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(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系Departmentof電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系DepartmentofElectricalEngineering01對(duì)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(shí)踐201對(duì)數(shù)字孿生概念的進(jìn)一步解讀3對(duì)數(shù)字孿生概念的進(jìn)一步解讀對(duì)數(shù)字孿生概念的進(jìn)一步解讀?提出數(shù)字孿生概念的目的是什么？4對(duì)數(shù)字孿生概念的進(jìn)一步解讀對(duì)數(shù)字孿生概念的進(jìn)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(shí)現(xiàn)卓越制造（D5對(duì)數(shù)字孿生概念的進(jìn)一步解讀對(duì)數(shù)字孿生概念的進(jìn)一步解讀>數(shù)字孿生是充分利用對(duì)象的物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程6對(duì)數(shù)字孿生概念的進(jìn)一步解讀對(duì)數(shù)字孿生概念的進(jìn)一步解讀>數(shù)字孿生是在數(shù)字世界中建立一個(gè)與真實(shí)世界系統(tǒng)的運(yùn)行性能完全一致，且可7對(duì)數(shù)字孿生概念的進(jìn)一步解讀對(duì)數(shù)字孿生概念的進(jìn)一步解讀>數(shù)字孿生是物理對(duì)象的數(shù)字模型，該模型可以通過接收來自物理對(duì)象的數(shù)據(jù)而>基于數(shù)字孿生可進(jìn)行分析、預(yù)測(cè)、診斷、訓(xùn)練等（即仿真并將仿真結(jié)果反饋給物理對(duì)象，從而幫助對(duì)物理對(duì)象進(jìn)行優(yōu)化和決策。物理對(duì)象、數(shù)字8對(duì)數(shù)字孿生概念的進(jìn)一步解讀對(duì)數(shù)字孿生概念的進(jìn)一步解讀>數(shù)字孿生是充分利用對(duì)象的物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程。通過在99對(duì)數(shù)字孿生概念的進(jìn)一步解讀對(duì)數(shù)字孿生概念的進(jìn)一步解讀（1）DT是物理設(shè)備的一個(gè)實(shí)時(shí)的數(shù)字副本[1]。輸，從而使得虛擬實(shí)體與物理實(shí)體同時(shí)存在[2]。（3）DT是對(duì)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(cè)和優(yōu)化性能以改善業(yè)務(wù)[4]。對(duì)數(shù)字孿生概念的進(jìn)一步解讀對(duì)數(shù)字孿生概念的進(jìn)一步解讀（5）DT是實(shí)際產(chǎn)品或流程的虛擬表示，用于理解和預(yù)測(cè)對(duì)應(yīng)物的性能特點(diǎn)[5]。（6）DT是在云平臺(tái)上運(yùn)行的真實(shí)機(jī)器的耦合模型，并使用來自數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的分析算法以及其他可用物理知識(shí)的集成化知識(shí)對(duì)健康狀況進(jìn)行仿真[6]。（7）DT是物理對(duì)象或系統(tǒng)在其整個(gè)生命周期中的動(dòng)態(tài)虛擬表示，使用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)理解，學(xué)（8）DT使用物理系統(tǒng)的數(shù)字副本執(zhí)行實(shí)時(shí)優(yōu)化[8]。（9）DT是現(xiàn)實(shí)世界和數(shù)字虛擬世界溝通的橋梁[9]。幾幾個(gè)重要的概念對(duì)數(shù)字孿生概念的進(jìn)一步解讀對(duì)數(shù)字孿生概念的進(jìn)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(duì)象的數(shù)字孿生體構(gòu)造、基于數(shù)字孿對(duì)數(shù)字孿生概念的進(jìn)一步解讀對(duì)數(shù)字孿生概念的進(jìn)一步解讀孿生與鏡像的區(qū)別孿生與鏡像的區(qū)別對(duì)數(shù)字孿生概念的進(jìn)一步解讀對(duì)數(shù)字孿生概念的進(jìn)一步解讀物理實(shí)體與數(shù)字孿生體的相互關(guān)系高級(jí)應(yīng)用處于相同的發(fā)展階段，可推演當(dāng)前物理對(duì)象的發(fā)相互影響，在相同的內(nèi)在基因的驅(qū)動(dòng)下獨(dú)立演化，反映與不同外部條對(duì)數(shù)字孿生概念的進(jìn)一步解讀對(duì)數(shù)字孿生概念的進(jìn)一步解讀允許運(yùn)營(yíng)者對(duì)數(shù)字模型輸入不同假設(shè)條件，以模擬現(xiàn)實(shí)生活中不切實(shí)際的情況，從而獲得某些極端情況下機(jī)器的真實(shí)反映。利用基于物理/數(shù)學(xué)的建模技術(shù)以及最新的傳感器數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器未來狀態(tài)的預(yù)測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)基于狀態(tài)的運(yùn)營(yíng)維護(hù)利用基于物理/數(shù)學(xué)的建模技術(shù)以及最新的傳感器數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器未來狀態(tài)的預(yù)測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)基于狀態(tài)的運(yùn)營(yíng)維護(hù)讓運(yùn)營(yíng)者從數(shù)字角度看到機(jī)器以及大規(guī)模系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器及大規(guī)模系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和高效管理可以連接數(shù)學(xué)模型和物理實(shí)體，讓運(yùn)營(yíng)者從數(shù)字角度看到機(jī)器以及大規(guī)模系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器及大規(guī)模系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和高效管理對(duì)數(shù)字孿生概念的進(jìn)一步解讀對(duì)數(shù)字孿生概念的進(jìn)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(rèn)識(shí)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(jī)械制造行業(yè)里誕生？為什么數(shù)字孿生的從機(jī)械制造行業(yè)里誕生？為什么對(duì)系統(tǒng)進(jìn)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(xùn)等功能。開始大規(guī)模使用仿真分析電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程太快成也蕭何敗也蕭何02電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過于復(fù)雜謹(jǐn)慎閉環(huán)電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程太快成也蕭何敗也蕭何02電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過于復(fù)雜謹(jǐn)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(jià)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(dǎo)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(yàn)證智能決策云計(jì)算分析行動(dòng)行動(dòng)0101對(duì)象多層次0202動(dòng)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(jí)~秒級(jí)動(dòng)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(jì)算規(guī)模、計(jì)算時(shí)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(jìn)獨(dú)立電力系統(tǒng)；多電和全電化飛機(jī)是未來的發(fā)展趨勢(shì)；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(yùn)行狀態(tài)并進(jìn)行一二次設(shè)計(jì)；亟需通過大量仿真模擬進(jìn)行設(shè)備故障溯因；亟需通過在線多物理場(chǎng)仿真開展設(shè)備狀態(tài)評(píng)估與預(yù)測(cè)性維修；亟需數(shù)?；旌戏抡婀ぞ咴O(shè)計(jì)并驗(yàn)證裝置設(shè)計(jì)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(jìn)電力電子設(shè)備的研究開發(fā)需要ns級(jí)的精細(xì)仿真；新型儲(chǔ)能設(shè)備（如氫燃料電池）的研究開發(fā)需要多物理場(chǎng)及場(chǎng)路耦合仿真工具；能源互聯(lián)網(wǎng)的研究需要跨學(xué)科的綜合仿真工具；大范圍跨領(lǐng)域的學(xué)術(shù)研究與交流亟需便捷的協(xié)作共享仿真平臺(tái)；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(jī)電暫態(tài)4.電磁暫態(tài)5.納秒級(jí)動(dòng)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(jí)動(dòng)態(tài)仿真被國(guó)外壟斷，國(guó)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(jì)算網(wǎng)格3.多物理耦合機(jī)理多物理場(chǎng)軟件工具國(guó)外軟件基于數(shù)學(xué)模型的電磁場(chǎng)及多物理場(chǎng)仿真技術(shù)5.增材制造設(shè)計(jì)打印國(guó)產(chǎn)軟件5.增材制造設(shè)計(jì)打印國(guó)產(chǎn)軟件元計(jì)算-缺乏電磁場(chǎng)專用單元，前處理依靠國(guó)外軟件基于場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)/路協(xié)同優(yōu)化軟件多物理場(chǎng)在線仿真軟件實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)場(chǎng)/路協(xié)同優(yōu)化軟件多物理場(chǎng)在線仿真軟件實(shí)時(shí)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(jī)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(shí)時(shí)仿真軟件電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)操作系統(tǒng)電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真軟件高性能電磁暫態(tài)仿真軟件場(chǎng)/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(shí)時(shí)操作系統(tǒng)電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真軟件高性能電磁暫態(tài)仿真軟件場(chǎng)/路協(xié)同優(yōu)化軟件云仿真平臺(tái)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(chǎng)在線仿真軟件多物理場(chǎng)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(tái)：協(xié)同共享邊緣側(cè)應(yīng)用數(shù)字孿生云仿真平臺(tái)：協(xié)同共享多物理場(chǎng)在線仿真軟件變電站多物理場(chǎng)仿真多物理場(chǎng)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(chǎng)/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(chǎng)/路協(xié)同優(yōu)化軟件場(chǎng)/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(shí)時(shí)操作系統(tǒng)電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)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(shí)踐電力系統(tǒng)數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)踐電力系統(tǒng)數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)踐電力系統(tǒng)數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)踐電力系統(tǒng)數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)踐電力系統(tǒng)數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)踐預(yù)測(cè)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(cè)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(shí)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(shí)踐電力系統(tǒng)數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)踐氫能綜合利用系統(tǒng)場(chǎng)/路協(xié)同優(yōu)化目標(biāo)氫能綜合利用系統(tǒng)場(chǎng)/路協(xié)同優(yōu)化目標(biāo)氫燃料電池多物理場(chǎng)仿真電力系統(tǒng)數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)踐電力系統(tǒng)數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)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