面向新型电力系统的数字孪生技术

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面向新型电力系统的 数字孪生技术 电机工程与应用电子技术系 Department of Electrical Engineering Digital Twin Technology for a New Type of Power Systems 沈 沉 1 02 传统电力系统仿真与数字孪生 03 构建电力系统数字孪生的关键技术 01 目录 CONTENTS 04 电力系统数字孪生技术实践 电机工程与应用电子技术系 Department of Electrical Engineering 对数字孪生概念的解读 2 01 对数字孪生概念的进一步解读 3 • 数字孪生到底是什么 —— 模型、仿真、系统工程？ • 数字孪生最关键的特征是什么？ • 提出数字孪生概念的目的是什么？ 对数字孪生概念的进一步解读 Department of Electrical Engineering 电机工程与应用电子技术系 4 • 数字孪生概念的起源 • 数字孪生（ Digital Twin ） DT 一词，业界一般认为，最早是密西根大学 Michael Grieves 教 授于 2002 年针对产品全生命周期管理（ PLM ）提出的一个概念，当初并不叫 Digital Twin ， 而是叫 镜像空间模型（ Mirrored Space Model, MSM ）。 • 2003 年他在讲授 PLM 课程时使用了“ Digital Twin （数字孪生）”。 • 在 2014 年他在撰写的“数字孪生：通过虚拟工厂复制实现卓越制造（ Digital Twin:Manufacturing Excellence through Virtual Factory Replication ） ”一文中对数字 孪生进行了较为详细的阐述，奠定了数字孪生的基本内涵。 对数字孪生概念的进一步解读 Department of Electrical Engineering 电机工程与应用电子技术系 5 数字孪生是充分利用对象的物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成 多 学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程。通过在虚拟空间中完成对象的 映射，反映对象的全生命周期过程。 Defense Acquisition University, “Digital System Model,” Glossary of Defense Acquisition Acronyms and Terms, 2015. [Online]. Available: https://www.dau.edu/tools/Documents/Glossary_16th%20_ed.pdf 国防采办大学 对数字孪生概念的进一步解读 • 数字孪生的定 义 Department of Electrical Engineering 电机工程与应用电子技术系 6 数字孪生是在数字世界中建立一个与真实世界系统的运行性能完全一致，且 可 实现实时仿真的仿真模型。利用安装在真实系统上的传感器数据作为该仿真模 型的边界条件，实现真实世界的系统与数字世界的系统同步运行。 ANSYS 公司 对数字孪生概念的进一步解读 • 数字孪生的定 义 Department of Electrical Engineering 电机工程与应用电子技术系 7 数字孪生是物理对象的数字模型，该模型可以通过接收来自物理对象的数据 而 实时演化，从而与物理对象在全生命周期保持一致。 基于数字孪生可进行分析、预测、诊断、训练等（即仿真），并将仿真结果 反 馈给物理对象，从而帮助对物理对象进行优化和决策。物理对象、数字孪 生以 及基于数字孪生的仿真及反馈一起构成一个信息物理系统 (cyber physical systems). 北京航空航天大学 张霖教授 对数字孪生概念的进一步解读 • 数字孪生的定 义 Department of Electrical Engineering 电机工程与应用电子技术系 8 数字孪生是充分利用对象的物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成 多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程。通过在虚拟空间中完成对 象的映射，反映对象的全生命周期过程。 DigitalTwin 就是“基于仿真的系统工程”（ Simulation-Based Systems Engineering ） Piascik, R.,et al., Technology Area 12: Materials, Structures, Mechanical Systems, andManufacturing Road Map. 2010, NASA Office of Chief Technologist. NASA 对数字孪生概念的进一步解读 • 数字孪生的定 义 Department of Electrical Engineering 电机工程与应用电子技术系 9 张霖，北京航空航天大学， Beepower 公众号微文： 关于数字孪生的冷思考及其背后的建模和仿真技术 （ 1 ） DT 是物理设备的一个实时的数字副本 [1] 。 （ 2 ） DT 是有生命或无生命的物理实体的数字副本。通过连接物理和虚拟世界，数据可以无 缝传 输，从而使得虚拟实体与物理实体同时存在 [2] 。 （ 3 ） DT 是对人工构建的或自然环境中的资产、流程或系统的数字表示 [3] 。 （ 4 ） DT 是资产和过程的软件表示， 用于理解，预测和优化性能以改善业务 [4] 。 [1] Bacchiega IRSsrl, Gianluca (2017-06-01). "Embeddeddigital twin". [2] Saddik, A. El(April 2018). "Digital Twins: The Convergence of MultimediaTechnologies". IEEE MultiMedia. 25 (2): 87-92. doi: 10.1109/MMUL.2018.023121167. ISSN 1070-986X. [3]"The Gemini Principles". www.cdbb.cam.ac.uk. Centre for Digital Built Britain.2018. Retrieved 2020-01-01. [4] https://www. .com/digital/applications/digital-twin ge 10 对数字孪生概念的进一步解读 Department of Electrical Engineering 电机工程与应用电子技术系 （ 5 ） DT 是实际产品或流程的虚拟表示，用于理解和预测对应物的性能特点 [5] 。 （ 6 ） DT 是在云平台上运行的真实机器的耦合模型，并使用来自数据驱动的分析算法以及其他 可用物理知识的集成化知识对健康状况进行仿真 [6] 。 （ 7 ） DT 是物理对象或系统在其整个生命周期中的动态虚拟表示 ，使用实时数据实现理解， 学 习和推理 [7] 。 （ 8 ） DT 使用物理系统的数字副本执行实时优化 [8] 。 （ 9 ） DT 是现实世界和数字虚拟世界沟通的桥梁 [9] 。 [5] https://www.plm.automation.siemens.com/global/zh/our-story/glossary/digital-twin/24465 [6]Lee,Jay;Bagheri,Behrad;Kao, Hung-An (January 2015). "A Cyber-Physical Systems architecture for Industry 4.0-based manufacturing systems". Manufacturing Letters.3:18-23. doi:10.1016/j.mfglet.2014.12.001 [7]Bolton, RuthN.; McColl-Kennedy, Janet R.; Cheung, Lilliemay; Gallan, Andrew; Orsingher,Chiara; Witell, Lars; Zaki, Mohamed (2018). "Customer experience challenges: Bringing together digital, physical and socialrealms". Journalof Service Management. 29 (5): 776-808. doi:10.1108/JOSM-04-2018-0113 [8] Söderberg,Rikard, et al. "Toward a DigitalTwin for real-time geometry assurance in individualized production." CIRP Annals 66.1 (2017): 137-140. [9] http://www.cs.com.cn/gppd/gsyj/201903/t20190313_5930441.html 11 对数字孪生概念的进一步解读 Department of Electrical Engineering 电机工程与应用电子技术系 数字孪生体 特指在数字空间中与物理对象对应的模型 物理 - 数字孪生系统 由物理对象和其数字模型共同构成，两者保持同步、平行推 演、闭环互动的信息物理系统 数字孪生技术 涉及物理对象的数字孪生体构造、基于数字孪生体的仿真、分 析、预测和控制决策相关技术 混用“数字孪生”指代上述不同概念是造成概念模糊的重要原因！ 对数字孪生概念的进一步解读 几 个 重 要 的 概 念 Department of Electrical Engineering 电机工程与应用电子技术系 12 特征相似？ 对数字孪生概念的进一步解读 孪生与镜像的区别 孪生体 物体与镜像 是否同步？ 是否自治？ 能否互动？ Department of Electrical Engineering 电机工程与应用电子技术系 13 物理 - 数字 共生 彼此有利 物理 - 数字 同步 处于相同的发展 阶段 ， 可 推 演 当 前物理对象的发 展趋势 物理实体与数字孪生体的相互关系 高级应用 物理 - 数字 自治 在相同的内在基因 的驱动下独立演化， 反映与不同外部条 件的互动结果 对数字孪生概念的进一步解读 物理 - 数字 互 动 相互影响 ， 相互作用 Department of Electrical Engineering 电机工程与应用电子技术系 14 可解释性 可以让运营者理解单个机器或群体机器的 行为 ， 并从数学模型出发对机器行为作出 合理解释。 可互动性 可以连接数学模型和物理实体 ， 一方 面实现最优决策的下达和执行 ， 另 一 方面收集物理反馈并更新数学模 型和 决策指令 可预测性 利用基于物理 / 数学的建模技术以及最新 的 传感器数据 ， 可以实现对机器未来状态 的预 测 ，从而实现基于状态的运营维护 可视性 让运营者从数字角度看到机器以 及大规模系统的运行状态 ， 从而 实现对机器及大规模系统的实时 监控和高效管理 Oracle, “Digital Twins for IoT Applications,” 2017. [Online]. Available: https://www.oracle.com/assets/digital-twins-for-iot-apps-wp-3491953.pdf 数字孪生技术的主要特征 可假设性 允许运营者对数字模型输入不同假设条件， 以模拟现实生活中不切实际的情况 ， 从而 获得某些极端情况下机器的真实反映。 对数字孪生概念的进一步解读 Department of Electrical Engineering 电机工程与应用电子技术系 15 正确性 有效性 可重复性 建模与仿真 对数字孪生概念的进一步解读 数字孪生技术的核心 Department of Electrical Engineering 电机工程与应用电子技术系 16 02 传统电力系统仿真与数字孪生 两者之间有何异同？数字孪生的关键特征是什么？ 17 数字孪生和传统的电力系统仿真有何区别？ 人们不是一直通过仿真认识电力系统、校核控制策略 的吗？ 数字孪生到底给我们带来了什么新的东西？ 传统电力系统仿真与数字孪生 Department of Electrical Engineering 电机工程与应用电子技术系 18 实际运行的电力系统的物理结构、 物理特性、技术性能、经济管理、 环保指标、人员状况、科教活动等 数字地、形象化地、实时地描述与 再现。 它包含： 电力系统的物理结构； 实时状态（量测）； 影响电力系统安全的环境信 息； 经济机构、市场信息； 管理信息； 各种类型的运行指标，如效率、 环保； 其他。 传统电力系统仿真与数字孪生 2000 年 卢强院 士 首次提出数字电 力 系统的概念 Department of Electrical Engineering 电机工程与应用电子技术系 19 为什么对系统进行仿真推演的思想在电力行业早已有之？ 为什么数字孪生技术中关键的物理 - 数字闭环构想在电 力 行业没有广泛地实践？ 为什么数字孪生的从机械制造行 业里诞生？ 传统电力系统仿真与数字孪生 Department of Electrical Engineering 电机工程与应用电子技术系 20 历史回顾： 1965 年发生北美大停电（ Northeast blackout of 1965 ， 1965 年东北部停电），受影响人数约有 3000 万人， 207,000 平方公 里，停电时长达 13 小时。 1970s ，能量管理系统诞生，包括数据收集、能量管理、网络 分 析和调度员培训等功能。开始大规模使用仿真分析工具进行 电力 系统运行管理。 传统电力系统仿真与数字孪生 Department of Electrical Engineering 电机工程与应用电子技术系 21 必须仿真 谨慎闭环 03 电力系统灾变代价过大 02 电力系统动态过于复杂 传统电力系统仿真与数字孪生 成也萧何 败也萧何 0 电力系统动态过程太快 1 Department of Electrical Engineering 电机工程与应用电子技术系 22 传统电力系统仿真与数字孪生 电力系统动态的时间尺度 Department of Electrical Engineering 电机工程与应用电子技术系 23 PLM 规划 空间电 磁场分 布 机组组合 纳秒 微秒 毫秒 秒 分钟 小时 月 年 稳态 互联 大系统 电网 设备 装置 元件 电磁暂态 仿真 机电暂态 仿真 中长期动态 仿真 不同层次对象在不同时间尺度上的仿真模拟 硬件在环 硬件在环 仿真 传统电力系统仿真与数字孪生 潮流 计算 Department of Electrical Engineering 电机工程与应用电子技术系 24 从功用上看：传统的电力系统仿真只是分析工具 数字孪生以应用为导向 01 增强感知 利用物理规律补充 传感器的不足 04 增强控制 闭环校正 02 增强认知 AlphaGO 下出 人类从未下过的棋 03 增强智能 训练自动驾驶 所用的虚拟场景 传统电力系统仿真与数字孪生 Department of Electrical Engineering 电机工程与应用电子技术系 25 策略验证 智能 决策 数字仿真系统 数字调控策略 增强认知 分析 增强智能 调控 物理能源电力系统 自动化系统 大数据分析 洞见 传输 高性能仿真 数 字 孪 生 技 术 支 撑 的 控 制 闭 环 传统电力系统仿真与数字孪生 实物系统 云 行动 增强控制 聚合 增强感知 数字空间 沙盘推演 计 算 Department of Electrical Engineering 电机工程与应用电子技术系 传感 26 03 构建电力系统数字孪生的关键技术 27 02 动态多尺度 03 业务多方面 01 对象多层次 构造一个统一的电 力系统数字孪生服 务于众多业务既无 必要也无可能！ 构建电力系统数字孪生的关键技术 Department of Electrical Engineering 电机工程与应用电子技术系 28 物联网技术 数字化交付技术— 模型交换和互动 1 2 3D 建模技术 深度学 习 人工智能决策 高性能计算 虚拟化和容器技术 构建电力系统数字孪生的关键技术 知识和数据驱 动的融合建模 C 9 3 Department of Electrical Engineering 电机工程与应用电子技术系 6 29 重 大 需 求 中压直流供电系统是适应大型舰船供电的先进独立电力系统； 多电和全电化飞机是未来的发展趋势； 空间站供电系统是采用大量电力电子装置的独立直流系统； 亟需全数字模拟 + 控制器在环 + 功率在环仿真分析工具； 重 大 需 求 电力电子设备的加入造成微秒级 ~ 秒级动态的相互影响； 大规模交直流互联造成电网局部故障影响的大范围传播； 新能源渗透率的不断提高引入大量不确定性； 亟需大规模电网高性能（计算规模、计算时间、批量处