CN115859700B - 一种基于数字孪生技术的电网建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于数字孪生技术的电网建模方法，包括：按照单一功能原则将电网拆分成若干个功能单元，形成电网物理实体模型；建立物理实体的虚拟模型；对各类数据、模型、算法、仿真、结果进行服务化封装，建立服务模型，以工具组件、中间件、模块引擎支撑数字孪生内部功能运行与实现的功能性服务，以应用软件满足不同用户不同业务需求的业务性服务；建立包括物理实体数据、虚拟模型数据、服务模型数据、知识数据、融合衍生数据的数据模型；建立实体模型、虚拟模型、服务模型、数据模型的连接模型。本发明可以建立合符电网管理运行维护业务的电网孪生模型，构建电网数字孪生系统的基础，提升电网运维水平和智能化水平。
Description
技术领域
本发明涉及电网建模技术领域，具体是一种基于数字孪生技术的电网建模方法。
背景技术
模型是数字孪生的基础与核心，随着数字孪生技术在各个应用领域和行业相应落地，创建满足技术发展趋势和需求的数字孪生模型是数字孪生落地应用的关键。电网是涉及发电、输电、变电、配电、用电等多个环节的复杂系统，每个环节包括了多个应用场景和大量设备，因此，要建立合符电网管理运行维护业务的电网孪生模型尤为重要，是构建电网数字孪生系统的基础，有助于提升电网运维水平和智能化水平。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种基于数字孪生技术的电网建模方法，以建立合符电网管理运行维护业务的电网孪生模型，构建电网数字孪生系统的基础，提升电网运维水平和智能化水平。
一种基于数字孪生技术的电网建模方法，包括如下步骤：
步骤一、按照单一功能原则将电网拆分成若干个功能单元，每个功能单元对应一个物理实体，形成电网物理实体模型；
步骤二、建立物理实体的虚拟模型，使得虚拟模型与物理实体具备时空一致性；
步骤三、对各类数据、模型、算法、仿真、结果进行服务化封装，建立服务模型，以工具组件、中间件、模块引擎支撑数字孪生内部功能运行与实现的功能性服务，以应用软件满足不同用户不同业务需求的业务性服务；其中，数据是指电力设备的感知数据；模型是指电网物理实体的虚拟模型；算法是指建模过程用于分析、评估、预测、仿真的计算函数；仿真是指电力系统、电力设备运行状态的模拟；结果是指通过算法计算后虚拟模型的运行状态；
步骤四、建立包括物理实体数据、虚拟模型数据、服务模型数据、知识数据、融合衍生数据的数据模型；
步骤五、建立实体模型、虚拟模型、服务模型、数据模型的连接模型，其中包括实体模型与虚拟模型的连接、实体模型与服务模型的连接、实体模型与数据模型的连接、虚拟模型与数据模型的连接，虚拟模型与服务模型的连接、服务模型与数据模型的连接。
进一步的，所述步骤二具体包括：
（2.1）根据物理实体的形状、尺寸、位置、装配关系，建立物理实体的三维模型；
（2.2）根据物理实体的物理属性、约束关系、特征信息，在宏观及微观上进行动态的数学模拟，形成物理模型；
（2.3）根据物理实体外部环境与干扰、实时响应与行为，建立不同时间、空间尺度下的演化行为、动态功能行为、性能趋势行为，形成行为模型；
（2.4）根据物理实体隐性知识、相关领域的标准和规则、建立判断、评估、优化、预测规则，形成规则模型；
（2.5）通过对三维模型、物理模型、行为模型、规则模型组装、集成、融合，形成物理实体虚拟模型，建立模型校核、验证、确认机制来验证虚拟模型的一致性、准确性、灵敏度。
进一步的，步骤（2.3）中的行为模型通过式（1）和式（2）定义系统平衡能力优化模型，为消纳确定的系统有功不平衡量，模型通过开启或关闭特定机组来优化系统平衡能力：
其中，
为剩余待消纳的有功不平衡量，
为机组
的运行状态，1表示开机状态，0表示关机状态，
为允许开机机组
的爬坡功率，
为关机机组的集合，
为在线机组集合。
进一步的，步骤（2.3）中的行为模型规则定义有电网风险指标，包括电压越限模型、潮流过载模型，潮流转移度模型、失负荷率模型，具体如下：
电压越限模型：
其中，
为母线电压，
和
分别为母线电压上下限；
潮流过载模型：
其中，
表示存在潮流过载的线路集合，
表示线路当前传输功率，
表示线路额定传输功率；
潮流转移度模型：
其中，
和
分别为故障前后系统的功率传输总距离，其变化越大表示故障线路附近没有可替代的有功功率传输通道，有功功率不得不在系统中大范围迁移，其中
，式中
为输电线路集合，
为输电线路的长度，可表示为
，
为线路电阻，
为线路电抗，
为线路
传输的有功功率大小，可表示为
，
分别为节点
的电压，
分别为线路
的电导和电纳，
为节点
的电压相位差；
失负荷率模型：
其中，
表示需要进行负荷切削的节点集合，
为第
个负荷切削节点的重要度系数，
为第
个负荷切削节点的负荷切削量。
进一步的，所述步骤四具体包括：
（4.1）通过传感器、嵌入式系统、数据采集卡采集物理实体数据，主要包括物理实体的规格、功能、性能、关系等物理属性以及反映物理实体运行状况、实时性能、环境参数、突发扰动的动态过程数据；
（4.2）处理和存储虚拟模型中几何模型数据、物理模型数据、行为模型数据、规则模型数据以及基于虚拟模型开展的过程仿真、行为仿真、过程验证、评估、分析、预测的仿真数据；其中几何模型数据包括几何尺寸、装配关系、位置；物理模型数据包括材料属性、载荷、特征；行为模型数据包括驱动因素、环境扰动、运行机制；规则模型数据包括约束、规则、关联关系；
（4.3）处理和存储服务模型中的功能服务数据和业务服务数据，其中功能服务数据主要包括算法、模型、数据处理方法；业务服务数据主要包括物理实体的运行数据，维护数据；
（4.4）处理和存储物理实体的知识数据，主要包括专家知识、行业标准、规则约束、推理推论、常用算法库、模型库；
（4.5）处理和保存用于转换、预处理、分类、关联、集成、融合相关处理后得到的衍生数据，通过融合物理实时数据与多时空关联数据、历史统计数据、专家知识信息数据得到信息物理融合数据。
进一步的，所述步骤五具体包括：
（5.1）利用各种传感器、嵌入式系统、数据采集卡对物理实体数据进行实时采集，通过物联协议规范传输，建立实体模型与数据模型的连接，经过处理后的数据或指令反馈到实体模型，实现物理实体优化运行；
（5.2）采集的物理实体实时数据传输至虚拟模型用于更新校正虚拟模型，采集的虚拟模型仿真分析数据转化为控制指令下达至物理实体执行器并对物理实体的实时控制，建立实体模型与虚拟模型的连接；
（5.3）采集的物理实体实时数据传输至服务，实现对服务的更新和优化，服务产生的操作指导、专业分析、决策优化结果以应用软件的形式提供给用户，通过人工操作实现对物理实体的调控，从而建立实体模型与服务模型的连接；
（5.4）将虚拟模型产生的仿真及相关数据通过数据库接口进行存储，实时读取的融合数据、关联数据、生命周期数据驱动动态仿真，建立数据模型与服务模型的连接；
（5.5）建立虚拟模型与服务模型的连接，通过软件接口实现虚拟模型与服务的双向通讯，实现指令传递、数据收发、消息同步；
（5.6）通过数据库接口将服务数据实时存储，实时读取历史数据、规则数据、常用算法及模型，支持服务的运行和优化，建立数据模型与服务模型的连接。
本发明公开了一种基于数字孪生技术的电网建模方法，通过建立物理实体模型、虚拟模型、服务模型、数据模型、连接模型（如图1所示），通过与物联网、大数据、人工智能等新技术集成和融合，满足物理系统集成、信息数据融合、虚实双向连接与交互需求；通过集成融合信息数据与物理数据，满足信息空间与物理空间的一致性与同步性需求，能提供更加准确、全面的业务数据支持；通过数字孪生应用过程中面向不同层次用户、不同业务需求的各类数据、模型、算法、仿真、结果等进行服务化封装，并以应用软件的形式提供给用户，实现对服务的便捷与按需使用；通过物理模型、虚拟模型、服务模型及数据模型之间的互联，支持虚实实时互联与融合。
附图说明
图1是本发明实施例基于数字孪生技术的电网建模方法构建的模型示意图；
图2是本发明实施例将县域电网进行功能拆分为实体模型的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供一种基于数字孪生技术的电网建模方法，包括如下步骤：
步骤一、按照单一功能原则将电网拆分成若干个功能单元，每个功能单元对应一个物理实体，形成电网物理实体模型；
步骤二、建立物理实体的虚拟模型，使得虚拟模型与物理实体具备时空一致性；所述步骤二具体包括：
（2.1）根据物理实体的形状、尺寸、位置、装配关系，建立物理实体的三维模型；
（2.2）根据物理实体的物理属性、约束关系、特征信息，在宏观及微观上进行动态的数学模拟，形成物理模型；
（2.3）根据物理实体外部环境与干扰、实时响应与行为，建立不同时间、空间尺度下的演化行为、动态功能行为、性能趋势行为，形成行为模型；
（2.4）根据物理实体隐性知识、相关领域的标准和规则、建立判断、评估、优化、预测规则，形成规则模型；
（2.5）通过对三维模型、物理模型、行为模型、规则模型组装、集成、融合，形成物理实体虚拟模型，建立模型校核、验证、确认机制来验证虚拟模型的一致性、准确性、灵敏度。
步骤三、对各类数据、模型、算法、仿真、结果进行服务化封装，建立服务模型，以工具组件、中间件、模块引擎支撑数字孪生内部功能运行与实现的功能性服务，以应用软件满足不同用户不同业务需求的业务性服务；其中，数据是指电力设备的感知数据；模型是指电网物理实体的虚拟模型；算法是指建模过程用于分析、评估、预测、仿真的计算函数；仿真是指电力系统、电力设备运行状态的模拟；结果是指通过算法计算后虚拟模型的运行状态；
步骤四、建立包括物理实体数据、虚拟模型数据、服务模型数据、知识数据、融合衍生数据的数据模型；所述步骤四具体包括：
（4.1）通过传感器、嵌入式系统、数据采集卡采集物理实体数据，主要包括物理实体的规格、功能、性能、关系等物理属性以及反映物理实体运行状况、实时性能、环境参数、突发扰动的动态过程数据；
（4.2）处理和存储虚拟模型中几何模型数据、物理模型数据、行为模型数据、规则模型数据以及基于虚拟模型开展的过程仿真、行为仿真、过程验证、评估、分析、预测的仿真数据；其中几何模型数据包括几何尺寸、装配关系、位置；物理模型数据包括材料属性、载荷、特征；行为模型数据包括驱动因素、环境扰动、运行机制；规则模型数据包括约束、规则、关联关系；
（4.3）处理和存储服务模型中的功能服务数据和业务服务数据，其中功能服务数据主要包括算法、模型、数据处理方法；业务服务数据主要包括物理实体的运行数据，维护数据；
（4.4）处理和存储物理实体的知识数据，主要包括专家知识、行业标准、规则约束、推理推论、常用算法库、模型库；
（4.5）处理和保存用于转换、预处理、分类、关联、集成、融合相关处理后得到的衍生数据，通过融合物理实时数据与多时空关联数据、历史统计数据、专家知识信息数据得到信息物理融合数据。
步骤五、建立实体模型、虚拟模型、服务模型、数据模型的连接模型，其中包括实体模型与虚拟模型的连接、实体模型与服务模型的连接、实体模型与数据模型的连接、虚拟模型与数据模型的连接，虚拟模型与服务模型的连接、服务模型与数据模型的连接；所述步骤五具体包括：
（5.1）利用各种传感器、嵌入式系统、数据采集卡对物理实体数据进行实时采集，通过物联协议规范传输，建立实体模型与数据模型的连接，经过处理后的数据或指令反馈到实体模型，实现物理实体优化运行；
（5.2）采集的物理实体实时数据传输至虚拟模型用于更新校正虚拟模型，采集的虚拟模型仿真分析数据转化为控制指令下达至物理实体执行器并对物理实体的实时控制，建立实体模型与虚拟模型的连接；
（5.3）采集的物理实体实时数据传输至服务，实现对服务的更新和优化，服务产生的操作指导、专业分析、决策优化结果以应用软件的形式提供给用户，通过人工操作实现对物理实体的调控，从而建立实体模型与服务模型的连接；
（5.4）将虚拟模型产生的仿真及相关数据通过数据库接口进行存储，实时读取的融合数据、关联数据、生命周期数据驱动动态仿真，建立数据模型与服务模型的连接；
（5.5）建立虚拟模型与服务模型的连接，通过软件接口实现虚拟模型与服务的双向通讯，实现指令传递、数据收发、消息同步；
（5.6）通过数据库接口将服务数据实时存储，实时读取历史数据、规则数据、常用算法及模型，支持服务的运行和优化，建立数据模型与服务模型的连接。
实例说明
本发明以某县域科技示范区电网为例，构建县域电网数字孪生模型，进而开发符合区域电网运行维护需求的数字孪生系统。建模的步骤如下：
1.按照电网运行、管理、维护要求，将县域电网进行功能拆分为实体模型，如图2所示：
2.通过倾斜摄影、激光扫描获取县域点云数据，利用CAD图纸结合3DMAX等建模工具对点云数据进行处理，建立电网物理实体的三维模型；
3.借助仿真分析工具在三维模型的基础上，建立物理实体及其部件的电流、电压、负载、温度、水流、电网潮流等方面的物理模型；
4.利用有限状态机、马尔可夫链、神经网络、复杂网络、基于本体的建模方法，创建实体模型的行为模型，下式定义了系统平衡能力优化模型，为消纳确定的系统有功不平衡量，模型通过开启或关闭特定机组来优化系统平衡能力：
其中，
为剩余待消纳的有功不平衡量，
为机组
的运行状态，
1表示开机状态，0表示关机状态，
为允许开机机组
的爬坡功率，
为关机机组的集合，
为在线机组集合。
5.根据电网相关规范、专家知识库、算法等建立物理实体的检测、评估、优化、预测方法，形成实体模型的规则模型，以下定义了几个电网风险指标，其中包括电压越限模型、潮流过载模型，潮流转移度模型、失负荷率模型，通过这几个指标可以对电网的运行风险进行评估；
电压越限模型：
其中，
为母线电压，
和
分别为母线电压上下限；
潮流过载模型：
其中，
表示存在潮流过载的线路集合，
表示线路当前传输功率，
表示线路额定传输功率；
潮流转移度模型：
其中，
和
分别为故障前后系统的功率传输总距离，其变化越大表示故障线路附近没有可替代的有功功率传输通道，有功功率不得不在系统中大范围迁移，其中
，式中
为输电线路集合，
为输电线路的长度，可表示为
，
为线路电阻，
为线路电抗，
为线路
传输的有功功率大小，可表示为
，
分别为节点
的电压，
分别为线路
的电导和电纳，
为节点
的电压相位差；
失负荷率模型：
其中，
表示需要进行负荷切削的节点集合，
为第
个负荷切削节点的重要度系数，
为第
个负荷切削节点的负荷切削量。
6.封装物理实体模型中各实体涉及的数据、模型以及运行人员、运维人员的业务需求，形成实体模型的服务模型，并以工具组件、中间件、模块或业务模块的形式向系统和客户提供。服务模型包括功能性服务和业务性服务，其中功能性服务包括模型管理服务、数据管理与处理服务、综合连接服务，模型管理服务用于建模仿真、模型组装与融合、模型验证与确认，模型一致性分析；数据管理与处理服务用于数据存储、封装、清洗、关联、挖掘、融合；综合连接服务用于数据采集服务、感知接入服务、数据传输服务、协议服务、接口服务；业务性服务包括操作指导服务、专业技术服务、智能决策服务、用户产品服务，操作指导服务用于虚拟装配、设备维修维护、人员培训；专业技术服务用于仿真评估、设备控制策略适应、动态优化调度、动态过程仿真；智能决策服务用于需求分析、风险评估、趋势预测；用户产品服务用于用户功能体验、虚拟培训、远程维修；
7.对物理实体数据、虚拟模型数据、服务模型数据、知识数据、融合衍生数据建立结构化数据库表，实现数据的存储、读写等功能；
8.通过接入电网物联平台和县域电网现有的监控系统建立物理实体模型与虚拟模型、服务模型、数据模型的连接模型（如图1所示），电网实时运行数据驱动上述模型，实现各类模型之间的互联，为电网运维工作提供技术支撑。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (4)
1.一种基于数字孪生技术的电网建模方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、按照单一功能原则将电网拆分成若干个功能单元，每个功能单元对应一个物理实体，形成电网物理实体模型；
步骤二、建立物理实体的虚拟模型，使得虚拟模型与物理实体具备时空一致性；
步骤三、对各类数据、模型、算法、仿真、结果进行服务化封装，建立服务模型，以工具组件、中间件、模块引擎支撑数字孪生内部功能运行与实现的功能性服务，以应用软件满足不同用户不同业务需求的业务性服务；其中，数据是指电力设备的感知数据；模型是指电网物理实体的虚拟模型；算法是指建模过程用于分析、评估、预测、仿真的计算函数；仿真是指电力系统、电力设备运行状态的模拟；结果是指通过算法计算后虚拟模型的运行状态；
步骤四、建立包括物理实体数据、虚拟模型数据、服务模型数据、知识数据、融合衍生数据的数据模型；
步骤五、建立实体模型、虚拟模型、服务模型、数据模型的连接模型，其中包括实体模型与虚拟模型的连接、实体模型与服务模型的连接、实体模型与数据模型的连接、虚拟模型与数据模型的连接，虚拟模型与服务模型的连接、服务模型与数据模型的连接；
所述步骤二具体包括：
（2.1）根据物理实体的形状、尺寸、位置、装配关系，建立物理实体的三维模型；
（2.2）根据物理实体的物理属性、约束关系、特征信息，在宏观及微观上进行动态的数学模拟，形成物理模型；
（2.3）根据物理实体外部环境与干扰、实时响应与行为，建立不同时间、空间尺度下的演化行为、动态功能行为、性能趋势行为，形成行为模型；
（2.4）根据物理实体隐性知识、相关领域的标准和规则、建立判断、评估、优化、预测规则，形成规则模型；
（2.5）通过对三维模型、物理模型、行为模型、规则模型组装、集成、融合，形成物理实体虚拟模型，建立模型校核、验证、确认机制来验证虚拟模型的一致性、准确性、灵敏度；
步骤（2.3）中的行为模型通过式（1）和式（2）定义系统平衡能力优化模型，为消纳确定的系统有功不平衡量，模型通过开启或关闭特定机组来优化系统平衡能力：
其中，
为剩余待消纳的有功不平衡量，
为机组
的运行状态，1表示开机状态，0表示关机状态，
为允许开机机组
的爬坡功率，
为关机机组的集合，
为在线机组集合。
2.如权利要求1所述的基于数字孪生技术的电网建模方法，其特征在于：步骤（2.3）中的行为模型规则定义有电网风险指标，包括电压越限模型、潮流过载模型，潮流转移度模型、失负荷率模型，具体如下：
电压越限模型：
其中，
为母线电压，
和
分别为母线电压上下限；
潮流过载模型：
其中，
表示存在潮流过载的线路集合，
表示第
条线路当前传输功率，
表示线路额定传输功率；
潮流转移度模型：
其中，
和
分别为故障前后系统的功率传输总距离，其变化越大表示故障线路附近没有可替代的有功功率传输通道，有功功率不得不在系统中大范围迁移，其中
，式中
为输电线路集合，
为输电线路
的长度，可表示为
，
为线路电阻，
为线路电抗，
为线路
传输的有功功率大小，可表示为
，
分别为线路
下节点
的电压，
分别为线路
的电导和电纳，
为节点
的电压相位差；
失负荷率模型：
其中，
表示需要进行负荷切削的节点集合，
为第
个负荷切削节点的重要度系数，
为第
个负荷切削节点的负荷切削量。
3.如权利要求1所述的基于数字孪生技术的电网建模方法，其特征在于：所述步骤四具体包括：
（4.1）通过传感器、嵌入式系统、数据采集卡采集物理实体数据，主要包括物理实体的规格、功能、性能、关系等物理属性以及反映物理实体运行状况、实时性能、环境参数、突发扰动的动态过程数据；
（4.2）处理和存储虚拟模型中几何模型数据、物理模型数据、行为模型数据、规则模型数据以及基于虚拟模型开展的过程仿真、行为仿真、过程验证、评估、分析、预测的仿真数据；其中几何模型数据包括几何尺寸、装配关系、位置；物理模型数据包括材料属性、载荷、特征；行为模型数据包括驱动因素、环境扰动、运行机制；规则模型数据包括约束、规则、关联关系；
（4.3）处理和存储服务模型中的功能服务数据和业务服务数据，其中功能服务数据主要包括算法、模型、数据处理方法；业务服务数据主要包括物理实体的运行数据，维护数据；
（4.4）处理和存储物理实体的知识数据，主要包括专家知识、行业标准、规则约束、推理推论、常用算法库、模型库；
（4.5）处理和保存用于转换、预处理、分类、关联、集成、融合相关处理后得到的衍生数据，通过融合物理实时数据与多时空关联数据、历史统计数据、专家知识信息数据得到信息物理融合数据。
4.如权利要求1所述的基于数字孪生技术的电网建模方法，其特征在于：所述步骤五具体包括：
（5.1）利用各种传感器、嵌入式系统、数据采集卡对物理实体数据进行实时采集，通过物联协议规范传输，建立实体模型与数据模型的连接，经过处理后的数据或指令反馈到实体模型，实现物理实体优化运行；
（5.2）采集的物理实体实时数据传输至虚拟模型用于更新校正虚拟模型，采集的虚拟模型仿真分析数据转化为控制指令下达至物理实体执行器并对物理实体的实时控制，建立实体模型与虚拟模型的连接；
（5.3）采集的物理实体实时数据传输至服务，实现对服务的更新和优化，服务产生的操作指导、专业分析、决策优化结果以应用软件的形式提供给用户，通过人工操作实现对物理实体的调控，从而建立实体模型与服务模型的连接；
（5.4）将虚拟模型产生的仿真及相关数据通过数据库接口进行存储，实时读取的融合数据、关联数据、生命周期数据驱动动态仿真，建立数据模型与服务模型的连接；
（5.5）建立虚拟模型与服务模型的连接，通过软件接口实现虚拟模型与服务的双向通讯，实现指令传递、数据收发、消息同步；
（5.6）通过数据库接口将服务数据实时存储，实时读取历史数据、规则数据、常用算法及模型，支持服务的运行和优化，建立数据模型与服务模型的连接。
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