周博文,奚超,李廣地,楊波
(1. 東北大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院, 遼寧省 沈陽市 110819;2. 遼寧省綜合能源優(yōu)化與安全運(yùn)行重點實驗室(東北大學(xué)), 遼寧省 沈陽市 110819)
現(xiàn)階段,互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)面臨的主要問題是平臺形態(tài)趨于內(nèi)卷化,在載體內(nèi)容、交互傳播、參與互動等方面長期停滯不前,導(dǎo)致“沒有發(fā)展的增長”[1]。在新冠疫情隔離政策下,全世界上網(wǎng)時間大量增加,“宅經(jīng)濟(jì)”迅速發(fā)展,大多數(shù)人將線下生活狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫€上生活狀態(tài),將虛擬世界演變成了現(xiàn)實世界的平行世界,線上與線下打通,人們逐漸開始從現(xiàn)實世界向虛擬世界遷移。當(dāng)前技術(shù)渴望生產(chǎn)出高質(zhì)量的產(chǎn)品,資本家探索新貿(mào)易模式,用戶期待全新的體驗。元宇宙就好比是現(xiàn)實世界與虛擬世界虛實相融的互聯(lián)網(wǎng),在元宇宙中,人們不再去對相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行瀏覽,自身本就處在各種內(nèi)容之中[2]。從互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)化到移動互聯(lián)網(wǎng),元宇宙將會在移動互聯(lián)網(wǎng)后迎來一個全新的時代[3]。
近年來,各大互聯(lián)網(wǎng)公司圍繞互聯(lián)網(wǎng)虛擬世界開展了大量研究。2021 年7 月27 日,臉書(Facebook)公司成立了元宇宙團(tuán)隊,并且將公司的名字改為“元(Meta)”。Epic公司開發(fā)的《堡壘之夜》虛擬世界游戲是目前較為公認(rèn)的元宇宙雛形產(chǎn)品。百度依托眾多先進(jìn)的人工智能技術(shù),借助虛擬現(xiàn)實交互平臺,降低了元宇宙世界的成本[4]。元宇宙的本質(zhì)是將現(xiàn)實世界進(jìn)行數(shù)字化、虛擬化,元宇宙將成為虛擬世界與現(xiàn)實世界共存的第二空間[5]。元宇宙的發(fā)展是循序漸進(jìn)的,在相應(yīng)的設(shè)施和技術(shù)條件下,由眾多行業(yè)、平臺不斷融合、進(jìn)化而最終成形[6]。在元宇宙不斷發(fā)展的過程中,也將遇到很多新問題,需要進(jìn)一步進(jìn)行完善。在虛擬空間與現(xiàn)實空間融生之后,還要關(guān)注技術(shù)發(fā)展所帶來的社會變革,保障各種行業(yè)健康有序發(fā)展[7]。
元宇宙中的電力系統(tǒng)是建設(shè)數(shù)字化、信息化、智能化新型電力系統(tǒng)的有效驗證手段,新型電力系統(tǒng)需要大量的數(shù)字化仿真建模分析,將在元宇宙中呈現(xiàn)現(xiàn)實設(shè)備與數(shù)字化設(shè)備的高度融合。元宇宙電力系統(tǒng)能夠為新型電力系統(tǒng)建模、穩(wěn)定分析、運(yùn)行控制提供技術(shù)支撐,因此元宇宙提供了沉浸式仿真的有效工具,對實現(xiàn)雙碳目標(biāo)具有重要的意義[8]。
本文介紹了元宇宙的誕生、定義、發(fā)展過程、發(fā)展趨勢,元宇宙電力系統(tǒng)的實體反饋、優(yōu)化調(diào)度、運(yùn)行控制、故障診斷、動態(tài)仿真,以及人與元宇宙電力系統(tǒng)的動態(tài)交互,并結(jié)合當(dāng)前的發(fā)展方向與研究熱點,提出了元宇宙中電力系統(tǒng)的短期應(yīng)用與長期應(yīng)用。
1992 年,Neal Stephenson 在科幻小說《Snow Crash》中第一次提到了“Metaverse(元宇宙)”這個概念[9],元宇宙是一種很大程度上會實現(xiàn)的未來。
元宇宙是一種將虛擬與現(xiàn)實相結(jié)合的新型互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和社會形態(tài),它基于擴(kuò)展現(xiàn)實技術(shù)提供沉浸式體驗,基于數(shù)字孿生技術(shù)生成現(xiàn)實世界的鏡像,基于區(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)建經(jīng)濟(jì)體系,將虛擬世界與現(xiàn)實世界全方位、多角度整合,并允許每個用戶對其進(jìn)行創(chuàng)造與編輯[10]。元宇宙技術(shù)的基本概念如圖1所示。
圖1 元宇宙技術(shù)Fig.1 Metaverse technology
元宇宙這一概念在不斷發(fā)展、進(jìn)化,每個用戶都在參與過程中不斷豐富并完善其含義[11-12]。2021年是元宇宙元年,互聯(lián)網(wǎng)迭代升級的大幕就此拉開[13]。在元宇宙時代,“萬物互聯(lián)”將逐步走向“萬物互信”,再到“萬物交易”和“萬物協(xié)作”[14-15]。集中的互聯(lián)網(wǎng)機(jī)構(gòu)盜用、濫用數(shù)據(jù)的模式將結(jié)束,并被一種充分實現(xiàn)數(shù)據(jù)權(quán)益保護(hù)的新經(jīng)濟(jì)體制所取代。元宇宙時代也將是數(shù)字文化大變革、大發(fā)展、大主流的時代。元宇宙的四大趨勢如圖2所示。
圖2 元宇宙四大趨勢Fig.2 Four major trends of metaverse
元宇宙自誕生以來就與電力系統(tǒng)領(lǐng)域緊密耦合?,F(xiàn)階段,電力系統(tǒng)正處于轉(zhuǎn)型升級的開始階段,電網(wǎng)運(yùn)行信息、電力企業(yè)運(yùn)營信息都在從實體到數(shù)字化升級,電力系統(tǒng)的物理載體和運(yùn)營主體都在發(fā)生著數(shù)字化的變革,為融入元宇宙奠定了基礎(chǔ)。開創(chuàng)電力系統(tǒng)與元宇宙相關(guān)新概念、新技術(shù)、新應(yīng)用融合發(fā)展,是電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型的重要步驟[16-17]。圖3為元宇宙電力系統(tǒng)的基本架構(gòu)。
圖3 元宇宙電力系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.3 Framework of power systems in metaverse
目前,元宇宙電力系統(tǒng)的發(fā)展還面臨著兩大難題:一是目前的網(wǎng)絡(luò)支撐技術(shù)、雙向傳輸速度均不能滿足龐大電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)的實時傳輸需求;二是智能終端及電力設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜,相關(guān)技術(shù)有待提升[18]。在元宇宙時代來臨之際,電力系統(tǒng)可提前在虛擬端打下堅實的基礎(chǔ),在很大程度上使電力系統(tǒng)更加安全穩(wěn)定地運(yùn)行,促進(jìn)元宇宙中電力系統(tǒng)的發(fā)展。
綜合全面地分析元宇宙電力系統(tǒng)是電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ),對元宇宙中電力系統(tǒng)優(yōu)化、穩(wěn)定運(yùn)行、實體反饋、故障診斷等方面具有重要的意義。
元宇宙電力系統(tǒng)同步規(guī)劃電力系統(tǒng)物理實體與元宇宙虛擬空間,從數(shù)據(jù)構(gòu)建出發(fā),生成動態(tài)綜合數(shù)據(jù)中心[19];同時,在實體運(yùn)行時不斷向元宇宙空間導(dǎo)入規(guī)劃、優(yōu)化、仿真、故障診斷等相關(guān)模型與運(yùn)行數(shù)據(jù),以及人在元宇宙中不同視角下的操作記錄、培訓(xùn)記錄、錄像回放等數(shù)據(jù),從而不斷完善數(shù)據(jù)中心;在穩(wěn)定運(yùn)行階段,依托智能分析管理平臺,實現(xiàn)對元宇宙中電力系統(tǒng)的決策支撐和優(yōu)化管理[20]。
通過數(shù)字化建模和建設(shè)虛擬設(shè)施,將電力信息納入到元宇宙電力系統(tǒng)體系中,通過智能感知和數(shù)據(jù)采集補(bǔ)充完善數(shù)據(jù)中心。元宇宙中電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心與現(xiàn)實中電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心存在很大差異,數(shù)據(jù)形態(tài)、異構(gòu)類型、關(guān)聯(lián)關(guān)系都將更加復(fù)雜。同時,元宇宙中各類角色、形象(avatar)的參與將大大增加數(shù)據(jù)的可變性與交互性,用戶角色的實時互動所引起的個性化、定制化數(shù)據(jù)增量對元宇宙數(shù)據(jù)中心提出更高要求。數(shù)據(jù)庫利用中心化存儲可以使存儲數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠[21],利用區(qū)塊鏈技術(shù)對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行監(jiān)督,增加了可信性[22],工人了解電力系統(tǒng)運(yùn)行態(tài)勢的手段越來越多樣化,獲取信息的方式越來越簡單,獲得的信息越來越豐富,人機(jī)交互的界面也越來越友好[23],為系統(tǒng)未來態(tài)勢預(yù)測、歷史數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)可信性等領(lǐng)域研究提供數(shù)據(jù)支撐。
元宇宙虛擬空間與實體電力系統(tǒng)通過高效連接和實時傳輸實現(xiàn)虛實融生。通過智能感知技術(shù)和數(shù)據(jù)中心信息采集技術(shù)實現(xiàn)“由實入虛”;電力系統(tǒng)物理實體和元宇宙虛擬空間通過實體反饋實現(xiàn)虛實融生,并通過實時優(yōu)化運(yùn)行控制實現(xiàn)“由虛饋實”[24]。
電力設(shè)備實體和元宇宙空間雙向映射、動態(tài)交互、實時連接,元宇宙中電力系統(tǒng)計算實時數(shù)據(jù)更新模型,再將數(shù)據(jù)模型中校正計算后的電力參數(shù)回傳給實體控制設(shè)備,從而實現(xiàn)對實體設(shè)備的精確控制。
通過虛擬空間將運(yùn)行狀態(tài)傳遞給實體電力系統(tǒng),一方面可以作為穩(wěn)定運(yùn)行數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)中心進(jìn)行分析優(yōu)化;另一方面可以對電網(wǎng)可能遇到的問題進(jìn)行預(yù)演,將元宇宙電力系統(tǒng)中存在的相關(guān)技術(shù)、運(yùn)行問題反饋到實體電力系統(tǒng),并制定相應(yīng)對策[25]。
在優(yōu)化運(yùn)行方面,對于電網(wǎng)的核心數(shù)據(jù),在元宇宙電力系統(tǒng)中基于預(yù)先實例化的數(shù)據(jù)預(yù)處理、多類數(shù)據(jù)聚集的優(yōu)化計算、動態(tài)數(shù)據(jù)在線聚集合并等技術(shù),實現(xiàn)快速解析數(shù)據(jù)中心[26]。
通過建立元宇宙中各電力設(shè)備的調(diào)度策略和信息處理策略,實現(xiàn)元宇宙中虛擬電力系統(tǒng)靈活優(yōu)化調(diào)度,從而實現(xiàn)現(xiàn)實中電力系統(tǒng)更高效、更智能、更安全運(yùn)行[27]。將電力系統(tǒng)設(shè)備參與元宇宙系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)度與現(xiàn)實系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)度進(jìn)行對比,并考慮在虛擬電力系統(tǒng)中加入實時的需求響應(yīng),可實現(xiàn)虛實融生下電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性、環(huán)境性、安全性3 個方面不同程度的優(yōu)化[28]。在完全虛擬的場景中,可以同時得到多種調(diào)度策略的可視化與可互動結(jié)果,對調(diào)度運(yùn)行人員實現(xiàn)優(yōu)化調(diào)度將具有更生動的直觀體驗。
元宇宙電力系統(tǒng)是多源數(shù)據(jù)整合、多種技術(shù)集成和分層控制的,面向元宇宙智能電網(wǎng)的復(fù)雜技術(shù)和應(yīng)用體系,通過元宇宙電力系統(tǒng)和現(xiàn)實電力系統(tǒng)的結(jié)合,有效支撐電網(wǎng)虛實融生化。
元宇宙電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)由控制層、區(qū)域電網(wǎng)層、設(shè)備層、應(yīng)用層組成。其中:控制層根據(jù)電力系統(tǒng)管理平臺,負(fù)責(zé)審核電力系統(tǒng)的運(yùn)行方案、響應(yīng)信息等;區(qū)域電網(wǎng)層中各區(qū)域電力系統(tǒng)之間通過集中式控制方式控制運(yùn)行,使設(shè)備可通過其他因素優(yōu)化調(diào)度電能;設(shè)備層包含各種電力設(shè)備、虛擬電力設(shè)備;應(yīng)用層包含多個虛擬和實體工廠、居民區(qū)、能源站、數(shù)據(jù)中心等[29-30]。元宇宙電力系統(tǒng)運(yùn)行如圖4所示。
圖4 元宇宙電力系統(tǒng)運(yùn)行圖Fig.4 Power system operation in metaverse
電力交易平臺根據(jù)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行交易,將控制結(jié)果發(fā)送到控制層進(jìn)行分析,控制系統(tǒng)下發(fā)控制需求至電力系統(tǒng)管理平臺,電力系統(tǒng)管理平臺將控制指令進(jìn)一步分解到用戶層和應(yīng)用層,實現(xiàn)閉環(huán)控制[31-33]。
元宇宙電力系統(tǒng)需要對其數(shù)據(jù)信息、運(yùn)行狀態(tài)等進(jìn)行實時監(jiān)測。通過有線設(shè)備和無線設(shè)備的結(jié)合,可以實現(xiàn)在各種場景下電力設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集與檢測[34-36];通過智能巡檢平臺實現(xiàn)監(jiān)測全自動、智能化巡檢,結(jié)合電力系統(tǒng)優(yōu)化模塊,逐步實現(xiàn)典型故障、顯著隱患的智能識別,通過數(shù)據(jù)采集、積累和人工智能學(xué)習(xí)訓(xùn)練,逐步實現(xiàn)故障分析等功能,提高對數(shù)據(jù)的分析處理能力,實現(xiàn)巡檢智能化。
在元宇宙電力系統(tǒng)中,通過智能采集設(shè)備,利用感知控制技術(shù)獲得電力系統(tǒng)的實時信息,利用光纖通信技術(shù)和無線傳感技術(shù),實時掌握電力系統(tǒng)和各種電氣設(shè)備的運(yùn)行信息,確保電力系統(tǒng)實體的全部數(shù)據(jù)能安全準(zhǔn)確地傳輸?shù)皆钪骐娏ο到y(tǒng),從而減少外部因素對電網(wǎng)的影響[37-38]。
當(dāng)前電力系統(tǒng)過渡到新型電力系統(tǒng)的進(jìn)程中,仿真技術(shù)發(fā)揮著關(guān)鍵作用。由于電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸電、配電、變電、用電具有連續(xù)性和多樣性,需要采用數(shù)字仿真軟件來對其動態(tài)特性進(jìn)行仿真?,F(xiàn)階段仿真的側(cè)重點是電力系統(tǒng)級的仿真,而隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,從電力器件級到電力設(shè)備裝置級再到電力系統(tǒng)級的仿真是未來發(fā)展的趨勢,并且電網(wǎng)嚴(yán)重故障仿真等仿真需求無法通過實體電力系統(tǒng)設(shè)備來實現(xiàn)[39],而在元宇宙電力系統(tǒng)中可以很好地解決這一問題。
新型電力系統(tǒng)中包含大量電力電子器件,電力電子系統(tǒng)中功率開關(guān)等相關(guān)器件的響應(yīng)時間低于微秒級,電路拓?fù)涞捻憫?yīng)時間一般為毫秒級[40-41],系統(tǒng)動態(tài)仿真是毫秒級電磁暫態(tài)過程與秒級機(jī)電暫態(tài)過程的耦合?,F(xiàn)在的電力系統(tǒng)仿真很難滿足如此高維度變量大規(guī)模仿真的需要,而在元宇宙中通過數(shù)字化仿真,可以有效并快速分析診斷此類問題。因此,通過元宇宙電力系統(tǒng)對其進(jìn)行虛擬快速動態(tài)仿真,得到相應(yīng)的仿真結(jié)果并反饋到實體電力系統(tǒng),可以使電力系統(tǒng)面對相應(yīng)情況時進(jìn)行及時應(yīng)對。
人與電力系統(tǒng)交互的紐帶是信息,電力系統(tǒng)雖然可以從各種物理環(huán)境中獲取并存儲信息,但無法對信息進(jìn)行主觀評價[42]。但人可以在更高層次感知信息,并提取有價值信息,從而在人與電力系統(tǒng)交互過程中利用主觀信息對設(shè)備進(jìn)行控制,使設(shè)備在安全穩(wěn)定運(yùn)行時體現(xiàn)人的真實意圖和智能屬性。元宇宙能夠很好地模擬人在實際電力系統(tǒng)運(yùn)行中的操作和行為,可以分析“人在回路”的電力系統(tǒng)運(yùn)行控制,發(fā)現(xiàn)人的某些特定行為對系統(tǒng)安全性、穩(wěn)定性、可靠性等的影響,從而實現(xiàn)人與電力系統(tǒng)的沉浸式交互。
目前,電力系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)不穩(wěn)定問題越來越突出[43],傳統(tǒng)的人工參與電力系統(tǒng)巡檢過程基本上取決于人的主動性,這種巡檢方式存在工作人員記錄方式、維護(hù)管理以及工作量等問題,并且不當(dāng)操作可能對工作人員和電力系統(tǒng)造成巨大的破壞[44]。因此,要對工人進(jìn)行沉浸式培訓(xùn)。在新物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)高速發(fā)展的背景下,虛擬電力系統(tǒng)所提出的虛實融生、沉浸式體驗的特點有助于科研人員對電力系統(tǒng)進(jìn)行重新認(rèn)識,從而更好地實現(xiàn)電力系統(tǒng)運(yùn)行與控制;并且可以使工人通過虛擬環(huán)境操作,間接完成現(xiàn)實中對實體設(shè)備的危險操作,既減輕了干擾,又增加了工作效率,同時保障了工人的安全[45-49]。
在元宇宙電力系統(tǒng)中,隨著虛擬電力系統(tǒng)智能性的提高,人與電力系統(tǒng)關(guān)系則會演變?yōu)楣采P(guān)系,人與元宇宙電力系統(tǒng)虛實交融,形成以人為中心的智能化電力系統(tǒng)形態(tài),在穩(wěn)定運(yùn)行、智能優(yōu)化、故障診斷等方面提供更精準(zhǔn)的智慧化建設(shè)[50]。通過人與電力系統(tǒng)的全面融生,推動了其他行業(yè)體系的構(gòu)建。
電力系統(tǒng)與元宇宙中各個領(lǐng)域有著緊密的聯(lián)系,在元宇宙系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用,并且在其他領(lǐng)域有很多潛在應(yīng)用。
元宇宙電力系統(tǒng)建設(shè)目的在于進(jìn)一步促進(jìn)電力系統(tǒng)的高效運(yùn)行,使電力供應(yīng)更科學(xué)、更有效、更穩(wěn)定,促進(jìn)電力系統(tǒng)的健康穩(wěn)定發(fā)展,降低電力系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)成本,為社會各領(lǐng)域的健康發(fā)展提供基本保障。
在短期內(nèi)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的深度挖掘與同步分析,使數(shù)據(jù)全面接入,實現(xiàn)跨專業(yè)數(shù)據(jù)互通,打破專業(yè)數(shù)據(jù)壁壘,最終將電力數(shù)據(jù)在各行各業(yè)應(yīng)用,形成各種行業(yè)廣泛參與的運(yùn)營模式[51]。在電力系統(tǒng)規(guī)劃、電網(wǎng)運(yùn)行管理、智能巡檢與故障診斷、電力交易等各業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)實現(xiàn)一體化發(fā)展,并對長短期規(guī)劃進(jìn)行預(yù)測分析,實現(xiàn)虛擬電力系統(tǒng)狀態(tài)自我感知、電力設(shè)備協(xié)調(diào)運(yùn)行、客戶服務(wù)全新體驗的全價值鏈協(xié)同模式,保證虛擬電力系統(tǒng)整體的優(yōu)化配置[52-54]。
在建設(shè)元宇宙電力系統(tǒng)的過程中,堅持其共享特性,注重將其與互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)連接,有效指導(dǎo)數(shù)字化轉(zhuǎn)型,對其進(jìn)行綜合建設(shè),形成更佳的電力發(fā)展效果,并促進(jìn)各行各業(yè)經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)發(fā)展。在中長期,虛擬電力系統(tǒng)指導(dǎo)新型電力系統(tǒng)數(shù)字化升級、智能化應(yīng)用,促進(jìn)源網(wǎng)互動,構(gòu)建開放式的電力市場,加快低碳發(fā)展,實現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)。按照國家政策,采取合乎市場規(guī)律的商業(yè)模式,鼓勵用戶在智能交易平臺進(jìn)行交易互動操作,為其提供更優(yōu)質(zhì)服務(wù)以拓寬各行業(yè)渠道[55]。元宇宙電力系統(tǒng)以業(yè)務(wù)需求為導(dǎo)向進(jìn)行建模,同時還根據(jù)業(yè)務(wù)流程在電力系統(tǒng)基礎(chǔ)上構(gòu)建其他相關(guān)應(yīng)用以形成虛擬化的業(yè)務(wù)鏈,并從企業(yè)運(yùn)行和管理等多個角度提供指導(dǎo),最終實現(xiàn)電網(wǎng)全價值鏈協(xié)同[56]。
元宇宙的概念在信息化、數(shù)字化浪潮的推動下飛速傳播,為電力系統(tǒng)提供了潛在的價值。聚焦元宇宙電力系統(tǒng),介紹了元宇宙的概念和發(fā)展趨勢,并提出了元宇宙在電力系統(tǒng)的應(yīng)用前景。未來,元宇宙電力系統(tǒng)將有效提升電力系統(tǒng)的發(fā)電、輸電、配電、變電、用電能力,提高電網(wǎng)信息采集、感知、處理、應(yīng)用各環(huán)節(jié)的虛實交融化、智能化能力,為推動電網(wǎng)向能源互聯(lián)網(wǎng)過渡、助力構(gòu)建元宇宙電力系統(tǒng)、推動實現(xiàn)雙碳目標(biāo)提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。