CN117526225A - 一种基于数字孪生的配电网短路电流计算方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于数字孪生的配电网短路电流计算方法及装置，包括以下步骤：对配电系统进行数据采集；构建包含新能源发电单元的新型配电系统数字孪生模型；对短路电流进行计算；将短路电流计算结果进行可视化展示。通过本专利提出的基于数字孪生配电网短路电流计算方法及装置，可以构建包含新能源发电单元的新型配电系统数字孪生模型，并对短路电流计算结果进行可视化展示，由于采用了配电网物理模型及数学模型自动构建方法，数模融合建模技术，数据流及业务流建模方法，提高了业务应用计算效率，减轻了电网调度及规划人员的负担。
Description
技术领域
本发明属于配电网技术领域，具体涉及一种基于数字孪生的配电网短路电流计算方法及装置。
背景技术
配电网短路电流计算是电力系统规划、设计、运行、事故分析、继电保护与自动装置整定计算和工况分析的基础，短路电流水平会明显影响系统的安全性、稳定性、可靠性及经济性，短路故障可能造成设备损坏，缩短设备使用寿命，严重情况下导致系统奔溃，因此，进行大量的故障数值计算及短路电流整定分析十分重要。
传统的基于潮流结果的短路电流计算方法需要逐一输入配电网相关信息，包括传输线、变压器、负荷等设备信息，图层，地理信息坐标、引脚连接关系等拓扑信息，并在此基础上进行潮流计算，相序变换，网络方程求解等步骤。随着电网规模的逐渐庞大，该方法在数据录入阶段需要花费更多的时间及精力，导致计算效率低下。当系统拓扑发生改变时，需要进行数据的重新录入，使日常维护变得更加困难。
与此同时，随着新型发电单元，移动式储能，电动汽车等电力电子装置大量并网，传统配电网逐渐转变为高比例新能源与高比例电子电子设备的“双高”特征的新型配电系统，为系统短路电流计算及继保保护整定计算带来了新的挑战。传统的基于潮流的短路电流计算方法无法考虑新型发电单元，储能系统，电力电子装置的详细动态运行特征而不再适用。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足，而提供一种基于数字孪生的配电网短路电流计算方法及装置，提高了业务应用计算效率，减轻了电网调度及规划人员的负担，为新型配电系统安全可靠运行提供一定的指导意义。
本发明的目的是这样实现的：一种基于数字孪生的配电网短路电流计算方法，所述的方法包括以下步骤：
步骤1：对配电系统进行数据采集；
步骤2：构建包含新能源发电单元的新型配电系统数字孪生模型；
步骤3：对短路电流进行计算；
步骤4：将短路电流计算结果进行可视化展示。
所述的步骤1中，数据采集种类包括负荷数据、设备运行数据、新能源出力数据及开关状态数据，为数字孪生模型提供数据支撑。
所述的步骤2中，所述的数字孪生模型包括物理模型，数学模型及数模驱动模型，物理模型主要是对配电网拓扑结构，线路走向，连接关系进行识别，数学模型是对配电网传输线，变压器，负荷，电压源等设备运行机理及典型特性进行建模，数模驱动模型是结合量测数据及知识数据对较为复杂的设备进行建模，包括负荷预测模型，新能源发电模型。
所述的步骤3中，短路电流算法是适用于含分布式电源的新型配电系统短路电流计算方法，采用潮流计算及电磁暂态仿真内核，并结合并网仿真计算及异构计算资源实现新型配电系统详细暂态仿真运行，并获取短路电流计算结果。
所述的步骤4中，可视化展示包括数据流模型展示，业务流模型展示及Web页面展示，通过研究数字孪生量测数据，运行数据，仿真数据，历史数据，资产数据，业务传输数据等存储格式及存储方法，建立不同数据间的关联关系及交互机制，构建数字孪生数据流模型，整理数字孪生应用流程建模及部署逻辑构建数字孪生业务，通过Web服务器前端界面进行数据及业务展示。
建立配电网物理模型及数学模型时，通过一种配电网暂态仿真模型自动构建方法，首先对电网XML数据进行解析，整理并获取设备电磁暂态建模所需数据字段，然后根据不同设备类型及输入数据进行电磁暂态自动建模。
得到各元件的电磁暂态等值模型后，通过电磁暂态仿真内核进行暂态仿真，并得到系统短路电流及电压分布结果。
一种基于数字孪生的配电网短路电流计算装置，它包括数据采集模块、数字孪生建模模块、短路电流算法开发模块和可视化展示模块，所述的数据采集模块包括量测装置、数字传感器、智能电表，环境传感器、机器传感器及物联网设备，所述的数字孪生建模模块包括物理模型，数学模型及数据模型驱动模型，所述的短路电流算法开发模块包括仿真内核、仿真接口及加速技术模块，所述的可视化展示模块包括数据流模型、业务流模型及Web页面展示模块。
本发明的有益效果：本发明提出了一种基于数字孪生的配电网短路电流计算方法及装置，可以构建包含新能源发电单元的新型配电系统数字孪生模型，并对短路电流计算结果进行可视化展示，由于采用了配电网物理模型及数学模型自动构建方法，数模融合建模技术，数据流及业务流建模方法，克服了传统的通过潮流计算结果，相序变化及网络方程求解的方法存在的计算步骤繁琐，并且当系统拓扑发生改变时，需要重新搭建拓扑，费时费力的缺点，同时，本专利电路电流计算采用电磁暂态仿真内核，可以考虑新能源发电单元详细的运行特性，相比传统短路电流计算方法结果，本方法具有更加准确的优点。
附图说明
图1为本发明的整体框架流程图。
图2为本发明的配电网传输线数学模型图。
图3为本发明的配电网传输线诺顿等效电路模型图。
图4为本发明的配电网XML文件传输线信息图。
图5为本发明的母线电压短路计算结果图。
图6为本发明的支路电流短路计算结果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
实施例
如图1-6所示，一种基于数字孪生的配电网短路电流计算方法，所述的方法包括以下步骤：
步骤1：对配电系统进行数据采集；
步骤2：构建包含新能源发电单元的新型配电系统数字孪生模型；
步骤3：对短路电流进行计算；
步骤4：将短路电流计算结果进行可视化展示。
所述的步骤1中，数据采集种类包括负荷数据、设备运行数据、新能源出力数据及开关状态数据，为数字孪生模型提供数据支撑。
所述的步骤2中，所述的数字孪生模型包括物理模型，数学模型及数模驱动模型，物理模型主要是对配电网拓扑结构，线路走向，连接关系进行识别，数学模型是对配电网传输线，变压器，负荷，电压源等设备运行机理及典型特性进行建模，数模驱动模型是结合量测数据及知识数据对较为复杂的设备进行建模，包括负荷预测模型，新能源发电模型。
所述的步骤3中，短路电流算法是适用于含分布式电源的新型配电系统短路电流计算方法，采用潮流计算及电磁暂态仿真内核，并结合并网仿真计算及异构计算资源实现新型配电系统详细暂态仿真运行，并获取短路电流计算结果。
所述的步骤4中，可视化展示包括数据流模型展示，业务流模型展示及Web页面展示，通过研究数字孪生量测数据，运行数据，仿真数据，历史数据，资产数据，业务传输数据等存储格式及存储方法，建立不同数据间的关联关系及交互机制，构建数字孪生数据流模型，整理数字孪生应用流程建模及部署逻辑构建数字孪生业务，通过Web服务器前端界面进行数据及业务展示。
建立配电网物理模型及数学模型时，通过一种配电网暂态仿真模型自动构建方法，首先对电网XML数据进行解析，整理并获取设备电磁暂态建模所需数据字段，然后根据不同设备类型及输入数据进行电磁暂态自动建模。
以传输线为例：图2和图3分别为传输线的数学模型和诺顿等效电路模型，为了实现配电网传输线诺顿等值模型建模，需要获取的传输线的输入数据如表1所示：
| 传输线 |
| -额定频率 |
| -线路长度 |
| -传输线模型种类 |
| -额定电压 |
| -额定容量 |
| -传输线类型 |
表1：传输线电磁暂态仿真参数
图4为在XML文件中找到传输线暂态仿真模型对应参数，
可以建立XML文件与传输线电磁暂态仿真参数对应关系如表2所示：
表2：XML文件与传输线电磁暂态仿真参数对应关系
同理，可以建立配电网XML文件中变压器，电容器，隔离开关，电容器等设备与相应电磁暂态模型对应关系，通过对应关系，可以实现配电网变压器，电容器，隔离开关，电容器等设备电磁暂态模型快速生成，当输入设备部分参数需要修正或拓扑结构变化时，只需要更新相应的XML文件即可。
数模融合建模技术
通过数模融合驱动技术对负荷暂态模型进行建模，利用增长因子法对负荷消耗功率进行预测。该方法基于历史数据和未来规划，通过设定电力增长率来估计未来的用电量。这种方法有助于规划者和决策者了解未来需求趋势，以确保电力供应与需求相匹配。
该方法的基础公式如下所示：
At＝A0(1+K)t
式中：At为预测期需要的用电量；A0为基年的实际用电量；K为预测期采用的电力增长率；t为基年至预测目标年间隔的年数。
短路电路计算模块
得到各元件的电磁暂态等值模型后，通过电磁暂态仿真内核进行暂态仿真，并得到系统短路电流及电压分布结果。
电磁暂态仿真内核主要包括以下几个步骤：
(1)诺顿等值建模
通过各元件运行方程及状态特性建立其诺顿等值电路，诺顿等值电路由等效电流源和并联导纳组成，可以完全模拟其动态特征。
(2)潮流初始化启动
通过潮流计算初始化各设备电磁暂态状态，包括母线电压，负荷电压，光伏，风机等分布式电源启动电压等，潮流初始化启动可以帮忙系统快速收敛。
(3)计算系统节点导纳矩阵
通过各元件诺顿等值电路并联导纳，并结合系统拓扑结构及元件连接关系，对系统节点导纳矩阵进行计算。
(4)计算各元件诺顿等值电流
通过各元件诺顿等值电路诺顿等值电流表达式计算各元件诺顿等值电流。
(5)计算节点电压及支路电流
通过系统节点导纳矩阵，并通过基尔霍夫电流法和基尔霍夫电压法等电路分析原理，计算节点电压及支路电流。
将上述步骤在时间步进中进行迭代求解，以模拟系统的动态响应，从而得到系统短路电流分布。
可视化展示方法
可视化展示主要包括数据流模型构建，业务流模型构建及Web页面展示。
(1)数据流建模
通过ER图(实体关系图)进行数据流建模，主要包括以下步骤：
1)确定物理实体及属性
物理实体及属性主要包括发电机、传输线、变压器，开关等设备的运行数据，量测数据，仿真数据等。
2)确定物理实体之间的关系
确定物理实体之间的关系以及这些关系的类型，例如，短路电流的仿真结果依赖电压器，传输线等设备的基础参数。
3)确定物理实体之间的关系
使用标准的ER图符号和图形来表示实体、属性和关系。
(2)业务流建模
采用BPMN(Business Process Model and Notation)进行业务流建模，描述数字孪生应用的运作方式，主要包括以下内容：
1)确定业务流程边界
2)标记过程活动
3)绘制业务流程图
4)定义活动属性
5)建立决策点
6)绘制顺序流
(3)Web页面展示
Web页面展示主要包括前端开发框架选择，用户页面设计，前端界面开发，数据可视化，用户互动，报表生成，前后端通信等。
具体算例分析；应用本专利提出的基于数字孪生的配电网短路电流计算及装置对一个实际配电网开展测试，该配电网有43条传输线，1个三相交流电压源，106座杆塔，71个联络开关，23条负荷，2座发光发电站，2座风力发电站，5座并联补偿装置，7座公变，建立该系统的数字孪生模型，并计算短路电流。
图5和图6为短路电流计算及可视化结果；
通过案例分析结果可以得出：通过本专利提出的基于数字孪生配电网短路电流计算方法及装置，可以构建包含新能源发电单元的新型配电系统数字孪生模型，并对短路电流计算结果进行可视化展示，由于采用了配电网物理模型及数学模型自动构建方法，数模融合建模技术，数据流及业务流建模方法，提高了业务应用计算效率，减轻了电网调度及规划人员的负担，为新型配电系统安全可靠运行提供一定的指导意义。
一种基于数字孪生的配电网短路电流计算装置，它包括数据采集模块、数字孪生建模模块、短路电流算法开发模块和可视化展示模块，所述的数据采集模块包括量测装置、数字传感器、智能电表，环境传感器、机器传感器及物联网设备，所述的数字孪生建模模块包括物理模型，数学模型及数据模型驱动模型，所述的短路电流算法开发模块包括仿真内核、仿真接口及加速技术模块，所述的可视化展示模块包括数据流模型、业务流模型及Web页面展示模块。
本发明的有益效果：本发明提出了一种基于数字孪生的配电网短路电流计算方法及装置，可以构建包含新能源发电单元的新型配电系统数字孪生模型，并对短路电流计算结果进行可视化展示，由于采用了配电网物理模型及数学模型自动构建方法，数模融合建模技术，数据流及业务流建模方法，克服了传统的通过潮流计算结果，相序变化及网络方程求解的方法存在的计算步骤繁琐，并且当系统拓扑发生改变时，需要重新搭建拓扑，费时费力的缺点，同时，本专利电路电流计算采用电磁暂态仿真内核，可以考虑新能源发电单元详细的运行特性，相比传统短路电流计算方法结果，本方法具有更加准确的优点。
Claims (8)
1.一种基于数字孪生的配电网短路电流计算方法，其特征在于：所述的方法包括以下步骤：
步骤1：对配电系统进行数据采集；
步骤2：构建包含新能源发电单元的新型配电系统数字孪生模型；
步骤3：对短路电流进行计算；
步骤4：将短路电流计算结果进行可视化展示。
2.如权利要求1所述的一种基于数字孪生的配电网短路电流计算方法，其特征在于：所述的步骤1中，数据采集种类包括负荷数据、设备运行数据、新能源出力数据及开关状态数据，为数字孪生模型提供数据支撑。
3.如权利要求1所述的一种基于数字孪生的配电网短路电流计算方法，其特征在于：所述的步骤2中，所述的数字孪生模型包括物理模型，数学模型及数模驱动模型，物理模型主要是对配电网拓扑结构，线路走向，连接关系进行识别，数学模型是对配电网传输线，变压器，负荷，电压源等设备运行机理及典型特性进行建模，数模驱动模型是结合量测数据及知识数据对较为复杂的设备进行建模，包括负荷预测模型，新能源发电模型。
4.如权利要求1所述的一种基于数字孪生的配电网短路电流计算方法，其特征在于：所述的步骤3中，短路电流算法是适用于含分布式电源的新型配电系统短路电流计算方法，采用潮流计算及电磁暂态仿真内核，并结合并网仿真计算及异构计算资源实现新型配电系统详细暂态仿真运行，并获取短路电流计算结果。
5.如权利要求1所述的一种基于数字孪生的配电网短路电流计算方法，其特征在于：所述的步骤4中，可视化展示包括数据流模型展示，业务流模型展示及Web页面展示，通过研究数字孪生量测数据，运行数据，仿真数据，历史数据，资产数据，业务传输数据等存储格式及存储方法，建立不同数据间的关联关系及交互机制，构建数字孪生数据流模型，整理数字孪生应用流程建模及部署逻辑构建数字孪生业务，通过Web服务器前端界面进行数据及业务展示。
6.如权利要求3所述的一种基于数字孪生的配电网短路电流计算方法，其特征在于：建立配电网物理模型及数学模型时，通过一种配电网暂态仿真模型自动构建方法，首先对电网XML数据进行解析，整理并获取设备电磁暂态建模所需数据字段，然后根据不同设备类型及输入数据进行电磁暂态自动建模。
7.如权利要求4所述的一种基于数字孪生的配电网短路电流计算方法，其特征在于：得到各元件的电磁暂态等值模型后，通过电磁暂态仿真内核进行暂态仿真，并得到系统短路电流及电压分布结果。
8.一种基于数字孪生的配电网短路电流计算装置，它包括数据采集模块、数字孪生建模模块、短路电流算法开发模块和可视化展示模块，其特征在于：所述的数据采集模块包括量测装置、数字传感器、智能电表，环境传感器、机器传感器及物联网设备，所述的数字孪生建模模块包括物理模型，数学模型及数据模型驱动模型，所述的短路电流算法开发模块包括仿真内核、仿真接口及加速技术模块，所述的可视化展示模块包括数据流模型、业务流模型及Web页面展示模块。
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