CN117313363B - 一种基于物理信息模型的数字孪生系统及其运行方法 - Google Patents

一种基于物理信息模型的数字孪生系统及其运行方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于物理信息模型的数字孪生系统及运行方法，本发明通过数据仿真融合模型单元、电网物理特性模拟仿真单元、通信网络仿真单元以及信息物理联合仿真交互控制单元彼此之间的交互和信息传递，实现连续时间尺度上的物理电网过程仿真，能够模拟各场景下信息流的交互过程；信息物理联合仿真交互控制单元可构建独立内存库，实现应用场景模拟、主站模拟以及实现交互与时序同步。本发明突破传统单个设备或孤立电网仿真的限制，建立集电网、信息网、控制系统于一体的仿真平台，可支持灵活化网架构建、精细化信息过程描述、信息物理复杂交互下的系统验证等功能。

Description

一种基于物理信息模型的数字孪生系统及其运行方法
技术领域
本发明涉及物理信息系统优化技术领域，尤其涉及一种基于物理信息模型的数字孪生系统及其运行方法。
背景技术
目前电力系统常用的仿真主要有物理仿真、数字仿真两种。物理仿真按比例缩小电机，具有真实的电力线路、负荷以及开关设备，用来分析电力系统的动态过程，得到的结果可信度高。但物理仿真的规模小、设备价格高、占地多，对于两个不同的算例需要建立不同的物理系统，扩展性差。数字仿真通过对电力系统元件分析，得到其相应的数学模型，在计算机中建立相应的方程通过数值计算方法求解来模拟实际元件的行为。虽然数字仿真的规模大、价格低、可扩展性强，但模型的参数以及精度会对仿真结果产生严重影响，使其可信度降低。
随着信息系统的引入，上述两种仿真模式对于信息过程的描述均存在缺失，且无法实现信息与物理的有机交互。虽然存在部分信息系统仿真软件，但无法有效支持信息物理融合仿真。在信息物理融合模型仿真中存在以下两个方面的挑战：仿真模型构建方面：混合仿真模型构建困难，现有信息物理模型在仿真过程中对信息过程和物理过程分别进行仿真，但难以确保模型交互中的组件一致性；仿真过程交互方面：信息模型与物理模型中离散与连续过程交织，动态行为过程难以引入控制仿真过程中。现有的配电物联网仿真测试工具在仿真规模、信息物理融合、软硬件适配等方面均存在瓶颈，难以应对新型配电系统的业务需求。研发配电物联网信息物理交互平台，以实现动态过程复杂、运行控制模式多样的大规模配电物联网仿真的精确稳定计算具有重要意义，可支撑新型配电系统安全高效可靠运行，满足当前电网资源业务中台建设的数据需求。
发明内容
鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。因此，本发明提供了一种基于物理信息模型的数字孪生系统及其运行方法解决目前现有的配电物联网仿真测试工具在仿真规模、信息物理融合、软硬件适配等方面均存在瓶颈，难以应对新型配电系统的业务，现有信息物理模型在仿真过程中对信息过程和物理过程分别进行仿真，但难以确保模型交互中的组件一致性；仿真过程交互方面：信息模型与物理模型中离散与连续过程交织，动态行为过程难以引入控制仿真过程中的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种基于物理信息模型的数字孪生系统，包括：
数据仿真融合模型单元，所述数据仿真融合模型单元采集存储配电物联网所涉及的静态数据和动态数据，并生成第一文件；
电网物理特性模拟仿真单元，所述电网物理特性模拟仿真单元对电网物理模型进行搭建，并能够通过动态数据，实现连续时间尺度上的物理电网过程仿真；
通信网络仿真单元，所述通信网络仿真单元与信息仿真融合模型单元配合，用于模拟各场景下信息流的交互过程；
信息物理联合仿真交互控制单元，所述信息物理联合仿真交互控制单元用于构建独立内存库，实现应用场景模拟、主站模拟以及实现交互与时序同步。
第二方面，本发明提供了一种基于物理信息模型的数字孪生系统的运行方法，所述方法应用于数字孪生系统，包括，
数据仿真融合模型单元采集静态数据和动态数据，生成第一文件，发送所述第一文件至信息物理联合仿真交互控制单元；
信息物理联合仿真交互控制单元对所述第一文件进行解析，依据解析后信息生成信息物理联合仿真交互控制单元所需的基础内存库模型以及搭建电网物理特性模拟仿真单元所需的物理模型；
在电网物理特性模拟仿真单元进行仿真时，接收通信网络仿真单元传输的动态运行数据调整指令，以及，将实时运行结果输出至通信网络仿真单元；
通信网络仿真单元接收所述实时运行结果，并结合信息仿真融合模型单元构建相应的模型，所述相应的模型进行连续时间上的双向信息过程仿真；
信息物理联合仿真交互控制单元生成控制指令，经由交互模块下发至通信网络仿真单元中，实现主站指令下发模拟；通过内存库结合求解器实现应用场景模拟；通过交互模块实现交互与时序同步。
作为本发明所述的基于物理信息模型的数字孪生系统运行方法的一种优选方案，其中：所述静态数据和动态数据包括，电网设备与电气拓扑静态数据、电网量测与状态事件动态数据以及信息过程描述数据。
作为本发明所述的基于物理信息模型的数字孪生系统运行方法的一种优选方案，其中：所述搭建电网物理特性模拟仿真单元所需的物理模型，包括，
信息物理联合仿真交互控制单元中的仿真交互模型生成模块对所述第一文件进行转译；
所述仿真交互模型生成模块读取联合仿真交互控制模块中的内存库模型，并生成电网物理特性模拟仿真单元可识别的文件格式；
电网物理特性模拟仿真单元以识别后的信息为依据生成物理模型的架构和初值，设置运行网络参数与初始状态。
作为本发明所述的基于物理信息模型的数字孪生系统运行方法的一种优选方案，其中：所述相应的模型进行连续时间上的双向信息过程仿真，包括，
从主站利用信息物理联合仿真交互控制单元进行模拟，下发指令到控制终端；
以及，从物理电网连续变化状态下进行信息采集，再传输回主站；
作为本发明所述的基于物理信息模型的数字孪生系统运行方法的一种优选方案，其中：所述相应的模型进行连续时间上的双向信息过程仿真，还包括，
当需要在仿真过程中增加通信异常信息事件时，通过信息物理联合仿真交互控制单元下发通信属性改变指令至通信网络仿真单元，实现仿真过程中通信属性的动态调整。
作为本发明所述的基于物理信息模型的数字孪生系统运行方法的一种优选方案，其中：所述信息物理联合仿真交互控制单元生成控制指令，包括，
信息物理联合仿真交互控制单元通过所述第一文件读取原始网架与初始量测信息，存入内存库中；
信息物理联合仿真交互控制单元中的场景模拟模块基于内存库进行应用计算，从而生成控制指令。
作为本发明所述的基于物理信息模型的数字孪生系统运行方法的一种优选方案，其中：所述信息物理联合仿真交互控制单元通过内存库结合求解器实现应用场景模拟，包括，
通过所述第一文件导入历史数据、实时数据、网架数据，生成对应的模型，发送至电网物理特性模拟仿真单元；
将信息网络数据传入通信网络仿真单元，依据场景中存在的问题选择适合的算法，所述算法调用求解器进行结果计算；
所述控制指令下经由交互模块下发至通信网络仿真单元中，通过通信网络仿真单元发送至电网物理特性模拟仿真单元，通过电网物理特性模拟仿真单元来模拟换相指令执行过程，执行后的效果会反向发送至通信网络仿真单元，通过通信网络仿真单元回到信息物理联合仿真交互控制单元，实现控制全流程的模拟。
作为本发明所述的基于物理信息模型的数字孪生系统运行方法的一种优选方案，其中：所述信息物理联合仿真交互控制单元中的交互控制模块实现交互与时序同步，包括，
电力系统中的迭代事件和通信网络中的网络事件根据自身的时间戳，按照时间的先后顺序依次混合排列在全局事件列表中；
全局事件调度器每次从所述全局事件列表中取靠前事件先执行，同时在同一时间仅有一个事件会被执行；
如果有交互请求，则交互事件均根据时间顺序填入到全局事件列表中，由全局事件调度器立即调度执行。
作为本发明所述的基于物理信息模型的数字孪生系统运行方法的一种优选方案，其中：所述信息物理联合仿真交互控制单元还包括事件驱动模块，通过事件驱动模块，构建信息事件和物理事件，使得连续事件和离散事件加入仿真，包括，
物理、信息元件的工作状态以及全系统的运行状态变化，在满足一定条件后则引发具体CPS事件；
控制命令的执行同时相继触发，形成CPS节点或组件间的交互；
约定不同元件间的信息交互内容和事件触发判据，一个CPS事件由驱动判据，值向量，内部属性，外部属性四个部分组成。
与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明通过数据仿真融合模型单元、电网物理特性模拟仿真单元、通信网络仿真单元以及信息物理联合仿真交互控制单元彼此之间的交互和信息传递，实现连续时间尺度上的物理电网过程仿真，能够模拟各场景下信息流的交互过程；信息物理联合仿真交互控制单元可构建独立内存库，实现应用场景模拟、主站模拟以及实现交互与时序同步。本发明突破传统单个设备或孤立电网仿真的限制，建立集电网、信息网、控制系统于一体的仿真平台，可支持灵活化网架构建、精细化信息过程描述、信息物理复杂交互下的系统验证等功能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明一个实施例所述的基于物理信息模型的数字孪生系统的整体流程示意图；
图2为本发明一个实施例所述的基于物理信息模型的数字孪生系统平台交互示意图；
图3为本发明一个实施例所述的基于物理信息模型的数字孪生系统中信息物理联合仿真交互控制单元核心框架示意图；
图4为本发明第四个实施例所述的基于物理信息模型的数字孪生系统运行方法中基于事件驱动的信息物理交互时序同步机制示意图；
图5为本发明第五个实施例所述的基于物理信息模型的数字孪生系统馈线自动化场景中电网信息物理故障传递模型示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
参照图2，为本发明的一个实施例，提供了一种基于物理信息模型的数字孪生系统，包括：
数据仿真融合模型单元，数据仿真融合模型单元采集存储配电物联网所涉及的静态数据和动态数据，并生成第一文件；
应说明的说，数据仿真融合模型单元负责提供基础数据，具体包括：电网设备与电气拓扑等静态数据、电网量测与状态事件等动态数据和信息过程描述数据。
具体的，电网设备与电气拓扑等静态数据可以包括，10kV电压等级，变电站、线路、开关、变压器、分布式电源等基础设备模型及现场设备列表(现场一次设备CIM模型)、电网一次拓扑数据、电网二次终端描述模型和二次设备连接关系图；电网量测与状态事件等动态数据可以包括，电网优化运行状态下的量测断面(负荷值、分布式电源值、开关状态值)、电网安全运行状态下的量测断面(实际馈线自动化馈线组情况、告警信号、动作信号、故障判断、隔离和恢复逻辑、当前隔离效果)；信息过程描述数据可以包括，路由、汇聚等通信设备参数数据、通信网络连接拓扑数据、通信节点、链路、网络等属性设置数据。
电网物理特性模拟仿真单元，电网物理特性模拟仿真单元对电网物理模型进行搭建，并能够通过动态数据，实现连续时间尺度上的物理电网过程仿真；
应说明的是，电网物理特性模拟仿真单元可使用相对成熟且可满足前述信息物理交互需求的软件(cloudPSS)进行二次开发与接口开发，也可随具体需求及场景不同替换为Matlab，DIgSILENT等。
通信网络仿真单元，通信网络仿真单元与信息仿真融合模型单元配合，用于模拟各场景下信息流的交互过程；
应说明的是，通信网络仿真单元负责描述通信系统与信息逻辑仿真，包括信息生成、传输、等待、执行等逻辑过程描述。其初始网架包括路由、汇聚等通信设备参数数据、通信网络拓扑数据、通信节点/链路/网络等属性数据等。
具体的，可以使用较为成熟的软件进行二次开发，形成平台的通信网仿真模块。同时，考虑到当前原始数据在中台中有所缺失，需要配合信息仿真融合模型单元进行数据补充，从而在通信网络仿真模块中构建相应的模型。
信息物理联合仿真交互控制单元，信息物理联合仿真交互控制单元用于构建独立内存库，实现应用场景模拟、主站模拟以及实现交互与时序同步。
应说明的是，信息物理联合仿真交互控制单元通信模拟与信息同步，支撑通信仿真系统与配电网仿真系统交互，形成完整的信息物理模型仿真验证场景。
实施例2
参照图1-2，为本发明的另一个实施例，提供了一种基于物理信息模型的数字孪生系统的运行方法，包括，
S1：数据仿真融合模型单元采集静态数据和动态数据，生成第一文件，发送第一文件至信息物理联合仿真交互控制单元；
更进一步的，静态数据和动态数据包括，电网设备与电气拓扑静态数据、电网量测与状态事件动态数据以及信息过程描述数据。
优选的，第一文件可以为rdf格式文件，以15min为单位生成。该文件集成多来源数据，通过中台统一处理与整合后生成，可提高交互与量测数据获取效率。
S2：信息物理联合仿真交互控制单元对第一文件进行解析，依据解析后信息生成信息物理联合仿真交互控制单元所需的基础内存库模型以及搭建电网物理特性模拟仿真单元所需的物理模型；
更进一步的，搭建电网物理特性模拟仿真单元所需的物理模型，包括，
信息物理联合仿真交互控制单元中的仿真交互模型生成模块对第一文件进行转译；
仿真交互模型生成模块读取联合仿真交互控制模块中的内存库模型，并生成电网物理特性模拟仿真单元可识别的文件格式；
电网物理特性模拟仿真单元以识别后的信息为依据生成物理模型的架构和初值，设置运行网络参数与初始状态。
S3：在电网物理特性模拟仿真单元进行仿真时，接收通信网络仿真单元传输的动态运行数据调整指令，以及，将实时运行结果输出至通信网络仿真单元；
具体的，电网物理特性模拟仿真模块在网络参数与初始状态设置完成后进行连续时间上的物理过程仿真，其中，动态运行数据调整指令可以包括，开关状态变位、分布式电源出力变化等。
应说明的是，模拟物理网架信息采集这一过程，可以为通信网络仿真模块提供原始量测信息。
S4：通信网络仿真单元接收实时运行结果，并结合信息仿真融合模型单元构建相应的模型，相应的模型进行连续时间上的双向信息过程仿真；
更进一步的，相应的模型进行连续时间上的双向信息过程仿真，包括，
从主站利用信息物理联合仿真交互控制单元进行模拟，下发指令到控制终端；
应说明的是，此步骤目的是从而可以影响物理电网仿真这一过程；
以及，从物理电网连续变化状态下进行信息采集，再传输回主站；
更进一步的，相应的模型进行连续时间上的双向信息过程仿真，还包括，
当需要在仿真过程中增加通信异常信息事件时，通过信息物理联合仿真交互控制单元下发通信属性改变指令至通信网络仿真单元，实现仿真过程中通信属性的动态调整。
S5：信息物理联合仿真交互控制单元生成控制指令，经由交互模块下发至通信网络仿真单元中，实现主站指令下发模拟；通过内存库结合求解器实现应用场景模拟；通过交互模块实现交互与时序同步。
更进一步的，信息物理联合仿真交互控制单元生成控制指令，包括，
信息物理联合仿真交互控制单元通过第一文件读取原始网架与初始量测信息，存入内存库中；
信息物理联合仿真交互控制单元中的场景模拟模块基于内存库进行应用计算，从而生成控制指令。
应说明的是，要实现主站指令下发模拟是由于实际控制中，信号通常从主站中发出，在传统物理网仿真中无法考虑从主站到终端的信息传输过程，为了实现更贴近真实场景的控制，可利用联合仿真交互控制模块进行主站模拟，实现采集信息交互流程与反馈流程仿真。
更进一步的，信息物理联合仿真交互控制单元通过内存库结合求解器实现应用场景模拟，包括，
通过第一文件导入历史数据、实时数据、网架数据，生成对应的模型，发送至电网物理特性模拟仿真单元；
将信息网络数据传入通信网络仿真单元，依据场景中存在的问题选择适合的算法，算法调用求解器进行结果计算；
控制指令下经由交互模块下发至通信网络仿真单元中，通过通信网络仿真单元发送至电网物理特性模拟仿真单元，通过电网物理特性模拟仿真单元来模拟换相指令执行过程，执行后的效果会反向发送至通信网络仿真单元，通过通信网络仿真单元回到信息物理联合仿真交互控制单元，实现控制全流程的模拟。
应说明的是，考虑到电网物理特性模拟仿真单元难以对控制过程进行有效内嵌，尤其是面对馈线自动化、优化等对模型和算法求解具有较高需求的应用场景，因此独立构建内存库，并依赖改内存库打造应用模块及其求解器，实现复杂应用场景模拟。
更进一步的，信息物理联合仿真交互控制单元中的交互控制模块实现交互与时序同步，包括，
电力系统中的迭代事件和通信网络中的网络事件根据自身的时间戳，按照时间的先后顺序依次混合排列在全局事件列表中；
全局事件调度器每次从全局事件列表中取靠前事件先执行，同时在同一时间仅有一个事件会被执行；
如果有交互请求，则交互事件均根据时间顺序填入到全局事件列表中，由全局事件调度器立即调度执行。
更进一步的，信息物理联合仿真交互控制单元还包括事件驱动模块，通过事件驱动模块，构建信息事件和物理事件，使得连续动态运行过程的离散事件加入通过事件驱动模块，构建信息事件和物理事件，使得连续事件和离散事件加入仿真，包括，
物理、信息元件的工作状态以及全系统的运行状态变化，在满足一定条件后则引发具体CPS事件；
控制命令的执行同时相继触发，形成CPS节点或组件间的交互；
约定不同元件间的信息交互内容和事件触发判据，一个CPS事件由驱动判据，值向量，内部属性，外部属性四个部分组成。
应说明的是，由于同时沟通物理网仿真与信息网络仿真两大模块，两者对外的接口模型与格式具有较大差异。同时，物理过程仿真与信息过程仿真中会因为事件驱动模型导致连续过程被打断，通过离散的事件变化，进入新的连续过程进行仿真，这就要求信息过程与物理过程的时序能够完全配合，因此需要通过联合仿真交互控制模块实现交互与时序同步。
实施例3
参照图2-3和表1-2，为本发明的另一个实施例，提供了一种基于物理信息模型的数字孪生系统的应用场景，以凸显系统的可实施性。
首先，以潮流计算为例，对电网物理特性模拟仿真单元稳态建模中的一些重要模型进行介绍：
①母线
用于抽象潮流计算中的节点。所有其他潮流模型都必须直接或通过短路线连接到母线上。官方元件三相交流母线即使用了此模型。
该模型包含以下参数：
表1母线模型参数表
②传输线
用于抽象传输线Π形集总电路模型。官方元件三相传输线即使用了此模型。
该模型包含以下参数：
表2传输线模型参数表
电网物理特性模拟仿真单元SDK包含模型层、算法层和应用层三种开发套件，其中：
模型层开发套件帮助用户在潮流计算、电磁暂态仿真、综合能源能量流计算等内核中开发第三方模型或用户自定义模型。
算法层开发套件帮助用户集成自己的算法内核，从而借助平台快速开发并部署自己的计算应用。
应用层开发套件帮助用户在利用脚本的形式快速调用计算内核和第三方接入的计算内核，从而方便用户开发高级计算分析应用。
其次，通信网络仿真单元是一个网络仿真器，依托于开源软件Miniet进行实现。它在单个Linux内核上运行一系列终端主机、交换机、路由器和链路，使用轻量级虚拟化使单个系统看起来像一个完整的网络，运行相同的内核、系统和用户代码。通常可以创建类似于硬件网络的通信网络仿真单元网络，或类似于通信网络仿真单元的硬件网络，并在任一平台上运行相同的二进制代码和应用程序。
建模模拟网络拓扑步骤如下：
构建网络拓扑：使用相关命令建立关于路由器，交换机，主机等的网络拓扑。
添加组件：根据相应规则添加网络组件。
主机属性设置：在主机属性中设置，如分配IP等
交换机属性设置：在交换机属性中进行设置，包括转发规则等。
控制器属性设置。
置Mac地址：设置Mac地址的作用是增强设备MacC地址的易读性，即将交换机和主机的Mac地址设置为一个较小的、唯一的、易读的ID，以便在后续工作中减少对设备识别的难度。
设置链路属性：链路属性可以是默认Link及TCLink。将链路类型指定为TC后，可以进一步指定具体参数。
查看：创建通信网络仿真单元拓扑成功后，一般可用nodes、dump、net等基本命令查看拓扑的节点、链路及网络等。
测试网络：展示所有的网络信息，所有节点的ping测试，也可实现点对点信息传输等工作。
通信网络仿真单元除了创建默认的网络拓扑之外，还提供了丰富的参数设定方式用来设定网络拓扑、交换机、控制器、MAC地址、链路属性等，以满足使用者在仿真过程中多样性的需求。其中，选取的Mininet作为一款模拟SDN网络的软件，其实验结果几乎可以不做任何修改应用到实际硬件中。通过实验数据所得，使用Mininet模拟的网络带宽与真实的SDN网络相似，其传输带宽性能与运行其的主机性能成正相关。同一个SDN网络，接入的交换机或者主机越多，整体的传输特性会下降，SDN网络真实部署时，一个交换机或者局域网其接入主机个数应该有上限，否则会使整个局域网传输带宽下降。
最后，信息物理联合仿真交互控制单元以rdf文件为基础之上构建，信息物理联合仿真交互控制单元为数据层、服务层和应用层三部分，具体可见图3；
数据层汇集了电网模型数据、实时数据、操作数据、应用配置数据等内容；
服务层提供了内存库接口服务、基础模型同步服务、量测数据同步服务、应用管理服务和应用执行服务；
应用层部署应用模块，完成相应的分析计算逻辑功能。
实施例4
参照图1、2和4，为本发明的另一个实施例，提供了一种基于物理信息模型的数字孪生系统运行方法的应用场景，以显示方法的可实现性。
(1)针对信息物理联合仿真交互控制单元通过内存库结合求解器实现应用场景模拟。
方法为：通过第一文件导入历史数据、实时数据、网架数据，生成对应的模型，发送至电网物理特性模拟仿真单元；将信息网络数据传入通信网络仿真单元，依据场景中存在的问题选择适合的算法，算法调用求解器进行结果计算；控制指令下经由交互模块下发至通信网络仿真单元中，通过通信网络仿真单元发送至电网物理特性模拟仿真单元，通过电网物理特性模拟仿真单元来模拟换相指令执行过程，执行后的效果会反向发送至通信网络仿真单元，通过通信网络仿真单元回到信息物理联合仿真交互控制单元，实现控制全流程的模拟。
以380V台区下三相不平衡分析”场景为例：
由于用户接入随机性，低压配电台区会产生三相负荷的不平衡。而台区三相不平衡会使末端三相电压不平衡，由于零线上流过很大电流产生压降较大，末端用户的中性点发生了偏移，造成有些相电压过高，用户用电器绝缘老化，使用寿命减少和台区线损增大；有些相用户电压过低，部分用电器无法启动，直接影响了用户的用电体验。另外，台区三相不平衡也会致使台区线损增大。在三相基本平衡的台区，线路及配变的三相容量能够得到了充分利用，理论上零线上无电流流过不产生损耗。而在三相不平衡的台区，线路及变压器三相流过的电流不相等，零线上也流过电流，造成线路及配变损耗增大。因此，需要对三相不平衡的现象进行调整，结合实际情况，可通过对台区下用户一段时间的电量数据进行分析，通过一定的算法调整用户相别达到台区三相基本平衡。
这一场景中首先通过第一文件导入历史数据、实时数据、网架数据，然后生成对应的模型，传入电网物理特性模拟仿真单元，将信息网络数据传入通信网络仿真单元。通过获取到380V台区下光伏和负荷的历史数据之后，计算对于该台区下用户的最佳相别，通过算法调相，这里的算法可以调用求解器，先模拟出台区下用户处于不同相别的所有情况，再用台区下用户过去一天96个点的历史量测数据(量测值为功率)，对不同情况进行方差和的运算比较，从而获得动态调相指令。此处，信息物理联合仿真交互控制单元可以模拟动态调相指令生成过程，即为应用场景模拟过程，更进一步的会模拟动态调相指令下发效果，将动态调相指令下发给通信网络仿真单元，模拟信息在信息网中的流转过程，然后通过通信网络仿真单元发送至电网物理特性模拟仿真单元，通过电网物理特性模拟仿真单元来模拟换相指令执行过程，执行后的效果，即：仿真电网的量测值，会反向发送至通信网络仿真单元，通过通信网络仿真单元回到信息物理联合仿真交互控制单元，实现控制全流程的模拟。
应说明的是，场景还可以是380V台区下大规模光伏接入倒送、10kV馈线级光伏接入功率预测分析、电动汽车管理等内容。
(2)针对信息物理联合仿真交互控制单元中的交互控制模块实现交互与时序同步。
方法为：电力系统中的迭代事件和通信网络中的网络事件根据自身的时间戳，按照时间的先后顺序依次混合排列在全局事件列表中；
全局事件调度器每次从全局事件列表中取靠前事件先执行，同时在同一时间仅有一个事件会被执行；
如果有交互请求，则交互事件均根据时间顺序填入到全局事件列表中，由全局事件调度器立即调度执行。
此外，可见图4：
全局事件调度器会检查全局事件列表，若下一个事件为迭代事件，全局事件调度器会先暂停网络仿真器，将控制权交给电力系统仿真器来运行迭代事件，电力系统迭代事件运行结束之后，电力系统仿真就会放弃控制权，将控制权归还给全局事件调度器；若下一事件为网络事件，全局事件调度器就会将控制权交给通信网络仿真器，由通信网络仿真器来运行网络事件，当通信网络事件运行结束之后，仿真控制权由会归还给全局事件调度器，继续由全局事件调度器进行事件检查，并移交控制权，，以此类推，直到仿真结束。
(3)针对信息物理联合仿真交互控制单元还包括事件驱动模块，通过事件驱动模块，构建信息事件和物理事件，使得连续事件和离散事件加入仿真。
方法为：物理、信息元件的工作状态以及全系统的运行状态变化，在满足一定条件后则引发具体CPS事件；
控制命令的执行同时相继触发，形成CPS节点或组件间的交互；
约定不同元件间的信息交互内容和事件触发判据，一个CPS事件由驱动判据，值向量，内部属性，外部属性四个部分组成。
具体的，基于符号化的事件模型，约定不同元件间的信息交互内容和事件触发判据，用于刻画多个CPS元件间的协同交互逻辑，其定义为：
tg，tr：＝<t1，t2>
<：＝(|[
>：＝)|]
og，or∈OCPS
驱动判据<pr>的形式为逻辑命题表达式,决定事件ξCPS产生与否。根据驱动判据的具体形式,可以将事件驱动划分为定时驱动与即时驱动两种类型。前者对应于以轮询的方式在预设时刻周期性驱动的事件(如周期性的控制命令下发),其逻辑命题表达式通常与时标相关,并具有结构；后者对应于只要满足特定逻辑命题则立即触发的事件(如检测到频率过低,立即启动切负荷操作)，其表达式为更加一般化的简单或复合逻辑命题，如/>
Γ是CPS事件实例的类型标识符，指示了该事件的类型(如量测事件/控制事件/模态迁移事件等)。事件类型的集合需结合具体应用场景，进行全局预定义。除了具备指示事件类型的作用，类型标识符Γ在后文介绍的事件复合操作中也会用到。值向量a用于传递事件类型对应的的物理量值/信息量值，如功率目标值设定事件中，a可以用于传递目标功率的数值；模态迁移事件中，可以用于传递逻辑变量，以表征运行模态的跃迁。
源属性元组<tg，og>指明了事件发生时间tg，事件发生的源对象og；当o8∈Ωinerr系统内部对象的集合)时，该事件被称为内部事件；当og∈Ωout时，表明事件源来源于系统外部(如灾害，与其他系统的交互)，称为外部事件。
汇属性元组<tr，or>由事件汇对象or，以及事件汇对象的接收到事件的时间t′构成。汇属性用于描述事件将由哪一CPS对象进行处理。
根据上述事件驱动模型的定义，可将状态迁移事件(元件运行状态迁移，系统控制模式切换)视作一般化CPS事件在og＝or，t8＝tr情况下的特例；因此，事件驱动模型实现了状态迁移事件、通讯交互事件的统一建模。
实施例5
参照图1-2和图5，为本发明的另一个实施例，提供了一种基于物理信息模型的数字孪生系统运行方法的应用场景，以凸显方法的有益效果。
建立了集中式馈线自动化模式下的配网CPS故障传导模型。
该模型以量测数据和指令信号作为媒介，实现不同层级间的动态闭环控制，如图5所示。
配网CPS中不同层级具备不同的功能特性和防护水平，攻击者可针对不同层级的特点采取不同的攻击方式来对配电网的运行造成影响。
控制层以采样得到的量测数据为基础，通过馈线自动化算法实现对物理层故障的定位，并下发指令信号到终端设备以实现物理层故障的隔离、转供。其中量测数据为物理层不同开关的过流情况，执行指令为开关的分合闸控制指令。理论上，控制层遭受攻击对整个配电网的危害性最大，但由于其信息安全防护级别最高，针对控制层的信息攻击成功率低、难度大。
接入层中存在大量的智能设备及通信链路，且采用标准化的通讯协议，这些都降低了接入层受到信息攻击的门槛。攻击者针对数据可用性发动信息攻击，如Dos攻击、黑洞攻击，造成设备拒绝服务、通讯延迟/中断；也可针对数据完整性发动信息攻击，如错误数据注入攻击、中间人攻击以实现对数据的篡改。本文所限定的控制模式下，无论攻击者对接入层发动何种形式的信息攻击，均可归结为对量测数据或指令信号的影响。因此，故障传导模型可以通过模拟受到影响后的量测数据或指令信号来模拟接入层遭受的信息攻击。
物理层模拟配电网中开关响应和潮流变化过程。一方面，分段开关和联络开关的分合闸状态受到接入层终端设备的指令信号的控制，从而实现对线段故障区域的隔离；另一方面，当物理线段发生故障时，会造成电网潮流发生变化，进而导致量测数据的变化。
相比传统的电力系统，配网CPS故障的种类更加繁多。此处，梳理了根据不同故障的特点，将配网CPS中故障划分以下三类：
1)物理故障:物理层线段发生故障。通常该类故障发生时，馈线自动化算法可控制相应开关以实现对故障的隔离及负荷的转供，从而将故障影响范围限制在一定区域内。
2)信息故障:指信息系统组件发生故障。信息故障既可能对电力系统的运行造成影响，也可能以隐性故障的形式存在。隐性信息故障并不能直接对电力系统造成损害，往往需要与物理故障协同才能对电力系统造成影响，例如在物理层未发生故障时，配电终端设备拒绝服务不会影响系统的稳定运行。
3)信息-物理协同故障:物理层线段和信息系统组件同时或相继发生故障。该类型故障的特点是故障间可以相互配合，且在不同层级间交替迭代，对电力系统造成较大影响，通常该类故障对电力系统的危害性大于单独的信息故障与物理故障的危害性之和。
通过以上关于实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，本发明可借助软件及必需的通用硬件来实现，当然也可以通过硬件实现，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如计算机的软盘、只读存储器(ReadOnly，Memory，ROM)、随机存取存储器(RandomAccess Memory，RAM)、闪存(FLASH)、硬盘或光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例的方法。
应说明的是，以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种基于物理信息模型的数字孪生系统，其特征在于，包括：
数据仿真融合模型单元，所述数据仿真融合模型单元采集存储配电物联网所涉及的静态数据和动态数据，并生成第一文件；
电网物理特性模拟仿真单元，所述电网物理特性模拟仿真单元对电网物理模型进行搭建，并能够通过动态数据，实现连续时间尺度上的物理电网过程仿真；
通信网络仿真单元，所述通信网络仿真单元与信息仿真融合模型单元配合，用于模拟各场景下信息流的交互过程；
信息物理联合仿真交互控制单元，所述信息物理联合仿真交互控制单元用于构建独立内存库，实现应用场景模拟、主站模拟以及实现交互与时序同步；
其中，数据仿真融合模型单元采集静态数据和动态数据，生成第一文件，发送所述第一文件至信息物理联合仿真交互控制单元；
信息物理联合仿真交互控制单元对所述第一文件进行解析，依据解析后信息生成信息物理联合仿真交互控制单元所需的基础内存库模型以及搭建电网物理特性模拟仿真单元所需的物理模型；
在电网物理特性模拟仿真单元进行仿真时，接收通信网络仿真单元传输的动态运行数据调整指令，以及，将实时运行结果输出至通信网络仿真单元；
通信网络仿真单元接收所述实时运行结果，并结合信息仿真融合模型单元构建相应的模型，所述相应的模型进行连续时间上的双向信息过程仿真；
所述相应的模型进行连续时间上的双向信息过程仿真，包括，
从主站利用信息物理联合仿真交互控制单元进行模拟，下发指令到控制终端；
以及，从物理电网连续变化状态下进行信息采集，再传输回主站；
所述相应的模型进行连续时间上的双向信息过程仿真，还包括，
当需要在仿真过程中增加通信异常信息事件时，通过信息物理联合仿真交互控制单元下发通信属性改变指令至通信网络仿真单元，实现仿真过程中通信属性的动态调整；
信息物理联合仿真交互控制单元生成控制指令，经由交互模块下发至通信网络仿真单元中，实现主站指令下发模拟；通过内存库结合求解器实现应用场景模拟；通过交互模块实现交互与时序同步；
其中，所述信息物理联合仿真交互控制单元通过内存库结合求解器实现应用场景模拟，包括，
通过所述第一文件导入历史数据、实时数据、网架数据，生成对应的模型，发送至电网物理特性模拟仿真单元；
将信息网络数据传入通信网络仿真单元，依据场景中存在的问题选择适合的算法，所述算法调用求解器进行结果计算；
所述控制指令下经由交互模块下发至通信网络仿真单元中，通过通信网络仿真单元发送至电网物理特性模拟仿真单元，通过电网物理特性模拟仿真单元来模拟换相指令执行过程，执行后的效果会反向发送至通信网络仿真单元，通过通信网络仿真单元回到信息物理联合仿真交互控制单元，实现控制全流程的模拟。
2.如权利要求1所述的基于物理信息模型的数字孪生系统，其特征在于，所述静态数据和动态数据包括，电网设备与电气拓扑静态数据、电网量测与状态事件动态数据以及信息过程描述数据。
3.如权利要求2所述的基于物理信息模型的数字孪生系统，其特征在于，所述搭建电网物理特性模拟仿真单元所需的物理模型，包括，
信息物理联合仿真交互控制单元中的仿真交互模型生成模块对所述第一文件进行转译；
所述仿真交互模型生成模块读取联合仿真交互控制模块中的内存库模型，并生成电网物理特性模拟仿真单元可识别的文件格式；
电网物理特性模拟仿真单元以识别后的信息为依据生成物理模型的架构和初值，设置运行网络参数与初始状态。
4.如权利要求3所述的基于物理信息模型的数字孪生系统，其特征在于，所述信息物理联合仿真交互控制单元生成控制指令，包括，
信息物理联合仿真交互控制单元通过所述第一文件读取原始网架与初始量测信息，存入内存库中；
信息物理联合仿真交互控制单元中的场景模拟模块基于内存库进行应用计算，从而生成控制指令。
5.如权利要求4所述的基于物理信息模型的数字孪生系统，其特征在于，所述信息物理联合仿真交互控制单元中的交互控制模块实现交互与时序同步，包括，
电力系统中的迭代事件和通信网络中的网络事件根据自身的时间戳，按照时间的先后顺序依次混合排列在全局事件列表中；
全局事件调度器每次从所述全局事件列表中取靠前事件先执行，同时在同一时间仅有一个事件会被执行；
如果有交互请求，则交互事件均根据时间顺序填入到全局事件列表中，由全局事件调度器立即调度执行。
6.如权利要求5所述的基于物理信息模型的数字孪生系统，其特征在于，所述信息物理联合仿真交互控制单元还包括事件驱动模块，通过事件驱动模块，构建信息事件和物理事件，使得连续事件和离散事件加入仿真，包括，
物理、信息元件的工作状态以及全系统的运行状态变化，在满足一定条件后则引发具体CPS事件；
控制命令的执行同时相继触发，形成CPS节点或组件间的交互；
约定不同元件间的信息交互内容和事件触发判据，一个CPS事件由驱动判据，值向量，内部属性，外部属性四个部分组成。
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