，为系统描述综合能源系统的组成和结构特征，提出了基于通用能量母线的综合能源系统统一建模方法，以能量介质类型对母线进行分类，直观地表明综合能源系统拓扑及能量流动关系，同时清晰地展示不同介质间的能量转换流程；进一步的，研究了综合能源系统精细化动态建模方法，有效提高了仿真分析的精度。针对区域综合能源系统中数学模型不可观的环节，提出了数据驱动的综合能源系统关键装置特性建模、数据驱动的综合能源负荷多通道关联预测方法等技术方法，通过不断积累的运行数据，对模型进行持续性动态修正，从而实现多尺度运行数据同化，使数据驱动模型具有自适应学习能力。针对综合能源系统数字孪生异构模型的快速高效求解问题，提出了基于投影积分的多尺度求解方法、改进三阶量子化状态系统算法、事件驱动联合仿真框架等技术方法，实现了综合能源系统多时间尺度的高效仿真，同时实现了对状态离散和时间离散仿真架构的兼容，有效解决连续-离散混杂模型的动态仿真问题。针对多要素复杂场景下的数字孪生多尺度模拟与应用反馈问题，提出一种区域综合能源系统概率多能流运行模拟方法，通过输入样本采样、输出响应计算等过程，直接获得不确定性场景下综合能源系统各变量的数值分布，避免冗余计算；进一步可计算各类型节点越限指标的CVaR值，完成风险评估、量化计算等不同场景下的应用，为系统的运行调度、风险预警、控制决策等提供依据。