[论文解读] An Overview of Digital Twins Application Domains in Smart Energy Grid

Tudor Cioara, Ionuț Anghel+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 16, 2021

Digital Transformation in Industry参考文献 44被引用 15

一句话总结

本文全面概述了数字孪生在智能电网中的应用，重点关注四大关键领域：能源资产建模、故障与安全诊断、运行优化以及商业模式。通过利用物联网、大数据分析、机器学习和云计算，数字孪生实现了对分布式可再生能源系统的实时监控、预测分析和增强控制，尽管在标准化以及与能源管理系统的集成方面仍面临重大挑战。

ABSTRACT

The Digital Twins offer promising solutions for smart grid challenges related to the optimal operation, management, and control of energy assets, for safe and reliable distribution of energy. These challenges are more pressing nowadays than ever due to the large-scale adoption of distributed renewable resources at the edge of the grid. The digital twins are leveraging technologies such as the Internet of Things, big data analytics, machine learning, and cloud computing, to analyze data from different energy sensors, view and verify the status of physical energy assets and extract useful information to predict and optimize the assets performance. In this paper, we will provide an overview of the Digital Twins application domains in the smart grid while analyzing existing the state of the art literature. We have focused on the following application domains: energy asset modeling, fault and security diagnosis, operational optimization, and business models. Most of the relevant literature approaches found are published in the last three years showing that the domain of Digital Twins application in smart grid is hot and gradually developing. Anyway, there is no unified view on the Digital Twins implementation and integration with energy management processes, thus, much work still needs to be done to understand and automatize the smart grid management.

研究动机与目标

• 分析数字孪生在智能电网中应用的当前状态。
• 识别并分类关键应用领域，如能源资产建模、故障诊断、运行优化和商业模式。
• 评估物联网、大数据、机器学习和云计算等使能技术在数字孪生实施中的作用。
• 突出数字孪生与现有能源管理流程在标准化和集成方面的差距。

提出的方法

• 对近3年（主要）文献中关于智能电网数字孪生应用的系统性综述。
• 在四个领域中识别并分类数字孪生应用场景：能源资产建模、故障与安全诊断、运行优化和商业模式。
• 分析使能技术，包括用于实时数据采集的物联网、用于处理大规模传感器数据的大数据分析、用于预测建模的机器学习，以及用于可扩展数据存储和处理的云计算。
• 评估现有数字孪生架构及其与能源管理系统集成的情况。
• 基于可扩展性、实时性能和互操作性，对比分析所提出的数字孪生框架。

实验结果

研究问题

• RQ1 数字孪生目前在智能电网领域如何应用？
• RQ2 支持智能电网中数字孪生实施的主要使能技术有哪些？
• RQ3 将数字孪生与现有能源管理与控制系统集成的主要挑战是什么？
• RQ4 数字孪生如何促进智能电网中的故障检测、安全监控和运行优化？
• RQ5 数字孪生技术在能源领域催生了哪些新兴商业模式？

主要发现

• 智能电网中的数字孪生应用正在迅速增长，绝大多数相关文献发表于过去三年，表明研究兴趣持续上升。
• 物联网、大数据分析、机器学习和云计算的集成，使能源资产的实时监控和预测分析成为可能。
• 数字孪生通过基于仿真的异常检测和对电网扰动的快速响应，显著提升了故障与安全诊断能力。
• 通过数字孪生实现的运行优化，可提高能源效率、减少停机时间，并更好地整合分布式可再生能源。
• 尽管已取得进展，但目前尚无统一的数字孪生实施框架，且与现有能源管理流程的集成仍是主要挑战。
• 数字孪生正推动商业模式创新，尤其体现在预测性维护、能源交易和电网服务方面。