面向新型電力系統(tǒng)的數(shù)字孿生技術(shù)

DepartmentofElectricalEngineeringDigitalTwinTechnologyforaNewTypeofPowerSystems沈沉2021年5月18日沈沉1電機工程與應(yīng)用電子技術(shù)系Departmentof電機工程與應(yīng)用電子技術(shù)系DepartmentofElectricalEngineering01對數(shù)字孿生概念的解讀02傳統(tǒng)電力系統(tǒng)仿真與數(shù)字孿生構(gòu)建電力系統(tǒng)數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)構(gòu)建電力系統(tǒng)數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)04電力系統(tǒng)數(shù)字孿生技術(shù)實踐201對數(shù)字孿生概念的進一步解讀3對數(shù)字孿生概念的進一步解讀對數(shù)字孿生概念的進一步解讀?提出數(shù)字孿生概念的目的是什么？4對數(shù)字孿生概念的進一步解讀對數(shù)字孿生概念的進一步解讀?數(shù)字孿生概念的起源?在2014年他在撰寫的“數(shù)字孿生：通過虛擬工廠復(fù)制實現(xiàn)卓越制造（D5對數(shù)字孿生概念的進一步解讀對數(shù)字孿生概念的進一步解讀>數(shù)字孿生是充分利用對象的物理模型、傳感器更新、運行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程6對數(shù)字孿生概念的進一步解讀對數(shù)字孿生概念的進一步解讀>數(shù)字孿生是在數(shù)字世界中建立一個與真實世界系統(tǒng)的運行性能完全一致，且可7對數(shù)字孿生概念的進一步解讀對數(shù)字孿生概念的進一步解讀>數(shù)字孿生是物理對象的數(shù)字模型，該模型可以通過接收來自物理對象的數(shù)據(jù)而>基于數(shù)字孿生可進行分析、預(yù)測、診斷、訓練等（即仿真并將仿真結(jié)果反饋給物理對象，從而幫助對物理對象進行優(yōu)化和決策。物理對象、數(shù)字8對數(shù)字孿生概念的進一步解讀對數(shù)字孿生概念的進一步解讀>數(shù)字孿生是充分利用對象的物理模型、傳感器更新、運行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程。通過在99對數(shù)字孿生概念的進一步解讀對數(shù)字孿生概念的進一步解讀（1）DT是物理設(shè)備的一個實時的數(shù)字副本[1]。輸，從而使得虛擬實體與物理實體同時存在[2]。（3）DT是對人工構(gòu)建的或自然環(huán)境中的資產(chǎn)、流程或系統(tǒng)的數(shù)字表示[3]。（4）DT是資產(chǎn)和過程的軟件表示，用于理解，預(yù)測和優(yōu)化性能以改善業(yè)務(wù)[4]。對數(shù)字孿生概念的進一步解讀對數(shù)字孿生概念的進一步解讀（5）DT是實際產(chǎn)品或流程的虛擬表示，用于理解和預(yù)測對應(yīng)物的性能特點[5]。（6）DT是在云平臺上運行的真實機器的耦合模型，并使用來自數(shù)據(jù)驅(qū)動的分析算法以及其他可用物理知識的集成化知識對健康狀況進行仿真[6]。（7）DT是物理對象或系統(tǒng)在其整個生命周期中的動態(tài)虛擬表示，使用實時數(shù)據(jù)實現(xiàn)理解，學（8）DT使用物理系統(tǒng)的數(shù)字副本執(zhí)行實時優(yōu)化[8]。（9）DT是現(xiàn)實世界和數(shù)字虛擬世界溝通的橋梁[9]。幾幾個重要的概念對數(shù)字孿生概念的進一步解讀對數(shù)字孿生概念的進一步解讀數(shù)字孿生體物理-數(shù)字孿生系統(tǒng)數(shù)字孿生技術(shù)涉及物理對象的數(shù)字孿生體構(gòu)造、基于數(shù)字孿對數(shù)字孿生概念的進一步解讀對數(shù)字孿生概念的進一步解讀孿生與鏡像的區(qū)別孿生與鏡像的區(qū)別對數(shù)字孿生概念的進一步解讀對數(shù)字孿生概念的進一步解讀物理實體與數(shù)字孿生體的相互關(guān)系高級應(yīng)用處于相同的發(fā)展階段，可推演當前物理對象的發(fā)相互影響，在相同的內(nèi)在基因的驅(qū)動下獨立演化，反映與不同外部條對數(shù)字孿生概念的進一步解讀對數(shù)字孿生概念的進一步解讀允許運營者對數(shù)字模型輸入不同假設(shè)條件，以模擬現(xiàn)實生活中不切實際的情況，從而獲得某些極端情況下機器的真實反映。利用基于物理/數(shù)學的建模技術(shù)以及最新的傳感器數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)對機器未來狀態(tài)的預(yù)測，從而實現(xiàn)基于狀態(tài)的運營維護利用基于物理/數(shù)學的建模技術(shù)以及最新的傳感器數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)對機器未來狀態(tài)的預(yù)測，從而實現(xiàn)基于狀態(tài)的運營維護讓運營者從數(shù)字角度看到機器以及大規(guī)模系統(tǒng)的運行狀態(tài)，從而實現(xiàn)對機器及大規(guī)模系統(tǒng)的實時監(jiān)控和高效管理可以連接數(shù)學模型和物理實體，讓運營者從數(shù)字角度看到機器以及大規(guī)模系統(tǒng)的運行狀態(tài)，從而實現(xiàn)對機器及大規(guī)模系統(tǒng)的實時監(jiān)控和高效管理對數(shù)字孿生概念的進一步解讀對數(shù)字孿生概念的進一步解讀數(shù)字孿生技術(shù)的核心傳統(tǒng)電力系統(tǒng)仿真與數(shù)字孿生傳統(tǒng)電力系統(tǒng)仿真與數(shù)字孿生人們不是一直通過仿真認識電力系統(tǒng)、校核控制傳統(tǒng)電力系統(tǒng)仿真與數(shù)字孿生傳統(tǒng)電力系統(tǒng)仿真與數(shù)字孿生傳統(tǒng)電力系統(tǒng)仿真與數(shù)字孿生傳統(tǒng)電力系統(tǒng)仿真與數(shù)字孿生為什么數(shù)字孿生的從機械制造行業(yè)里誕生？為什么數(shù)字孿生的從機械制造行業(yè)里誕生？為什么對系統(tǒng)進行仿真推演的思想在電力行業(yè)早已有之？為什么數(shù)字孿生技術(shù)中關(guān)鍵的物理-數(shù)字閉環(huán)構(gòu)想在電力傳統(tǒng)電力系統(tǒng)仿真與數(shù)字孿生傳統(tǒng)電力系統(tǒng)仿真與數(shù)字孿生），析和調(diào)度員培訓等功能。開始大規(guī)模使用仿真分析電力系統(tǒng)動態(tài)過程太快成也蕭何敗也蕭何02電力系統(tǒng)動態(tài)過于復(fù)雜謹慎閉環(huán)電力系統(tǒng)動態(tài)過程太快成也蕭何敗也蕭何02電力系統(tǒng)動態(tài)過于復(fù)雜謹慎閉環(huán)傳統(tǒng)電力系統(tǒng)仿真與數(shù)字孿生傳統(tǒng)電力系統(tǒng)仿真與數(shù)字孿生必須仿真必須仿真0303電力系統(tǒng)災(zāi)變代價過大傳統(tǒng)電力系統(tǒng)仿真與數(shù)字孿生傳統(tǒng)電力系統(tǒng)仿真與數(shù)字孿生傳統(tǒng)電力系統(tǒng)仿真與數(shù)字孿生傳統(tǒng)電力系統(tǒng)仿真與數(shù)字孿生布從功用上看：傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)仿真只是分析工具數(shù)字孿生以應(yīng)用為導向AlphaGO下出數(shù)字孿生技術(shù)支撐的控制閉環(huán)聚合傳感傳輸數(shù)字孿生技術(shù)支撐的控制閉環(huán)聚合傳感傳輸調(diào)控洞見沙盤推演策略驗證智能決策云計算分析行動行動0101對象多層次0202動態(tài)多尺度0303業(yè)務(wù)多方面296296構(gòu)建電力系統(tǒng)數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)構(gòu)建電力系統(tǒng)數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)重大重大需求電力電子設(shè)備的加入造成微秒級~秒級動態(tài)的相互影響；大規(guī)模交直流互聯(lián)造成電網(wǎng)局部故障影響的大范圍傳播；新能源滲透率的不斷提高引入大量不確定性；亟需大規(guī)模電網(wǎng)高性能（計算規(guī)模、計算時間、批量處理能力）電磁暫態(tài)仿真工具。重大重大需求中壓直流供電系統(tǒng)是適應(yīng)大型艦船供電的先進獨立電力系統(tǒng)；多電和全電化飛機是未來的發(fā)展趨勢；亟需全數(shù)字模擬+控制器在環(huán)+功率在環(huán)仿真分析工具；構(gòu)建電力系統(tǒng)數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)構(gòu)建電力系統(tǒng)數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)重大重大需求亟需通過大量數(shù)字仿真了解不同工況下的設(shè)備運行狀態(tài)并進行一二次設(shè)計；亟需通過大量仿真模擬進行設(shè)備故障溯因；亟需通過在線多物理場仿真開展設(shè)備狀態(tài)評估與預(yù)測性維修；亟需數(shù)?；旌戏抡婀ぞ咴O(shè)計并驗證裝置設(shè)計和性能；亟需高效一體化的數(shù)字模擬+數(shù)?；旌戏抡娣治龉ぞ摺Ｖ卮笾卮笮枨笙冗M電力電子設(shè)備的研究開發(fā)需要ns級的精細仿真；新型儲能設(shè)備（如氫燃料電池）的研究開發(fā)需要多物理場及場路耦合仿真工具；能源互聯(lián)網(wǎng)的研究需要跨學科的綜合仿真工具；大范圍跨領(lǐng)域的學術(shù)研究與交流亟需便捷的協(xié)作共享仿真平臺；構(gòu)建電力系統(tǒng)數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)構(gòu)建電力系統(tǒng)數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)基于電路原理的寬頻域仿真技術(shù)1.基于電路原理的寬頻域仿真技術(shù)3.機電暫態(tài)4.電磁暫態(tài)5.納秒級動態(tài)商業(yè)化的電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)離線仿真工具、硬件在環(huán)仿真工具、電力電子系統(tǒng)納秒級動態(tài)仿真被國外壟斷，國產(chǎn)軟件在艱難的發(fā)展中！構(gòu)建電力系統(tǒng)數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)構(gòu)建電力系統(tǒng)數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)ANSYS(HFSS,Maxwell,WorkBench)COMSOLAltairANSYS(HFSS,Maxwell,WorkBench)COMSOLAltair(Flux)JMAG，InfolyticaFreeFem++,Elmer(開源)1.多物理建模2.最優(yōu)計算網(wǎng)格3.多物理耦合機理多物理場軟件工具國外軟件基于數(shù)學模型的電磁場及多物理場仿真技術(shù)5.增材制造設(shè)計打印國產(chǎn)軟件5.增材制造設(shè)計打印國產(chǎn)軟件元計算-缺乏電磁場專用單元，前處理依靠國外軟件基于場描述的燃料電池電堆結(jié)構(gòu)燃料電池參數(shù)尋優(yōu)基于場描述的燃料電池電堆結(jié)構(gòu)燃料電池參數(shù)尋優(yōu)構(gòu)建電力系統(tǒng)數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)構(gòu)建電力系統(tǒng)數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)基于路描述的燃料電池工藝流程場/路協(xié)同優(yōu)化軟件多物理場在線仿真軟件實時操作系統(tǒng)場/路協(xié)同優(yōu)化軟件多物理場在線仿真軟件實時操作系統(tǒng)構(gòu)建電力系統(tǒng)數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)構(gòu)建電力系統(tǒng)數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)電力仿真專用加速芯片電力仿真專用主機電力專用仿真集群電力專用仿真集群高性能電磁暫態(tài)仿真軟件高性能電磁暫態(tài)仿真軟件電力系統(tǒng)實時仿真軟件電力系統(tǒng)實時仿真軟件大容量功率發(fā)大器大容量功率發(fā)大器電力專用仿真加速芯片大容量功率發(fā)大器實時操作系統(tǒng)電力系統(tǒng)實時仿真軟件高性能電磁暫態(tài)仿真軟件場/路協(xié)同優(yōu)化軟件電力專用仿真加速芯片大容量功率發(fā)大器實時操作系統(tǒng)電力系統(tǒng)實時仿真軟件高性能電磁暫態(tài)仿真軟件場/路協(xié)同優(yōu)化軟件云仿真平臺構(gòu)建電力系統(tǒng)數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)構(gòu)建電力系統(tǒng)數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)多物理場在線仿真軟件多物理場在線仿真軟件構(gòu)建電力系統(tǒng)數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)構(gòu)建電力系統(tǒng)數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)邊緣側(cè)應(yīng)用數(shù)字孿生云仿真平臺：協(xié)同共享邊緣側(cè)應(yīng)用數(shù)字孿生云仿真平臺：協(xié)同共享多物理場在線仿真軟件變電站多物理場仿真多物理場在線仿真軟件電網(wǎng)全電磁暫態(tài)仿真綜合能源系統(tǒng)場/路協(xié)同優(yōu)化高性能電磁暫態(tài)仿真軟件高性能電磁暫態(tài)仿真軟件場/路協(xié)同優(yōu)化軟件場/路協(xié)同優(yōu)化軟件電氣設(shè)備電氣設(shè)備功率放大器硬件在環(huán)仿真接口硬件在環(huán)仿真服務(wù)器實時操作系統(tǒng)電力系統(tǒng)實時仿真軟件邊緣側(cè)應(yīng)用硬件在環(huán)仿真電力系統(tǒng)數(shù)字孿生技術(shù)實踐電力系統(tǒng)數(shù)字孿生技術(shù)實踐電力系統(tǒng)數(shù)字孿生技術(shù)實踐電力系統(tǒng)數(shù)字孿生技術(shù)實踐電力系統(tǒng)數(shù)字孿生技術(shù)實踐電力系統(tǒng)數(shù)字孿生技術(shù)實踐預(yù)測新斷面的連鎖故障模式建立故障模式與關(guān)鍵輸電預(yù)測新斷面的連鎖故障模式建立故障模式與關(guān)鍵輸電通道間的映射關(guān)系辨識典型連鎖故障模式連鎖故障仿真電力系統(tǒng)數(shù)字孿生技術(shù)實踐電力系統(tǒng)數(shù)字孿生技術(shù)實踐氫能綜合利用系統(tǒng)場/路協(xié)同優(yōu)化目標氫能綜合利用系統(tǒng)場/路協(xié)同優(yōu)化目標氫燃料電池多物理場仿真電力系統(tǒng)數(shù)字孿生技術(shù)實踐電力系統(tǒng)數(shù)字孿生技術(shù)實踐返回第一步仿真校核頻率和電壓變化返回第一步仿真校核頻