基于数字孪生与沙盘推演的城市新型电力系统元宇宙建设-以分布式能源资调度为例

基于数字李生与沙盘推演的城市新型电力系统元宇宙建设 以分布式能源资源调度为例 工程背景 上海文通大学 SHANGHAIJIAOTONGUNIVERSITY PARTONE 贺兴 副研究员 电气系&大数据工程技术研究中心 博士导师：艾芊教授：博后合作导师：邱才明教授189日 研究方向：数据科学在能源系统中的应用 DataScientistmeansaprofessionalwhousesscientificmethodstoliberateandcreatemeaningfromrawdata. -byDavidDonoho[50yearsofDataScience] 时空大数据分析（2013）人工智能（2017)数字李生（2019）元宇宙(2022） BigDataAnalyticsArtificialIntelligenceDigitalTwinMetaverse 中华人民共和国科学技术部al 科技部关于发有科技新20一代人正智惠大月3018年度月 世界 分布式能源虚拟李生体的聚合行为及其涌现现象研究（2023-2026） 国家自然基金 (面上)电网 基于随机矩阵理论和深度学习技术融合的配电网故障高维判据构建及其智能诊国家自然基金 断方法研究（2020-2022)(青年) 国网总部科技项目 基于数字李生和态势感知技术的区域能源网最佳行为决策研究（2021-2022） 课题3：基于高维相关性分析的因素影响力分析及关键因素溯源 NSFC IEEE PCCC杰出 青年工程师 授予在能源领域做出杰出贡献的 35岁以下会员 【能源创新青年论坛】第三期预告：数字李生与数据驱动 OPES 工作组成员主席、召集人 数字李生IEEE数字李生/ITU元宇宙 能源创新青年论坛 第3期“数字李生与数据驱动 Power&EnergySociety IEEEPESChinaChapterCouncilPresents国际标准发起人之 OutstandingYoungEngineerAward to工博会国网展厅现场介绍蔡伦站 XingHe（首个数字李生变电站） L forachiesementinpower&energyenginceriugsndcontributiantoPESdexelopmeniinChinz 2020 皮网技术 POWERSYSTEMTECHNOLOGY 数字李生专题特约主编 NiagHtMigN TEEEChinaomiceIEEEPCLCChair 上海交通大学电子信息与电气工程学院贺兴 工程背景 上海文通大学 SHANGHAIJIAOTONGUNIVERSITY PARTONE 必要性与背景（系统业务背景） 1、新元素、新需求：小规模、大数量、多元化、分布式、智能化.. 研究2、传统用户侧发展成源-网-荷-储多元素共存的复杂聚合体，突破地理约束（微网一虚拟电厂）； 背景3、用户侧分布式能源资源DER具有潜在的巨大经济和社会价值，其难点在于如何协同 兼容开放电力系统特性演变及相关思考[R]，郭剑波院士系统扁平 负 多能源接入 多利益主体业务流业务流 智能楼宇电动汽车微网 荷与 地位平等 石油 化石能源 信息流 电力市场虚拟运营商 信息流 广泛参与 多类型负荷 天然气 能源运营商 能源参与者 能源流 储能服务商智能家居冷/热负荷交互终端控制均散 工业负荷居民负荷商业负荷 风能 边界模糊 储大容苹储能 能 供需分散 太阳能节能分布式储能 源荷互转能源分布式能源 交直混联 水能能源转换 核能 限压发电分布式光伏 分布式储能 界面复杂 地热能 电价经济 信息发电玻璃非燃烧垃圾发电需求侧响应 绿色微能源 清洁能源 配网调控 健身发电燃料电池 ①数据成本持续走低数据驱动or模式：源随荷动→源荷互动 ②模型愈加复杂数据流价值挖掘对象：少量大型火电机组→海量小规模分布式DER 5 必要性与背景（多主体调控业务视角） ·现有调控系统难以处理多元化、不确定性：面向大型火力机组真头的调控模式难以适用于含数量庞大的新能源、柔性资源的复杂系统 ·可再生能源建模与常规机组不后，如何表征其成本-价格曲线与出力置信度（波动曲线从而 完成与调控业务模块（如机组优化）的对接： ·调控对象数量到达一定规模（N>1000）时，存在高维空间寻优组合爆炸的问题，耗时费力； 型精度、且结果是开环的，无法验证： ·日前和日内系统环境情况差距较大时，日内实施滚动调度难以展开 ·调控在空间和时间上较为片面，以调度为例，在机组组合方面以外空间方面的互补互济长时间跨度的统筹缺之统筹兼顾的思想与工具 ·业务之间（调度、规划、市场、运检的联动较少 6 科学背景 上海文通大学 SHANGHAIJIAOTONGUNIVERSITY PARTTWO 关键步骤：对象认知与优化行动 紧急运行模式2场景视角： 紧急运行模式1 目 再认知认知日常运行模式2 多场景，多演绎路径 环境变化，系统状态转移等 信息涌现 日常运行模式1 组态视角： 聚合行为一涌现现象 复杂系统 智慧涌现 单体集群系统 行动稳定供给 经济公平优化视角： 多目标，能源不可能三角 绿色环保评价校核机制等 对象认知一分布式资源聚合体及其系统涌现现象认知 价值涌现 8 科学问题1-复杂系统一涌现一→整体论 G 电力系统上述涌现现象的机理在一个3机系统中发现的“双吸引子”现象 老子《道德经》道生一，一生二，二生三，三生万物大机组 上海交通大学 M,=PCsn(S8)Cnsino,-o) 哈密頭模型的三机电力系统M,"P+Cusms)-Cgsintoa) 以G，和G为S群，以G为A群，用CCCOI变换来能累S群，设 0-5-M,+M)(M+M6)+6:6-+C 生导联像系铁具有业MM8=+Pr+CPau-Cussam8+-++g-CCasisnom-d++e0)) 强联系弱联系小机组 大机组 ，送些非我性团款选成了半高的通现现象：Center-1Center-2机理分析X 在单机或两机东统中，不会发生潘现 失稳疯式品变饮 ISD（BR） Lorent-lke .在实的多机系航中可以成票到 能发生现 只要存在第三机作为干扰项，就有可Ceeter-2线性累加 Center-1 1985年开始，我从不自觉到自觉地持续探索整体论与还原论的融合方法 决定论/还原论 复杂系统的研究迫切需要全新的系统科学范式 提出了 的概念 ，社会领化间器（如涉及多领域的双碳变革）缺乏有效的研究范式“轨迹动力学”对于复杂系统的涌现现象 驱需新的理论与技术！ ，非战性运动稳定性问题，即使仅涉及单一领域，也呈现复杂系统特征 哈害的单机成两机系技为非复杂系统，可以族得定量解何哪怕凡易给入了股尼系数，照单机系换出再不究全最解 式要加入前三机，家不们没有定量靠，并可能限出请多有锋于常识的现家 ，这复杂系统的模需及求解目标签别目大，各自的求解方法必然不网，祖它们之闻是香班以语随相用的方法论呢？ 节选自薛禹胜院士的2021年10月IEEEPES中国区技术委员会大会主旨报告PPT 三维Lorenz系统 6+X-=x y=-xz+rx-y （3）按给定 初值积分[() -轨迹动力学用符号串来标 ()将变量z参量化 z=xy-bz0t) - 注（或用色彩来印记） 两维观察 x=-o+y(5)混沌行为Lorenz的混沌动态，进而 方程(x,y)y=-x2(+x-y揭示了混沌的深层机理 （6)混沌的 鞍点稳定焦点 精细结构 Z 30 态g=10,F=28b=8 2073 26 10Z=V.o. (4)求取实际的分岔时刻 34 3610 (）可以用符号串来标注 Z 或用色彩来印记混沌动 20Integrationaccuracy=1o4 integrationperiod-60s initialvalue-ca2204ek,0) 鞍点稳定结点 r2201-15105X5101520 稳定焦点 摘自薛禹胜院士PPT原图：《碳中和路径优化中的系统科学》33 人类认知论的科学范式演进 ThousandsofsciencewasempiricaldescribingnaturalYearAgophenomena Subjective Hundredsoftheoreticalbranchusingmodels, Empiric 经验主义 YearAgogeneralizationsHeliocentrism 4元Gp Decadesof.acomputationalbranchsimulatingYearAgocomplexphenomena 3 Deterministic Nowadays MassiveData (eScience) .unifytheory,experiment,andsimulation ·Datacapturedbyinstrumentsorgeneratedbysimulator .Processedbysoftware .Information/knowledgestoredin Model-based 还原论 Newton'sLaw Probabilistic computer .Scientistanalyzesdatabase/filesusing datamanagementandstatistics 1.Correlations>Causality y=ax?+bx+c 八 Data-driven 数 据驱动 2.Uncertainty>DeterminismQuantumMechanics 3.Efficiency>Accuracy第四范式数据密集型科学发现（data-intensivescientificdiscoveryparadigm） 4.Entirety>Section 5.Lifecycle>OneperiodClassicaldatautilizationmethodologyneedsberevisited! randomness,chaos,reflectivity,networkeffect,historydependency, 科学问题1：分布式资源聚合体及其系统涌现现象认知 基于复杂性科学再认知多主体系统调控：考虑（系统服务）多场景与（环境/个体）高不确 定性，优化系统运行点/轨迹，通过多主体协同，激发涌现现象，提升多主体利益 配电网调度中心 居民区β 风场 一调度指令下发创建传编分折 组织代理 （运营商） 组织代理 （运营商） 披露信息 智慧能源组织 园区aTissue 市场行为/机制 组织代理现实流程传编接口 （运营商） 数字李生接入设备 多元化、 用能单元单元） 披露信息 单卖用能单元能源细胞 数据与互联标准及安全 回回已目 EMS 景信息传热器 ERP系统 访峰处理集成中调件人工智能通如准送 智能化、a,c a.1Cell 社会，天气 旺力，温度 分层分区； 高不确定性； 主动能动性就地消纳 滋度等流量等 MES软件边缘安全BAM软件从知可视化 促动器 能量流（液压，电动 复杂系统； 信息流 机械，热力等 CAD模型 服务总线混合模型仅装板 聚合&涌现；分布式能量资源DER 能源分子 Molecule多体一混沌现象 行动房见 源、荷、储、产销者可观性&可控性创建一传输一聚合一分析一洞见一行动 本质上是复杂系统！引出 整体>>Z组成成分 建模&分析 涌现现象数字李生&仿生学&范畴学13 关键步骤：对象认知与优化行动 政策引导 全局目标个体效益最大化 社会用能运行 效益 支出 最小 再认知认知 最大...能源用户能源细胞.... 博奔 交易机构博奔供能 收益售电 优质最目收益 可靠最大 能源热力供应商供气电力运营商 供应收益 能源网最 行动调度策略控制方法 技术约束 大燃气供应商 校核机制不同层级，多方利益，资源/信息/需求各异，合作非合作 优化行动一基于数据密集型科学发现范式的多主体智能调控 14 科学问题2：群体调控策略与校核机制 不同层级众多主体的最佳调控策略与校核机制 物理世界 分层调度 iha 调度