CN115733244A - 一种区域电网数字孪生方法、系统及存储介质 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种区域电网数字孪生方法、系统及存储介质，系统包括电网信息采集模块、地理信息管理模块、电网模型管理模块、数据仿真模块、可视化展示模块，系统结合高清地图建立区域电网的三维场景，展示、模拟电网设备运行情况，通过电网智能算法模型建立暂稳态推演场景，接入电网实时运行数据，分析电网稳定性，给出电网调控策略。本发明的系统能真实、全面、直观的展示区域电网运行状况，有效的提高电网运维效率，实现电网运维智能化。

Description

一种区域电网数字孪生方法、系统及存储介质

技术领域

本申请涉及电网数字孪生领域，具体涉及一种基于三维可视化技术的区域电网数字孪生方法、系统及存储介质。

背景技术

在碳达峰、碳中和的背景下，各种新型能源发电迅速崛起，分布式光伏、微网集群的大量接入，给电网安全运行带来了巨大的挑战，依靠运维人员经验对电网运营策略进行优化调整效率低下。同时，数字孪生技术在电网中的应用正在飞速发展，但对电网缺乏精准刻画，运维人员无法全面直观的掌握电网实时运行状态，运维效率难以得到有效提升。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种区域电网数字孪生方法、系统及存储介质，基于三维可视化技术，通过地理信息、三维场景对电网元素进行实景还原，通过智能算法计算电网潮流、分析电网稳定性，给出优化调控策略，提升电网运行工作效率、管理能力和发展质量。

为实现上述目的，本申请提供如下技术方案：

第一方面，本申请实施例提供一种区域电网数字孪生系统，包括电网信息采集模块、地理信息管理模块、电网模型管理模块、数据仿真模块、可视化展示模块，

所述电网信息采集模块，用于采集区域电网节点的监测信息；

所述地理信息管理模块，用于将区域电网节点及区域电网节点相关设备的地理信息映射到高清地图上；

所述电网模型管理模块，用于将区域电网节点相关设备数据模型和对应设备三维模型进行映射并建立区域电网的三维场景，在三维场景中展示监测信息中区域电网节点相关设备的所有实时状态感知数据，将感知数据在三维模型上进行模拟展示；

所述数据仿真模块，用于根据区域电网节点的监测信息、电网模型管理模块建立的电网模型、地理信息管理模块建立的地理信息计算区域电网潮流，分析电网稳定性，给出电网调整方案；

所述可视化展示模块，用于集成电网信息采集模块采集的监测信息、地理信息管理模块的地理信息、电网模型管理模块建立的电网模型以及数据仿真模块的仿真结果，可视化展示模块展示区域电网的三维场景，根据地理信息展示区域电网节点的三维模型，在模型上展示、模拟电网节点的监测信息，根据电网数据仿真信息展示电网运行动画特效。

所述区域电网节点的监测信息包括下述中的至少一种：风力发电相关设备、光伏发电相关设备、分布式光伏相关设备、变电站相关设备、储能电站相关设备、输电线路相关设备、配电线路相关设备、配变台区相关设备的实时状态感知数据。

所述地理信息包括经度、纬度及高程信息。

第二方面，本申请实施例提供一种区域电网数字孪生方法，包括以下步骤：

电网信息采集：采集区域电网节点的监测信息；

地理信息管理：将区域电网节点及区域电网节点相关设备的地理信息映射到高清地图上；

电网模型管理：将区域电网节点相关设备数据模型和对应设备三维模型进行映射并建立区域电网的三维场景，在三维场景中展示电网信息采集步骤采集的监测信息中的所有实时状态感知数据，将感知数据在三维模型上进行模拟展示；

数据仿真：根据电网信息采集步骤采集的区域电网节点的监测信息、电网模型管理步骤建立的电网模型、地理信息管理步骤建立的地理信息计算区域电网潮流，分析电网稳定性，给出电网调整方案；

可视化展示：集成电网信息采集步骤采集的区域电网节点的监测信息、地理信息管理步骤建立的地理信息、电网模型管理步骤建立的电网模型以及数据仿真步骤的仿真结果，可视化展示模块展示区域电网的三维场景，根据地理信息展示区域电网节点的三维模型，在模型上展示、模拟电网节点的监测信息，根据电网数据仿真信息展示电网运行动画特效。

所述计算区域电网潮流流程如下：

5.1)定义电网节点类型，并将节点与节点连接定义为支路，输入各节点的节点号、有功功率、无功功率以及各节点的支路数和对应支路电阻、电抗及对地电纳参数；

5.2)对节点类型分类并排序，PQ节点在前，PV节点在后；

5.3)修改支路参数，支路参数根据排序后节点序号改变；

5.4)形成新序号节点导纳矩阵，如下式：

公式(5-1)为节点导纳矩阵，其中Y·V＝I，V为各节点电压，I为各节点注入电流，n为节点数；

5.5)判断支路是否有变压器，是则按变压器模型处理，否则按给定参数处理；

5.6)添加对地支路；

5.7)形成新的节点导纳矩阵；

5.8)计算PQ不平衡量，P变化量、Q变化量，如下式：

公式(5-2)为电网节点潮流计算方程，每个节点对应两个方程，其中i，j为节点，P为节点注入的有功功率，Q为节点注入的无功功率，U为节点电压的幅值，δ为节点电压的相位，G为节点固定电导，B为节点固定电纳，δ_ij为节点i与j的相位；

5.9)判断PQ不平衡量是否小于允许误差，是则得到电压的幅值和相位的解，计算其他未知量，PV节点无功功率，否则PQ不平衡量代入修正方程，求出电压幅值和相位的修正量，并对对电压幅值和相位进行修正并返回PQ不平衡量判断，修正方程如下式：

ΔP＝-U_D1B‘U_D1Δδ(5-3)

ΔQ＝-U_D2B″Δδ(5-4)

假定电网有n个节点，有1个平衡节点的U、δ已知，m个PQ节点U、δ未知，其余为n-m-1个PV节点δ待求，(5-3)、(5-4)式中，B‘为节点电纳矩阵虚部n-1阶矩阵，δ为节点相位，不含平衡节点对应的行和列，B″为节点导纳矩阵虚部m阶矩阵，不含平衡节点和PV节点所对应的行和列，Δδ为相位幅值，左侧系数矩阵

右侧系数矩阵

5.10)显示所有节点计算结果。

第三方面，本申请实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有程序代码，所述程序代码被处理器执行时，实现如上所述的区域电网数字孪生方法的步骤。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)通过三维模型结合地理信息将电网的发电场、变电站、储能站、线路等元素展示在地图上，使得运维人员更全面的掌握电网地理分布；

2)通过接入电网设备的感知数据，在三维场景中模拟设备运行状态，更加真实的反映设备状况，有效提高了运维工作效率；

3)通过智能算法模型实时计算电网潮流、分析稳定性、推演电网运行潮流，提高电网智能化运维水平。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明基于三维可视化技术的区域电网数字孪生系统的模块框图；

图2是本发明基于三维可视化技术的区域电网数字孪生方法的流程图；

图3是本发明潮流求解流程图；

图4是基于三维可视化技术的区域电网数字孪生系统的效果图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

请参阅图1，本发明实施例提供一种基于三维可视化技术的区域电网数字孪生系统，包括电网信息采集模块、地理信息管理模块、电网模型管理模块、数据仿真模块、可视化展示模块；

所述电网信息采集模块，具备海量数据的采集、处理、存储功能，用于实时采集区域电网节点的监测信息，所述区域电网节点的监测信息包括风力发电、光伏发电、分布式光伏、变电站、储能电站、输电线路、配电线路、配变台区等相关设备的实时状态感知数据。

可选的，区域电网节点的监测信息包括风力发电、光伏发电、分布式光伏、变电站、储能电站、输电线路、配电线路、配变台区等相关设备的实时状态感知数据如下：

1)风力发电

2)光伏发电/分布式光伏

3)变电站

4)储能电站

5)输电线路、配电线路

6)配变台区

所述地理信息管理模块，用于将区域电网节点及设备的地理信息映射到所述地理信息管理模块的高清地图上，地理信息包括经度、纬度及高程信息；

所述电网模型管理模块，用于将区域电网节点相关设备数据模型和对应设备三维模型进行映射并建立区域电网的三维场景，在三维场景中展示设备的所有实时状态感知数据，将实时状态感知数据在三维模型上进行模拟展示；

所述数据仿真模块，用于根据电网感知信息、电网模型、地理信息计算区域电网潮流，分析电网稳定性，给出电网调整方案；

所述可视化展示模块，用于展示区域电网的三维场景，根据地理信息展示区域电网节点的三维模型，在模型上展示、模拟电网节点的监测信息，根据电网数据仿真信息展示电网运行动画特效；

所述电网信息采集模块向所述电网模型管理模块中的模型提供感知数据，所述可视化展示模块结合所述电网模型管理模块中的模型以及所述地理信息管理模块中地理信息建立三维场景；所述电网模型管理模块向所述数据仿真模块提供模型，所述数据仿真模块结合所述地理信息管理模块中的地理信息建立仿真场景，所述可视化展示模块将仿真场景进行可视化展示。

如图2和图3所示，本申请的一种区域电网数字孪生方法，包括以下步骤：

步骤1.电网信息采集：采集区域电网节点的监测信息；

步骤2.地理信息管理：将区域电网节点及区域电网节点相关设备的地理信息映射到高清地图上；

步骤23.电网模型管理：将区域电网节点相关设备数据模型和对应设备三维模型进行映射并建立区域电网的三维场景，在三维场景中展示电网信息采集步骤采集的监测信息中的所有实时状态感知数据，将感知数据在三维模型上进行模拟展示；

步骤4.数据仿真：根据电网信息采集步骤采集的区域电网节点的监测信息、电网模型管理步骤建立的电网模型、地理信息管理步骤建立的地理信息计算区域电网潮流，分析电网稳定性，给出电网调整方案；

步骤5.可视化展示：集成电网信息采集步骤采集的区域电网节点的监测信息、地理信息管理步骤建立的地理信息、电网模型管理步骤建立的电网模型以及数据仿真步骤的仿真结果，可视化展示模块展示区域电网的三维场景，根据地理信息展示区域电网节点的三维模型，在模型上展示、模拟电网节点的监测信息，根据电网数据仿真信息展示电网运行动画特效。

其中，计算区域电网潮流流程如图3所示：

5.1)根据电力系统的功能将电网中发输配变用环节定义电网节点类型，并将节点与节点连接定义为支路，输入各节点的节点号、有功功率、无功功率以及各节点的支路数和对应支路电阻、电抗及对地电纳参数；

5.2)对节点类型分类并排序，PQ节点在前，PV节点在后；

5.3)修改支路参数，支路参数根据排序后节点序号改变；

5.4)形成新序号节点导纳矩阵，如下式：

公式(5-1)为节点导纳矩阵，其中Y·V＝I，V为各节点电压，I为各节点注入电流，n为节点数；

5.5)判断支路是否有变压器，是则按变压器模型处理，否则按给定参数处理；

5.6)添加对地支路；

5.7)形成新的节点导纳矩阵；

5.8)计算PQ不平衡量(P变化量、Q变化量)，如下式：

公式(5-2)为电网节点潮流计算方程，每个节点对应两个方程。其中P为节点注入的有功功率，Q为节点注入的无功功率，U为节点电压的幅值，δ为节点电压的相位差，G为节点固定电导，B为节点固定电纳；

5.9)判断PQ不平衡量是否小于允许误差，是则得到电压的幅值和相位的解，计算其他未知量(PV节点无功功率)，否则PQ不平衡量代入修正方程，求出电压幅值和相位的修正量，并对对电压幅值和相位进行修正并返回PQ不平衡量判断，修正方程如下式：

ΔP＝-U_D1B‘U_D1Δδ (5-3)

ΔQ＝-U_D2B″Δδ (5-4)

假定电网有n个节点，有1个平衡节点(U、δ已知)，m个PQ节点(U、δ未知)，其余为n-m-1个PV节点(δ待求)，(5-3)、(5-4)式中，B‘为节点电纳矩阵虚部(n-1阶矩阵，不含平衡节点对应的行和列)，B″为节点导纳矩阵虚部(m阶矩阵，m为正整数，不含平衡节点和PV节点所对应的行和列)，Δδ为相位幅值，

5.10)显示所有节点计算结果(显示最终求解得到的节点参数)。

步骤6.在所述可视化展示模块中展示算法求解过程和结果。

如图4，某高比例分布式电源接入的县域电网涉及4座新能源发电厂、2座110kV变电站、4座储能站、5条110kV输电线路、3条35kV配电线路、19条10kV配电线路，开发区域电网的数字孪生系统，包括以下步骤：

1)对县域电网涉及的发电厂、变电站、储能站、输电线路、配电线路、台区、用户等进行现场采集，采集电网节点、设备的外观、机理、经度、纬度、朝向、海拔等信息；

2)在电网模型管理模块中通过三维建模软件结合外观信息建立电网设备的三维模型，通过设备机理设置设备模型的关键点；

3)将模型组合成三维场景，包括新能源场站、变电站、储能站、输/配电线路、台区、用户等，把经度、纬度、高程信息转换成高清地图的X、Y、Z坐标，按照坐标放置在高清地图上，优化场景中的地形地貌、植被、天空大气、灯光、材质等，最终建立电网的三维场景；

4)通过融合新能源场站监控系统、调度自动化系统、配网自动化系统、电力用户用电信息采集系统、数据中台、电力物联平台等电网相关业务系统数据，建立区域电网电力设备数据模型，结合三维模型在电网三维场景中展示设备运行数据、模拟设备运行情况；

5)建立电网仿真场景，开发电网潮流、电网稳定性、电网调整策略算法，实时输入电网运行数据，模拟电网暂态、稳态运行情况；

6)在可视化展示模块中展示电网仿真场景中的电网运行状态。

本申请还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有程序代码，所述程序代码被处理器执行时，实现如上所述的基于三维可视化技术的区域电网数字孪生方法的步骤。

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。

在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。

存储器可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。存储器是计算机可读介质的示例。

计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种区域电网数字孪生系统，其特征在于，包括电网信息采集模块、地理信息管理模块、电网模型管理模块、数据仿真模块、可视化展示模块，

所述电网信息采集模块，用于采集区域电网节点的监测信息；

所述地理信息管理模块，用于将区域电网节点及区域电网节点相关设备的地理信息映射到高清地图上；

所述电网模型管理模块，用于将区域电网节点相关设备数据模型和对应设备三维模型进行映射并建立区域电网的三维场景，在三维场景中展示监测信息中区域电网节点相关设备的所有实时状态感知数据，将感知数据在三维模型上进行模拟展示；

所述数据仿真模块，用于根据区域电网节点的监测信息、电网模型管理模块建立的电网模型、地理信息管理模块建立的地理信息计算区域电网潮流，分析电网稳定性，给出电网调整方案；

所述可视化展示模块，用于集成电网信息采集模块采集的监测信息、地理信息管理模块的地理信息、电网模型管理模块建立的电网模型以及数据仿真模块的仿真结果，可视化展示模块展示区域电网的三维场景，根据地理信息展示区域电网节点的三维模型，在模型上展示、模拟电网节点的监测信息，根据电网数据仿真信息展示电网运行动画特效。

2.根据权利要求1所述的一种区域电网数字孪生系统，其特征在于，所述区域电网节点的监测信息包括下述中的至少一种：风力发电相关设备、光伏发电相关设备、分布式光伏相关设备、变电站相关设备、储能电站相关设备、输电线路相关设备、配电线路相关设备、配变台区相关设备的实时状态感知数据。

3.根据权利要求1所述的一种区域电网数字孪生系统，其特征在于，所述地理信息包括经度、纬度及高程信息。

4.一种区域电网数字孪生方法，其特征在于，包括以下步骤：

电网信息采集：采集区域电网节点的监测信息；

地理信息管理：将区域电网节点及区域电网节点相关设备的地理信息映射到高清地图上；

电网模型管理：将区域电网节点相关设备数据模型和对应设备三维模型进行映射并建立区域电网的三维场景，在三维场景中展示电网信息采集步骤采集的监测信息中的所有实时状态感知数据，将感知数据在三维模型上进行模拟展示；

数据仿真：根据电网信息采集步骤采集的区域电网节点的监测信息、电网模型管理步骤建立的电网模型、地理信息管理步骤建立的地理信息计算区域电网潮流，分析电网稳定性，给出电网调整方案；

可视化展示：集成电网信息采集步骤采集的区域电网节点的监测信息、地理信息管理步骤建立的地理信息、电网模型管理步骤建立的电网模型以及数据仿真步骤的仿真结果，可视化展示模块展示区域电网的三维场景，根据地理信息展示区域电网节点的三维模型，在模型上展示、模拟电网节点的监测信息，根据电网数据仿真信息展示电网运行动画特效。

5.根据权利压球4所述的一种区域电网数字孪生方法，其特征在于，所述计算区域电网潮流流程如下：

5.1)定义电网节点类型，并将节点与节点连接定义为支路，输入各节点的节点号、有功功率、无功功率以及各节点的支路数和对应支路电阻、电抗及对地电纳参数；

5.2)对节点类型分类并排序，PQ节点在前，PV节点在后；

5.3)修改支路参数，支路参数根据排序后节点序号改变；

5.4)形成新序号节点导纳矩阵，如下式：

公式(5-1)为节点导纳矩阵，其中Y·V＝I，V为各节点电压，I为各节点注入电流，n为节点数；

5.5)判断支路是否有变压器，是则按变压器模型处理，否则按给定参数处理；

5.6)添加对地支路；

5.7)形成新的节点导纳矩阵；

5.8)计算PQ不平衡量，P变化量、Q变化量，如下式：

公式(5-2)为电网节点潮流计算方程，每个节点对应两个方程，其中i，j为节点，P为节点注入的有功功率，Q为节点注入的无功功率，U为节点电压的幅值，δ为节点电压的相位，G为节点固定电导，B为节点固定电纳，δij为节点i与j的相位；

5.9)判断PQ不平衡量是否小于允许误差，是则得到电压的幅值和相位的解，计算其他未知量，PV节点无功功率，否则PQ不平衡量代入修正方程，求出电压幅值和相位的修正量，并对对电压幅值和相位进行修正并返回PQ不平衡量判断，修正方程如下式：

ΔP＝-U_D1B‘U_D1Δδ(5-3)

ΔQ＝-U_D2B″Δδ(5-4)

假定电网有n个节点，有1个平衡节点的U、δ已知，m个PQ节点U、δ未知，其余为n-m-1个PV节点δ待求，(5-3)、(5-4)式中，B‘为节点电纳矩阵虚部n-1阶矩阵，δ为节点相位，不含平衡节点对应的行和列，B″为节点导纳矩阵虚部m阶矩阵，不含平衡节点和PV节点所对应的行和列，Δδ为相位幅值，左侧系数矩阵

右侧系数矩阵

5.10)显示所有节点计算结果。

6.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有程序代码，所述程序代码被处理器执行时，实现如权利要求4或5任一项所述的区域电网数字孪生方法的步骤。

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