CN111509862B - 基于数字孪生云的海上平台电力系统结构优化方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于数字孪生云的海上平台电力系统结构优化方法及系统，该方法包括：S1、采集物理海上平台电力系统实际运行数据，并将采集的实际运行数据发送到数字海上平台电力系统；S2、数字海上平台电力系统基于实际运行数据进行综合分析和电力系统状态感知，并构建海上平台电力系统数字化镜像模型；S3、根据构建的海上平台电力系统数字化镜像模型进行电力系统结构优化设计，并将优化设计结果进行仿真验证后保存到云端服务器，供工程师和操作员调用。与传统电力系统结构优化方法相比，本发明能够解决传统海上平台电力系统结构设计复杂、维护以及优化改善困难，优化成本较高的问题，对海上平台电力系统的结构设计具有指导意义。
Description
技术领域
本发明是关于一种基于数字孪生云的海上平台电力系统结构优化方法及系统，涉及电力系统结构优化技术领域。
背景技术
数字孪生(Digital Twin)是一种集成多物理、多尺度、多学科属性，具有实时同步、忠实映射、高保真度特性，能够实现物理世界与信息世界交互与融合的技术手段。
数字孪生虚拟空间模型是物理实体忠实的数字化镜像，集成与融合了几何、物理、行为及规则四层模型，可以有效对物理实体模型进行评估、优化、预测和评测。各种基于数字化模型进行的各类仿真、分析、数据积累、挖掘，甚至人工智能的应用，都能确保它与现实物理系统的适用性。数字孪生技术首先要感知、建模，然后是分析推理和优化决策。随着电网泛在物联网和计算机及计算技术的发展，电网规模越来越大，智能化程度越来越高。现有海上平台电力系统结构优化设计方法通过收集平台运行人员日常数据记录作为结构优化的基础数据，数据采集难度大，完整度低，无法对海上平台电力系统的日常运行特征进行详尽描述，一旦发生设备和系统连接情况的较大调整，则需要重新进行复杂的数据收集流程，因而维护以及优化改善困难，优化成本较高。同时，由于采集的数据本身细化到设备级，不直接反应各平台节点的运行特征，需要将各平台抽象为节点并再进行结构优化，增加了结构优化的复杂度。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是要提供一种基于数字孪生云的海上平台电力系统结构优化方法及系统，使得优化设计结果更加符合实际电力系统运行特征，提高了优化设计结果的有效性和可靠性，数字孪生构建的数字化镜像更贴近海上平台电力系统实际运行情况。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种基于数字孪生云的海上平台电力系统结构优化方法，包括以下步骤：
S1、采集各物理海上平台电力系统实际运行数据，并将采集的实际运行数据发送到数字海上平台电力系统；
S2、数字海上平台电力系统基于实际运行数据进行综合分析和电力系统状态感知，并相应构建各海上平台电力系统数字化镜像模型；
S3、根据构建的海上平台电力系统数字化镜像模型进行电力系统结构优化设计，并将优化设计结果进行仿真验证后保存到云端服务器，供设计部门和决策机构参考；若现场实施了结构优化调整，重新采集的数据更新所建立的模型，对优化结果进行验证。
进一步地，上述S2的具体过程为：系统状态变量根据可控性和可观性划分为可控可观、可控不可观、不可控可观及不可控不可观四类；其中，可控性是指控制设备的控制信号能够使得系统状态变量相应发生变化，可观性是指采集的物理信号能够反映系统状态变量的变化，包括电压、电流和/或频率。
进一步地，可观的状态变量通过自适应的方法进行状态观测器的参数调整，构成数字海上平台电力系统的状态观测器。
进一步地，可控的状态变量，通过自学习的方法调整数字海上平台电力系统的控制器，使控制器控制特性与物理海上平台电力系统控制装置控制特性保持一致。
第二方面，本发明还提供一种基于数字孪生云的海上平台电力系统结构优化系统，该系统包括物理海上平台电力系统、同步相量测量单元、云端数字孪生优化服务器和数字孪生优化客户端；
所述物理海上平台电力系统的数量为一个以上，每一所述物理海上平台电力系统均配置有信号传感器，用于现场测量实际运行数据；
所述同步相量测量单元，用于相应采集每一所述物理海上平台电力系统测量安装点的电压、电流相量及电网频率，并经过通讯以数据驱动方式向所述云端数字孪生优化服务器提供现场实际运行数据；
所述云端数字孪生优化服务器，用于接收现场实际运行数据，并对接收的现场实际运行数据进行综合分析和电力系统状态感知得到镜像模型，根据镜像模型进行电力系统结构优化设计，并保存优化设计结果供所述数字孪生优化客户端调用；
数字孪生优化客户端包括工程师站和操作员站，所述工程师站用于根据以3D形式呈现的运行数据及以优化结果对所述云端数字孪生优化服务器进行程序维护，所述操作员站用于获取3D形式的运行数据和优化结果，并通过镜像模型对优化设计方案进行系统仿真，反复迭代获得最终优化方案，为实际海上平台电力系统的物理结构调整提供优化方案支持。
进一步地，数据驱动方式采用PMU数据传输方式。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
1、本发明通过数字孪生技术，构建海上平台电力系统的数字化镜像，便于海上平台电力系统运行数据的实时采集和全面分析处理；
2、本发明通过分析数据特征，将系统行为进行分类，分别通过自适应和自学习处理信号，使得数字孪生构建的数字化镜像更贴近海上平台电力系统实际运行情况；
3、本发明在云上利用数字孪生构建的模型进行海上平台电力系统结构优化设计并仿真检验设计方案，使得优化设计结果更加符合实际电力系统运行特征，提高了优化设计结果的有效性和可靠性。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：
图1是本发明实施例数字孪生的电力系统结构原理图；
图2是本发明实施例数字孪生的电力系统结构优化方法图；
图3是本发明实施例数字孪生的电力系统结构优化设计云系统。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。
实施例一
本实施例提供的基于数字孪生云的海上平台电力系统结构优化方法，包括以下内容：
S1、采集物理海上平台电力系统实际运行数据，对数据进行综合分析和电力系统状态感知；
具体地，如图1所示，左侧是物理海上平台电力系统，右侧是数字海上平台电力系统。
物理海上平台电力系统的现场信号数据经过通讯以数据驱动方式向数字海上平台电力系统提供现场实际采集的信号。数字海上平台电力系统接收现场的数据信号，通过观测器等对数据进行综合分析，并将综合优化过的模型信息提供给相关人员例如工程师和操作员，上述过程为数字孪生技术的实现过程。
S2、利用采集的数据构建海上平台电力系统数字化镜像模型
具体地，如图2所示，数字海上平台电力系统接收现场数据信号，对数据进行综合分析，获取各平台动态特性。
根据设备种类及等效方法，选择平台内系统状态变量。将系统状态变量根据可控性和可观性划分为可控可观，可控不可观，不可控可观，不可控不可观四类。
可控性具体指控制设备的控制信号能够使得系统状态变量相应发生变化，可观性具体是指电压、电流、频率等采集的物理信号能够反映系统状态变量的变化。选择可观的状态变量，通过自适应的方法进行状态观测器的参数调整，构成数字海上平台电力系统的状态观测器。选择可控的状态变量，通过自学习的方法调整数字海上平台电力系统的控制器，使控制器控制特性与物理海上平台电力系统控制装置控制特性保持一致。
S3、根据构建的海上平台电力系统数字化镜像，进行电力系统结构优化设计，并将优化设计结果在数字化镜像中仿真验证后保存到云端服务器，供工程师和操作员调用。因此通过对数据的处理，可以实现对各种扰动和故障下电力系统动态过程的仿真分析，通过结构优化设计对物理海上平台电力系统稳定性进行测试，检测设计方案可行性。
实施例二
如图3所示，本实施例提供基于数字孪生云的海上平台电力系统结构优化云系统，包括若干物理海上平台电力系统1、与物理海上平台电力系统1数量相适应的PMU(同步相量测量单元)2、一数字孪生优化客户端3和一云端数字孪生优化服务器4。
各物理海上平台电力系统1配置有各类信号传感器，用于现场测量各种数据；
每一PMU2用于测量安装点的电压、电流相量及电网频率，用于经过通讯以数据驱动方式向云端数字孪生优化服务器4提供现场实际的信号；
云端数字孪生优化服务器4接收现场的信号传感器以及PMU2的信号，通过内置观测器等对数据进行综合分析得到镜像模型，根据镜像模型进行电力系统结构优化设计，并保存优化设计结果供数字孪生优化客户端3调用。数字孪生优化客户端3根据优化结果对实际海上平台电力系统进行物理结构调整后，再根据修改后的实际运行数据验证镜像模型优化结果的有效性。优选地，数据驱动方式可以采用PMU数据传输方式。
数字孪生优化客户端3，由工程师站和操作员站构成，工程师站用于根据以3D形式呈现的运行数据及以优化结果对所述云端数字孪生优化服务器进行程序维护，操作员站用于获取3D形式的运行数据和优化结果，并通过镜像模型对优化设计方案进行系统仿真验证，反复迭代获得最终优化方案，为决策部门进行实际海上平台电力系统的物理结构调整提供优化方案支持。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于数字孪生云的海上平台电力系统结构优化方法，其特征在于包括以下步骤：
S1、采集各物理海上平台电力系统实际运行数据，并将采集的实际运行数据发送到数字海上平台电力系统；
S2、数字海上平台电力系统基于实际运行数据进行综合分析和电力系统状态感知，并构建相应海上平台电力系统数字化镜像模型，系统状态变量根据可控性和可观性划分为可控可观、可控不可观、不可控可观及不可控不可观四类；其中，可控性是指控制设备的控制信号能够使得系统状态变量相应发生变化，可观性是指采集的物理信号能够反映系统状态变量的变化，包括电压、电流和/或频率；
S3、根据构建的海上平台电力系统数字化镜像模型进行电力系统结构优化设计，并将优化设计结果进行仿真验证后保存到云端服务器供设计部门和决策机构参考；若现场实施了结构优化调整，重新采集的数据更新所建立的模型，对优化结果进行仿真验证。
2.根据权利要求1所述的海上平台电力系统结构优化方法，其特征在于：可观的状态变量通过自适应的方法进行状态观测器的参数调整，构成数字海上平台电力系统的状态观测器。
3.根据权利要求1所述的海上平台电力系统结构优化方法，其特征在于：可控的状态变量，通过自学习的方法调整数字海上平台电力系统的控制器，使控制器控制特性与物理海上平台电力系统控制装置控制特性保持一致。
4.一种基于数字孪生云的海上平台电力系统结构优化系统，其特征在于：该系统包括物理海上平台电力系统、同步相量测量单元、数字孪生优化客户端和云端数字孪生优化服务器；
所述物理海上平台电力系统的数量为一个以上，每一所述物理海上平台电力系统均配置有信号传感器，用于现场测量实际运行数据；
所述同步相量测量单元，用于相应采集每一所述物理海上平台电力系统测量安装点的电压、电流相量及电网频率，并经过通讯以数据驱动方式向所述云端数字孪生优化服务器提供现场实际运行数据；
所述云端数字孪生优化服务器，用于接收现场实际运行数据，并对接收的现场实际运行数据进行综合分析和电力系统状态感知得到镜像模型，根据镜像模型进行电力系统结构优化设计，并保存优化设计结果供所述数字孪生优化客户端调用；
所述数字孪生优化客户端，由工程师站和操作员站构成，所述工程师站用于根据以3D形式呈现的运行数据及以优化结果对所述云端数字孪生优化服务器进行程序维护，所述操作员站用于获取3D形式的运行数据和优化结果，并通过镜像模型对优化设计方案进行系统仿真，反复迭代获得最终优化方案，为实际海上平台电力系统的物理结构调整提供优化方案支持。
5.根据权利要求4所述的海上平台电力系统结构优化系统，其特征在于：数据驱动方式采用PMU数据传输方式。
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