CN114492011A - 一种能源互联网数字孪生仿真系统及仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种能源互联网数字孪生仿真系统和仿真方法，设置数据访问接口实现仿真系统与真实能源互联网系统之间数据和信息交互；设置策略访问接口用于提供控制策略指令的接收功能；设置分别与数据访问接口和策略访问接口连接的能源互联网仿真计算引擎单元，能源互联网仿真计算引擎单元包括仿真支撑环境单元和与其通过通讯总线连接的各能源互联网协同仿真模块；仿真支撑环境单元用于提供能源互联网仿真支撑环境，通过发送和接收时序消息对仿真支撑环境单元与各能源互联网协同仿真模块之间的数据交互进行时序控制。可对能源互联网相关控制策略进行仿真推演验证，为真实能源互联网的稳定、高效、优化运行提供仿真验证环境。

Description

一种能源互联网数字孪生仿真系统及仿真方法

技术领域

本发明涉及能源互联网技术领域，特别涉及一种能源互联网数字孪生仿真方法及系统。

背景技术

能源互联网是以电力系统为核心，利用可再生能源发电技术、信息技术，融合电力网络、天然气网络、供热/冷网络等多能源网以及电气交通网形成的能源互联共享网络。能源互联网是促进可再生能源消纳，提高能源使用效率的重要途径。因构成网络多，特性差异大，简单沿用传统单一能源系统的仿真分析方法已经难以完全描述分析能源互联网规律及特性，亟需发展新的理念和方法。数字孪生技术有可能在能源互联网仿真技术发展的过程中发挥重要作用。

已有的关于能源互联网仿真的技术，主要包括能源互联网中电、气、热（冷）系统以及能量枢纽的仿真。当前已经实现了综合能源系统的稳态仿真，包括电力系统仿真、天然气系统仿真、供热（冷）系统仿真以及能量枢纽仿真（包括能量转换设备如热电联产机组、冷热电三联供机组以及电解制氢设备等），能源互联网仿真主要通过能量枢纽中多能源的输入输出关系以及转换效率构成的非线性耦合矩阵来描述。然而，现有能源互联网仿真技术通常为稳态仿真，无法准确推演能源互联网未来态势及发展情况。

发明内容

本发明旨在针对在能源互联网仿真领域，现有能源互联网仿真技术通常为稳态仿真，无法准确推演能源互联网未来态势及发展情况的问题，提供一种数字孪生仿真方法和系统，将能源互联网仿真系统的仿真数据与真实的能源互联网连接起来，通过能源互联网仿真模型与实际能源互联网的信息与数据交互，在线即时验证能源互联网相关运行策略，经能源互联网数字孪生仿真系统的仿真验证后，生成满足实际运行需求的能源互联网运行策略。

为实现上述技术目的，本发明采用以下技术方案。

一方面，本发明提供一种能源互联网数字孪生仿真系统，包括数据访问接口、策略访问接口以及能源互联网仿真计算引擎单元；

所述能源互联网仿真计算引擎单元分别与数据访问接口和策略访问接口连接；

所述能源互联网仿真计算引擎单元用于提供能源互联网仿真支撑环境，通过数据访问接口获取控制策略指令，通过数据访问接口与真实能源互联网系统之间实现数据和信息交互；根据控制策略指令以及真实能源互联网系统的数据和信息，完成能源互联网仿真支撑环境与各能源互联网协同仿真模块之间的数据交互并对数据交互过程进行时序控制。

进一步地，所述能源互联网仿真计算引擎单元包括仿真支撑环境单元和与其通过通讯总线连接的各能源互联网协同仿真模块；

所述仿真支撑环境单元用于提供能源互联网仿真支撑环境，所述仿真支撑环境单元包括仿真时序控制单元；所述仿真时序控制单元用于通过发送和接收时序消息对仿真支撑环境单元与各能源互联网协同仿真模块之间的数据交互进行时序控制。

进一步地，所述仿真支撑环境单元还包括文件存储单元，所述文件存储单元用于对能源互联网数字孪生仿真系统的静态信息进行保存。

进一步地，所述仿真支撑环境单元还包括仿真管理服务单元，所述仿真管理服务单元用于提供实时仿真支撑环境的管理服务功能。

进一步地，所述数据访问接口采用消息总线和服务总线的双总线设计。

进一步地，所述策略访问接口采用双总线数据交互架构，包括数据总线和控制策略指令事件队列总线；所述数据总线用于完成双向通信任务，可通过TCP/IP或通过通信中间件实现双向实时通信；所述控制策略指令事件队列总线用于按时间戳的时间顺序存放控制策略指令存储库发送来的控制策略指令。

进一步地，各能源互联网协同仿真模块基于消息总线技术开发，其开放的接口能够获取对应仿真模块传送的数据，同时还能够向消息总线发布订阅消息。

进一步地，所述仿真模块包括电力系统仿真模块以及冷热气能源仿真模块，所述电力系统仿真模块用于对电力系统进行仿真，冷热气能源仿真模块用于对能源互联网中涉及的冷热气能源子系统进行仿真。

进一步地，仿真模块将数据以消息的形式发送给与其对应的协同仿真模块，消息采用 (topic, key, value)格式，其中，topic是仿真模块的全局唯一标识符，key是传输数据的标识符，value是该传输数据的实时仿真计算值。

再进一步地，各仿真模块按“topic/key”通过与其对应地协同仿真模块向通讯总线订阅消息，在仿真过程中，通讯总线仅将订阅的消息发送至相关仿真模块。

第二方面，本发明提供一种能源互联网数字孪生仿真方法，包括

获取控制策略指令，与真实能源互联网系统进行数据交互；

提供能源互联网仿真支撑环境，基于获取的控制策略指令以及真实能源互联网系统的数据，通过与能源互联网仿真支撑环境进行数据交互实现各能源互联网协同仿真，并对数据交互过程进行时序控制。

进一步地，基于消息总线实现与能源互联网仿真支撑环境数据交互，并通过开放的接口获取对应电力系统仿真的数据或者冷热气能源子系统仿真的数据，还向消息总线发布订阅消息。

再进一步地，以消息的形式获取所述电力系统仿真的数据或者冷热气能源子系统仿真的数据，消息采用 (topic, key, value)格式，其中，topic是全局唯一标识符，key是传输数据的标识符，value是该传输数据的实时仿真计算值。

本发明所取得的有益技术效果：本发明提供的一种能源互联网数字孪生仿真系统及仿真方法可对能源互联网相关控制策略进行仿真推演验证，为真实能源互联网的稳定、高效、优化运行提供仿真验证环境。

附图说明

图1是具体实施例提供的基于能源互联网数字孪生仿真系统框架示意图；

图2是具体实施例提供的能源互联网数字孪生仿真系统的访问接口设计图；

图3是具体实施例提供的基于能源互联网数字孪生仿真方法架构示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

数字孪生是融合物联网技术、通信技术、大数据分析技术和高性能计算技术的先进仿真分析技术，其含义是通过采集设备的物理数据，构建一个可以表征该物理实体的数学模型，并比较物理实体和数学模型的区别，来更好地理解理论设计与实际生产。数字孪生不仅仅是物理实体的刻画，其与物理实体间存在双向数据传输，一方面物理实体的状态被传递给数字孪生系统以实现对数字孪生系统的实时修正，另一方面数字孪生系统完成的仿真计算结果也可反馈给物理实体以指导真实决策。

目前没有针对能源互联网数字孪生仿真的相关系统与实现方案。

实施例：能源互联网数字孪生仿真系统，如图1所示，主要包括数据访问接口、策略访问接口以及能源互联网仿真计算引擎。

数字孪生仿真系统按照真实的能源互联网进行建模仿真，并可通过数据访问接口获取真实系统的运行数据，作为仿真初始条件；同时通过策略访问接口获取能源互联网协调控制策略进行仿真推演，并将计算结果返回至真实系统，真实系统根据仿真计算结果不断迭代优化控制策略，最终生成有效可行的控制策略，完成整个闭环反馈过程。

具体的，（1）数据访问接口：能源互联网数字孪生仿真系统的数据访问接口采用消息总线和服务总线的双总线设计，提供面向应用的跨计算机信息交互机制，方便系统的扩展。

服务总线对应用开发提供广泛的信息交互支持；消息总线按照实时监控的特殊要求设计，具有高速实时的特点，主要用于对实时性要求高的仿真系统与真实能源互联网系统交互的场景。支持通过TCP/IP、通信中间件、Modbus TCP协议以及MQTT协议等多种协议类型获取真实的气象数据、负荷数据、能源信息数据和设备信息数据。

（2）策略访问接口：数字孪生仿真系统基于双总线数据交互架构提供控制策略指令的接收功能，由“消息总线”、“控制策略指令事件队列”共同组成，其架构如图2所示。

①消息总线：负责完成双向通信任务，可通过TCP/IP或通过通信中间件实现双向实时通信。

②控制策略指令事件队列：是一个“先进先出(FIFO)”队列，用于按时间戳的时间顺序存放控制策略指令存储库发送来的控制策略指令事件，由“消息总线”在其尾部插入控制策略指令数据，数字孪生仿真系统读取队队首中存放的控制策略指令，按照控制策略指令内容进行仿真计算。

（3）能源互联网仿真计算引擎：能源互联网仿真计算引擎通过多仿真软件联合仿真实现，能源互联网仿真计算引擎架构如图3所示。

能源互联网仿真计算引擎可基于策略访问接口提供的控制策略进行仿真计算，以此来验证策略的有效性。

能源互联网仿真计算引擎用于提供能源互联网实时仿真支撑环境（简称“仿真支撑环境”），通过开发各种协同仿真模块（一个电力协同仿真模块和多个冷热气能源子系统协同仿真模块），将电力系统仿真模块、冷热气能源子系统等多种仿真模块实现一体化集成。每个协同仿真模块对应一个仿真模块，各协同仿真模块负责各自仿真模块与仿真支撑环境的数据交互，并在仿真时序控制服务模块控制下实现与其它仿真模块间的仿真时间同步。其中，电力系统仿真模块用于对电力系统进行仿真，冷热气能源子系统用于对能源互联网中涉及的冷热气能源子系统进行仿真。

具体实施例中可选地能源互联网数字孪生仿真系统包括，

① 实时仿真支撑环境单元。仿真支撑环境是能源互联网仿真计算引擎的基础，它由实时仿真通信总线、实时数据库、文件访问接口、仿真时序控制服务、仿真管理服务等模块组成。具体的：

l 双总线：消息总线和服务总线的双总线设计为各个仿真模块和服务模块提供统一的数据与时间访问接口，为各个集成模块提供数据实时交互服务，实时仿真通信总线对外提供基于C/C++、Python、Java等语言的API，API封装了实时数据库访问、文件访问、模块间消息交互等各种接口。

l 实时数据库：实时数据库保存了能源互联网整体的信息模型，包括设备参数、多能网络拓扑及其耦合关系、、设备状态数据以及数据访问接口获取的真实数据等等。为各个仿真软件可将自己每步仿真结果数据存入实时数据库对应的信息模型中，同时可访问其他仿真软件计算的多能耦合仿真数据，以实现相互间的耦合数据交互。

l 仿真时序控制服务：仿真时序控制服务负责多个仿真软件间的时间同步，它接受策略访问接口的运行控制策略，通过发送和接收仿真时序消息来协同多个仿真软件按交互次序推进仿真计算过程。仿真时序消息带有时间戳，仿真软件根据当前接收的仿真时序消息时间来推进仿真步骤。

l 仿真管理服务：负责提供实时仿真支撑环境的管理服务功能，如系统模型创建、修改与加载等服务，仿真启动、暂停、停止等控制，用户管理及人机数据交互服务等功能。

l 文件系统：负责图形、系统模型等静态信息的保存。

② 仿真软件及其协同仿真模块。充分考虑了能源互联网的物理形态，能源互联网由智能电网、天然气网、区域热网、以及大量的终端综合能源系统共同构成，其中区域电网、区域天然气网、区域热网分属不同的能源系统，具有分层的特点；大量的终端综合能源系统在空间上分属不同区域，通过区域电网、区域天然气网、区域热网相互耦合，具有分区的特点。不同层次的能源网仿真和不同区域的综合能源仿真通过不同的单一能源仿真软件来完成，并对多个单一能源仿真软件进行协同控制实现仿真时序的协同和每步耦合数据的交互，实现对整个能源互联网运行特征的模拟，以克服不同能源系统仿真尺度差异给综合能源仿真带来的难题。

协同仿真模块是基于通信(消息)总线技术开发的，协同仿真模块开放的接口可以获取仿真模块传送的数据，同时还可以向消息总线发布订阅消息，提供跨计算机的信息交互功能，以应用于各种类型的信息交互功能。

仿真模块将数据以消息的形式发送给协同仿真模块。消息采用流行的(topic,key, value)格式。其中，topic(主题)是仿真模块的全局唯一标识符，如三联供的 ID；key(键)是传输数据的标识符，如 P(有功功率)、H (热功率)、G(天然气流量)、p(压强)等；value(值)是该传输数据的实时仿真计算值。

各仿真模块按“topic/key”通过协同仿真模块向通讯总线订阅消息，在仿真过程中，通讯总线仅将订阅的消息发送至相关仿真模块。

本发明提供一种适用于能源互联网数字孪生仿真系统和仿真方法，可对能源互联网相关控制策略进行仿真推演验证，为真实能源互联网的稳定、高效、优化运行提供仿真验证环境。

与以上实施例提供的一种能源互联网数字孪生仿真系统相对应地，本发明还提供了一种能源互联网数字孪生仿真方法，包括：设置数据访问接口实现所述仿真系统与真实能源互联网系统实现数据和信息交互；设置策略访问接口用于提供控制策略指令的接收功能；

设置分别与数据访问接口和策略访问接口连接的能源互联网仿真计算引擎单元，所述能源互联网仿真计算引擎单元包括仿真支撑环境单元和以其通过通讯总线连接的各能源互联网协同仿真模块；

所述仿真支撑环境单元用于提供能源互联网实时仿真支撑环境，用过通过发送和接收时序消息对仿真支撑环境单元与各能源互联网协同仿真模块之间的数据交互进行时序控制。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置、模块和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (12)

1.一种能源互联网数字孪生仿真系统，其特征在于，包括数据访问接口、策略访问接口以及能源互联网仿真计算引擎单元；

所述能源互联网仿真计算引擎单元分别与数据访问接口和策略访问接口连接；

所述能源互联网仿真计算引擎单元用于提供能源互联网仿真支撑环境，通过数据访问接口获取控制策略指令，通过数据访问接口与真实能源互联网系统之间实现数据交互；根据控制策略指令以及真实能源互联网系统的数据，完成能源互联网仿真支撑环境与各能源互联网协同仿真模块之间的数据交互并对数据交互过程进行时序控制。

2.根据权利要求1所述的一种能源互联网数字孪生仿真系统，其特征在于，所述能源互联网仿真计算引擎单元包括仿真支撑环境单元和与其通过通讯总线连接的各能源互联网协同仿真模块；

所述仿真支撑环境单元用于提供能源互联网仿真支撑环境，所述仿真支撑环境单元包括仿真时序控制单元；所述仿真时序控制单元用于通过发送和接收时序消息对仿真支撑环境单元与各能源互联网协同仿真模块之间的数据交互进行时序控制。

3.根据权利要求1所述的一种能源互联网数字孪生仿真系统，其特征在于，所述仿真支撑环境单元还包括文件存储单元，所述文件存储单元用于对能源互联网数字孪生仿真系统的静态信息进行保存。

4.根据权利要求1所述的一种能源互联网数字孪生仿真系统，其特征在于，所述仿真支撑环境单元还包括仿真管理服务单元，所述仿真管理服务单元用于提供仿真支撑环境的管理服务功能。

5.根据权利要求1所述的一种能源互联网数字孪生仿真系统，其特征在于，所述策略访问接口采用双总线数据交互架构，包括数据总线和控制策略指令事件队列总线，所述数据总线用于完成双向通信任务；所述控制策略指令事件队列总线用于按时间戳的时间顺序存放控制策略指令。

6.根据权利要求1所述的一种能源互联网数字孪生仿真系统，其特征在于，各能源互联网协同仿真模块基于消息总线技术开发，其开放的接口用于获取对应仿真模块传送的数据，同时还用于向消息总线发布订阅消息。

7.根据权利要求6所述的一种能源互联网数字孪生仿真系统，其特征在于，所述仿真模块包括电力系统仿真模块以及冷热气能源仿真模块，所述电力系统仿真模块用于对电力系统进行仿真，冷热气能源仿真模块用于对能源互联网中涉及的冷热气能源子系统进行仿真。

8.根据权利要求7所述的一种能源互联网数字孪生仿真系统，其特征在于，仿真模块将数据以消息的形式发送给与其对应的协同仿真模块，消息采用 (topic, key, value)格式，其中，topic是仿真模块的全局唯一标识符，key是传输数据的标识符，value是该传输数据的实时仿真计算值。

9.根据权利要求8所述的一种能源互联网数字孪生仿真系统，其特征在于，各仿真模块按“topic/key”通过与其对应的协同仿真模块向通讯总线订阅消息，在仿真过程中，通讯总线仅将订阅的消息发送至相关仿真模块。

10.一种能源互联网数字孪生仿真方法，其特征在于，

获取控制策略指令，与真实能源互联网系统进行数据交互；

提供能源互联网仿真支撑环境，基于获取的控制策略指令以及真实能源互联网系统的数据，通过与能源互联网仿真支撑环境进行数据交互实现各能源互联网协同仿真，并对数据交互过程进行时序控制。

11.根据权利要求10所述的一种能源互联网数字孪生仿真方法，其特征在于，基于消息总线实现与能源互联网仿真支撑环境数据交互，并通过开放的接口获取对应电力系统仿真的数据或者冷热气能源子系统仿真的数据，还向消息总线发布订阅消息。

12.根据权利要求11所述的一种能源互联网数字孪生仿真方法，其特征在于，以消息的形式获取所述电力系统仿真的数据或者冷热气能源子系统仿真的数据，消息采用 (topic,key, value)格式，其中，topic是全局唯一标识符，key是传输数据的标识符，value是该传输数据的实时仿真计算值。

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