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1、 數字孿生及其在電力系統的應用 張東霞 2021-5-18 主要內容 基本概念 研究現狀 面臨挑戰 感知感知 視覺、聽覺視覺、聽覺 認知認知 推理、記憶學推理、記憶學習、規劃習、規劃 行為控制行為控制 數字孿生定義 是物理實體全方位的數字化表示，包含著描述物理實體結構和行為的模型。是物理實體的實時反映 通過物理實體和數字孿生狀態的連續同步（連續數據流動-環境交互）而實現 數字孿生與物理實體的當前以及歷史的數據交互中，不斷得到更新。數字孿生特點 高保真 考慮風的干擾、齒輪的損耗、老化過程、運行異常等的鐘擺軌跡特性 Living 模型 整體性+長期性 數字孿生：物理實體-數字孿生的實時交互 利用仿

2、真和物理實體的差距，調整仿真模型參數，實現數字孿生和物理實體的同步，數字孿生又反作用于物理實體-物理實體 數字孿生 傳感 否 適應性分析 激勵 數字孿生更新 歷史數據+知識+模型 大數據和人工智能+模型/數據驅動的建模 數字孿生不僅是物理實體的數字模型 數字孿生-綜合性技術 認知認知 推理、記憶推理、記憶學習、規劃學習、規劃 行為控制行為控制 來自IRS 是物聯網、智能傳感技術、云計算、5G 技術、邊緣計算、大數據、人工智能、虛擬現實/增強現實等技術的集成。主要內容 基本概念 研究現狀 面臨挑戰 感知感知 視覺、聽覺視覺、聽覺 認知認知 推理、記憶學推理、記憶學習、規劃習、規劃 行為控制行為控

3、制 感知感知 視覺、聽覺視覺、聽覺 認知認知 推理、記憶學推理、記憶學習、規劃習、規劃 行為控制行為控制 2011年 美國空軍 實驗室 飛行器 超高保真飛機數字孿生模型，考慮飛行條件、飛機結構變形和溫度變化，在虛擬模型中模擬對飛機結構造成的局部損傷和組織變化，以保證飛機結構的完整性并對飛機結構進行壽命預測。2015年以來 GE 海上風機運維 風機數字孿生 西門子 電力系統 運行、維護 現狀和前景 遠程監控 缺陷/故障早期發現 效率提升潛力挖掘 服務產業鏈構建 變電站、施工現場數字孿生 人員非法進入區域 錄像-警告 人員違反規程 錄像-警告 設備異常 錄像-警告 電子圍欄、工作區管理 人員和工作

4、內容管理 設備管理 數字孿生 運行環境-3D模型 設備狀態-3D模型 工作內容展示 人員-3D模型 位置標簽 模型和數據 遠程監控 缺陷/故障早期發現 智能配電網-配電變壓器健康評估 Ganghong Zhang，Chao Huo（國網智芯）An Architecture Based on Digital Twins for Smart Power Distribution System 動態安全評估 設備全生命周期使用過程價值延伸 光伏系統知識體系人員經驗和知識沉淀 效率提升潛力挖掘 服務產業鏈構建 SCADA 狀態估計 傳統的DSA 數據：狀態數據、圖片 機理模型 RTU 數字孿生 基于機

5、器學習的DSA 來自CEP 用數據分析-10秒完成 基于模型的分析-20秒 利用虛擬模型、運行狀態、和運行圖片，應用神經網絡算法，可快速給出分析結果 來自CEP 支撐下一代的調控中心建設 Christoph Brosinsky,Dirk Westermann and Rainer Krebs.伊爾梅瑙工業大學和西門子伊爾梅瑙工業大學和西門子.Recent and prospective developments in power system control centers.Adapting the digital twin technology for application in powe

6、r system control centers.支撐下一代的調控中心建設-故障和攻擊識別 Christoph Brosinsky,Dirk Westermann 伊爾梅瑙工業大學伊爾梅瑙工業大學.Challenges and opportunities for phasor data based event detection in transmission control centers under cyber security constraints 光伏故障檢測和識別 Palak Jain，Jason Poon，etc.A Digital Twin Approach for Fault

7、 Diagnosis in Distributed Photovoltaic Systems.光伏故障檢測和識別 大型可再生能源發電機組性能多域智能仿真 Amir Ebrahimi（德國漢諾威萊布尼茲大學）Challenges of developing a digital twin model of renewable energy generators 大型風力發電機組性能多域智能仿真 加裝500多個傳感器：振動、溫度、磁通量、電流、電壓電容氣隙、位置、速度、氣流、氣壓等。配置安裝有三維磁通測量裝置的機器人 電池儲能的數字孿生 移動式電池儲能應用更廣泛，應用場景多變 需真實評價&預測其電荷

8、狀況（SOC）和健康狀況（SOH）SOC傳統評估方法：開路電壓方法、庫侖計算誤差較大 SOH面臨更大挑戰復雜因素影響下的非線性衰老特性 電池儲能的數字孿生 Weihan Li,Monika Rentemeistera,b,Julia Badedae,Digital twin for battery systems:Cloud battery management system with online state-of-charge and state-of-health estimation.Achen University.Journal of Energy Storage,2020.實時評

9、估SOC 利用H-Infinity進行狀態評估 表示SOC和 的非線性關系 基于電路理論計算公式+自適應擴展H無限濾波方法（狀態估計）電池儲能的數字孿生 Weihan Li,Monika Rentemeistera,b,Julia Badedae,Digital twin for battery systems:Cloud battery management system with online state-of-charge and state-of-health estimation.Achen University.Journal of Energy Storage,2020.實時評估

10、SOH 基于電路理論計算公式+粒子群算法（識別參數）參數由粒子群算法給予評估 設備全生命周期使用過程價值延伸 光伏系統知識體系人員經驗和知識沉淀 效率提升潛力挖掘 服務產業鏈構建 電力系統暫態穩定分析中的負荷數字孿生 負荷具有時變性、隨機性，在暫態穩定計算中是一個綜合等值負荷 負荷數字孿生 負荷建模法：統計綜合法+測辨法 邊緣智能 負荷數字孿生 機理+非機理模型 機理+非機理模型 主要內容 基本概念 研究現狀 面臨挑戰 感知感知 視覺、聽覺視覺、聽覺 認知認知 推理、記憶學推理、記憶學習、規劃習、規劃 行為控制行為控制 來自AEP 電力實體 如：TSO，DSO 保護設置 額定容量 停電管理 PMS 設備監測 其他數據源 數據源 電網數據孿生 接口/適配器 電網數字孿生數據庫 市場 表計 GIS 資產管理 繼電保護 運行 規劃 方式安排 復雜的系統問題 綜合性技術、系統性問題 來自AEP 數據和方法 數據缺乏-歷史數據積累不夠 傳感技術不夠成熟，性能不夠可靠 數據獲取和融合困難 數據驅動/人工智能技術不成熟 數據驅動+模型驅動方法不成熟 總結 是認識和模擬物理實體的方向 體現了人類認識和模擬物理實體的雄心和信心 先摘下低垂的成熟果實 謝謝！