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1、沈 沉2021年5月18日面向新型電力系統的面向新型電力系統的數字孿生技術數字孿生技術Digital Twin Technology for a New Type of Power Systems電機工程與應用電子技術系電機工程與應用電子技術系Department of Electrical Engineering1目錄CONTENTS對數字孿生概念的解讀構建電力系統數字孿生的關鍵技術傳統電力系統仿真與數字孿生電力系統數字孿生技術實踐01020304電機工程與應用電子技術系電機工程與應用電子技術系Department of Electrical Engineering201對數字孿生概念的進一

2、步解讀3對數字孿生概念的進一步解讀電機工程與應用電子技術系電機工程與應用電子技術系Department of Electrical Engineering 數字孿生到底是什么 模型、仿真、系統工程？ 數字孿生最關鍵的特征是什么？ 提出數字孿生概念的目的是什么？4對數字孿生概念的進一步解讀電機工程與應用電子技術系電機工程與應用電子技術系Department of Electrical Engineering 數字孿生概念的起源數字孿生（Digital Twin）DT一詞，業界一般認為，最早是密西根大學Michael Grieves教授于2002年針對產品全生命周期管理（PLM）提出的一個概念，當

3、初并不叫Digital Twin，而是叫鏡像空間模型（Mirrored Space Model, MSM）。2003年他在講授PLM課程時使用了“Digital Twin（數字孿生）”。在2014年他在撰寫的“數字孿生：通過虛擬工廠復制實現卓越制造（Digital Twin:Manufacturing Excellence through Virtual Factory Replication）”一文中對數字孿生進行了較為詳細的闡述，奠定了數字孿生的基本內涵。5對數字孿生概念的進一步解讀電機工程與應用電子技術系電機工程與應用電子技術系Department of Electrical Engin

4、eering數字孿生的定義 數字孿生是充分利用對象的物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程。通過在虛擬空間中完成對象的映射，反映對象的全生命周期過程。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國防采辦大學6對數字孿

5、生概念的進一步解讀電機工程與應用電子技術系電機工程與應用電子技術系Department of Electrical Engineering數字孿生的定義 數字孿生是在數字世界中建立一個與真實世界系統的運行性能完全一致，且可實現實時仿真的仿真模型。利用安裝在真實系統上的傳感器數據作為該仿真模型的邊界條件，實現真實世界的系統與數字世界的系統同步運行。ANSYS公司7對數字孿生概念的進一步解讀電機工程與應用電子技術系電機工程與應用電子技術系Department of Electrical Engineering數字孿生的定義 數字孿生是物理對象的數字模型，該模型可以通過接收來自物理對象的數據而實時演

6、化，從而與物理對象在全生命周期保持一致。北京航空航天大學 張霖教授 基于數字孿生可進行分析、預測、診斷、訓練等（即仿真），并將仿真結果反饋給物理對象，從而幫助對物理對象進行優化和決策。物理對象、數字孿生以及基于數字孿生的仿真及反饋一起構成一個信息物理系統 (cyber physical systems). 8對數字孿生概念的進一步解讀電機工程與應用電子技術系電機工程與應用電子技術系Department of Electrical Engineering數字孿生的定義 數字孿生是充分利用對象的物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程。通過在虛擬空間中完

7、成對象的映射，反映對象的全生命周期過程。 DigitalTwin就是“基于仿真的系統工程”（Simulation-Based Systems Engineering）Piascik, R.,et al., Technology Area 12: Materials, Structures, Mechanical Systems, andManufacturing Road Map. 2010, NASA Office of Chief Technologist.NASA9（1）DT是物理設備的一個實時的數字副本1。（2）DT是有生命或無生命的物理實體的數字副本。通過連接物理和虛擬世界，數據可以

8、無縫傳輸，從而使得虛擬實體與物理實體同時存在 2。（3）DT是對人工構建的或自然環境中的資產、流程或系統的數字表示 3。（4）DT是資產和過程的軟件表示，用于理解，預測和優化性能以改善業務 4。張霖，北京航空航天大學，Beepower公眾號微文：關于數字孿生的冷思考及其背后的建模和仿真技術1 Bacchiega IRSsrl, Gianluca (2017-06-01). Embeddeddigital twin.2 Saddik, A. El(April 2018). Digital Twins: The Convergence of MultimediaTechnologies. IEEE

9、 MultiMedia. 25 (2): 8792. doi: 10.1109/MMUL.2018.023121167. ISSN 1070-986X.3The Gemini Principles. www.cdbb.cam.ac.uk. Centre for Digital Built Britain.2018. Retrieved 2020-01-01.4 https:/ of Electrical Engineering10（5）DT是實際產品或流程的虛擬表示，用于理解和預測對應物的性能特點 5。（6）DT是在云平臺上運行的真實機器的耦合模型，并使用來自數據驅動的分析算法以及其他可用物理

10、知識的集成化知識對健康狀況進行仿真 6。（7）DT是物理對象或系統在其整個生命周期中的動態虛擬表示，使用實時數據實現理解，學習和推理 7。（8）DT使用物理系統的數字副本執行實時優化 8。（9）DT是現實世界和數字虛擬世界溝通的橋梁 9。5 https:/ Hung-An (January 2015). A Cyber-Physical Systems architecture for Industry 4.0-based manufacturing systems. Manufacturing Letters.3:1823. doi:10.1016/j.mfglet.2014.12.0017

11、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): 776808. doi:10.1108/JOSM-04-2018-01138 Sderbe

12、rg,Rikard, et al. Toward a DigitalTwin for real-time geometry assurance in individualized production. CIRP Annals 66.1 (2017): 137-140.9 http:/ of Electrical Engineering11對數字孿生概念的進一步解讀電機工程與應用電子技術系電機工程與應用電子技術系Department of Electrical Engineering幾個重要的概念數字孿生體特指在數字空間中與物理對象對應的模型物理-數字孿生系統由物理對象和其數字模型共同構成，兩

13、者保持同步、平行推演、閉環互動的信息物理系統數字孿生技術涉及物理對象的數字孿生體構造、基于數字孿生體的仿真、分析、預測和控制決策相關技術混用“數字孿生”指代上述不同概念是造成概念模糊的重要原因！12對數字孿生概念的進一步解讀電機工程與應用電子技術系電機工程與應用電子技術系Department of Electrical Engineering孿生體物體與鏡像特征相似？是否同步？是否自治？能否互動？孿生與鏡像的區別13電機工程與應用電子技術系電機工程與應用電子技術系Department of Electrical Engineering物理實體與數字孿生體的相互關系高級應用物理-數字 共生彼此有

14、利物理-數字 同步處于相同的發展階段，可推演當前物理對象的發展趨勢物理-數字 互動相互影響，相互作用物理-數字 自治在相同的內在基因的驅動下獨立演化，反映與不同外部條件的互動結果對數字孿生概念的進一步解讀14電機工程與應用電子技術系電機工程與應用電子技術系Department of Electrical Engineering數字孿生技術的主要特征對數字孿生概念的進一步解讀Oracle, “Digital Twins for IoT Applications,” 2017. Online. Available: https:/ of Electrical Engineering數字孿生技術的核

15、心對數字孿生概念的進一步解讀建模與仿真正確性有效性可重復性1602傳統電力系統仿真與數字孿生兩者之間有何異同？數字孿生的關鍵特征是什么？17傳統電力系統仿真與數字孿生電機工程與應用電子技術系電機工程與應用電子技術系Department of Electrical Engineering數字孿生和傳統的電力系統仿真有何區別？人們不是一直通過仿真認識電力系統、校核控制策略的嗎？數字孿生到底給我們帶來了什么新的東西？18傳統電力系統仿真與數字孿生電機工程與應用電子技術系電機工程與應用電子技術系Department of Electrical Engineering 實際運行的電力系統的物理結構、物理

16、特性、技術性能、經濟管理、環保指標、人員狀況、科教活動等數字地、形象化地、實時地描述與再現。它包含： 電力系統的物理結構； 實時狀態（量測）； 影響電力系統安全的環境信息； 經濟機構、市場信息； 管理信息； 各種類型的運行指標，如效率、環保； 其他。20002000年年 盧強盧強院士院士首次提出數字首次提出數字電電力力系統的概念系統的概念19傳統電力系統仿真與數字孿生電機工程與應用電子技術系電機工程與應用電子技術系Department of Electrical Engineering為什么數字孿生的從機械制造行業里誕生？為什么對系統進行仿真推演的思想在電力行業早已有之？為什么數字孿生技術中關

17、鍵的物理-數字閉環構想在電力行業沒有廣泛地實踐？20傳統電力系統仿真與數字孿生電機工程與應用電子技術系電機工程與應用電子技術系Department of Electrical Engineering歷史回顧：1965年發生北美大停電（Northeast blackout of 1965，1965年東北部停電），受影響人數約有3000萬人，207,000平方公里，停電時長達13小時。1970s，能量管理系統誕生，包括數據收集、能量管理、網絡分析和調度員培訓等功能。開始大規模使用仿真分析工具進行電力系統運行管理。21傳統電力系統仿真與數字孿生電機工程與應用電子技術系電機工程與應用電子技術系Depa

18、rtment of Electrical Engineering01電力系統動態過程太快02電力系統動態過于復雜03電力系統災變代價過大成也蕭何敗也蕭何謹慎閉環必須仿真22傳統電力系統仿真與數字孿生電機工程與應用電子技術系電機工程與應用電子技術系Department of Electrical Engineering電力系統動態的時間尺度23傳統電力系統仿真與數字孿生電機工程與應用電子技術系電機工程與應用電子技術系Department of Electrical Engineering納秒微秒毫秒秒分鐘小時月年元件裝置設備電網互聯大系統規劃機組組合PLM電磁暫態仿真機電暫態仿真硬件在環仿真中長

19、期動態仿真硬件在環仿真不同層次對象在不同時間尺度上的仿真模擬穩態空間電磁場分布潮流計算24電機工程與應用電子技術系電機工程與應用電子技術系Department of Electrical Engineering從功用上看：傳統的電力系統仿真只是分析工具增強感知01增強認知02增強智能03增強控制04利用物理規律補充傳感器的不足AlphaGO下出人類從未下過的棋訓練自動駕駛所用的虛擬場景閉環校正數字孿生以應用為導向傳統電力系統仿真與數字孿生25電機工程與應用電子技術系電機工程與應用電子技術系Department of Electrical Engineering大數據分析調控調控物理能源電力系統

20、物理能源電力系統自動化系統自動化系統數字調控策略數字調控策略數字仿真系統數字仿真系統實物系統實物系統數字空間數字空間高性能仿真策略驗證策略驗證智能智能決策決策云計算沙盤推演沙盤推演聚合傳輸分析洞見行動傳感增強感知增強認知增強智能增強控制數字孿生技術支撐的控制閉環傳統電力系統仿真與數字孿生2603構建電力系統數字孿生的關鍵技術27電機工程與應用電子技術系電機工程與應用電子技術系Department of Electrical Engineering構建電力系統數字孿生的關鍵技術01對象多層次02動態多尺度03業務多方面構造一個統一的電力系統數字孿生服務于眾多業務既無必要也無可能！28電機工程與應

21、用電子技術系電機工程與應用電子技術系Department of Electrical Engineering構建電力系統數字孿生的關鍵技術12693人工智能決策數字化交付技術模型交換和互動物聯網技術知識和數據驅動的融合建模虛擬化和容器技術高性能計算3D建模技術深度學習29電機工程與應用電子技術系電機工程與應用電子技術系Department of Electrical Engineering構建電力系統數字孿生的關鍵技術高性能仿真計算技術大電網運行國防建設1重大需求電力電子設備的加入造成微秒級秒級動態的相互影響；大規模交直流互聯造成電網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

22、定性；亟需大規模電網高性能（計算規模、計算時間、批量處理能力）電磁暫態仿真工具。1重大需求中壓直流供電系統是適應大型艦船供電的先進獨立電力系統；多電和全電化飛機是未來的發展趨勢；空間站供電系統是采用大量電力電子裝置的獨立直流系統；亟需全數字模擬+控制器在環+功率在環仿真分析工具；30電機工程與應用電子技術系電機工程與應用電子技術系Department of Electrical Engineering構建電力系統數字孿生的關鍵技術高性能仿真計算技術裝備制造教學科研1重大需求亟需通過大量數字仿真了解不同工況下的設備運行狀態并進行一二次設計；亟需通過大量仿真模擬進行設備故障溯因；亟需通過在線多物理

23、場仿真開展設備狀態評估與預測性維修；亟需數?；旌戏抡婀ぞ咴O計并驗證裝置設計和性能；亟需高效一體化的數字模擬+數?；旌戏抡娣治龉ぞ?。1重大需求先進電力電子設備的研究開發需要ns級的精細仿真；新型儲能設備（如氫燃料電池）的研究開發需要多物理場及場路耦合仿真工具；能源互聯網的研究需要跨學科的綜合仿真工具；大范圍跨領域的學術研究與交流亟需便捷的協作共享仿真平臺；31電機工程與應用電子技術系電機工程與應用電子技術系Department of Electrical Engineering構建電力系統數字孿生的關鍵技術高性能仿真計算技術面向電力系統與電力電子設備的寬頻仿真工具基于電路原理的寬頻域仿真技術1.

24、穩態潮流2. 中長期動態3. 機電暫態4. 電磁暫態5. 納秒級動態商業化的電力系統電磁暫態離線仿真工具、硬件在環仿真工具、電力電子系統納秒級動態仿真被國外壟斷，國產軟件在艱難的發展中！32電機工程與應用電子技術系電機工程與應用電子技術系Department of Electrical Engineering構建電力系統數字孿生的關鍵技術高性能仿真計算技術面向變電站、換流站及電氣設備的多物理場仿真基于數學模型的電磁場及多物理場仿真技術1.多物理建模2. 最優計算網格3. 多物理耦合機理4. 多物理場軟件5. 增材制造設計打印多物理場軟件工具國外軟件國產軟件ANSYS (HFSS, Maxwel

25、l, WorkBench)COMSOLAltair (Flux)CST Studio SuiteJMAG，InfolyticaFreeFem+, Elmer (開源)英特仿真-單場求解模塊功能不完善，耦合場求解功能缺乏基準測試云道智造-手機端云仿真，國內首創，起步較晚，產品功能不成熟元計算-缺乏電磁場專用單元，前處理依靠國外軟件33電機工程與應用電子技術系電機工程與應用電子技術系Department of Electrical Engineering構建電力系統數字孿生的關鍵技術高性能仿真計算技術1 攻關技術基于路描述的燃料電池工藝流程基于場描述的燃料電池電堆結構燃料電池參數尋優場路協同仿真

26、燃料電池工作在恒定工況條件下，邊界條件時不變，“場”和“路”可解耦優化 燃料電池工作在變工況條件下，邊界條件時變，“場”和“路”難以解耦優化參數尋優空間 = 場的參數空間 路的參數空間，亟需 “路”與“場”迭代優化的新型軟件！34電機工程與應用電子技術系電機工程與應用電子技術系Department of Electrical Engineering構建電力系統數字孿生的關鍵技術高性能仿真計算技術基于芯云邊協同架構的電力仿真專用設備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實時操作系統電力系統實時仿真軟件多物理場在線仿真軟件高性能電磁暫態仿真軟件場/路協同優化軟件大容量功率發大器35電

27、機工程與應用電子技術系電機工程與應用電子技術系Department of Electrical Engineering構建電力系統數字孿生的關鍵技術高性能仿真計算技術目標一電力專用仿真加速芯片實時操作系統大容量功率發大器云仿真平臺電力系統實時仿真軟件多物理場在線仿真軟件高性能電磁暫態仿真軟件場/路協同優化軟件實現大規模電力系統硬件在環仿真設備的完全自主化實現數字仿真與半物理仿真的一體化實現多物理場仿真的在線化實現場/路仿真的協同化目標二目標三目標四專業化小型化低功耗低成本高性能36電機工程與應用電子技術系電機工程與應用電子技術系Department of Electrical Engineer

28、ing構建電力系統數字孿生的關鍵技術電氣設備變電站多物理場仿真電網全電磁暫態仿真綜合能源系統場/路協同優化硬件在環仿真接口實時操作系統電力系統實時仿真軟件硬件在環仿真服務器云仿真平臺：協同共享多物理場在線仿真軟件高性能電磁暫態仿真軟件場/路協同優化軟件功率放大器邊緣側應用數字孿生邊緣側應用硬件在環仿真3704電力系統數字孿生技術實踐38電力系統數字孿生技術實踐電機工程與應用電子技術系電機工程與應用電子技術系Department of Electrical Engineering基于場路聯合仿真的電氣設備電磁場分布在線計算基于仿真校核的黑啟動策略在線生成基于仿真數據挖掘的連鎖故障模式分析與預測增

29、強認知增強感知增強控制基于場/路協同仿真優化氫燃料電池設計增強智能39電力系統數字孿生技術實踐電機工程與應用電子技術系電機工程與應用電子技術系Department of Electrical Engineering基于場路聯合仿真的電氣設備電磁場分布在線計算增強感知40電力系統數字孿生技術實踐電機工程與應用電子技術系電機工程與應用電子技術系Department of Electrical Engineering基于仿真數據挖掘的連鎖故障模式分析與預測增強認知第四步第三步第二步第一步預測新斷面的連鎖故障模式建立故障模式與關鍵輸電通道間的映射關系辨識典型連鎖故障模式連鎖故障仿真41電力系統數字孿生

30、技術實踐電機工程與應用電子技術系電機工程與應用電子技術系Department of Electrical Engineering場/路協同優化目標氫能綜合利用系統氫燃料電池多物理場仿真基于場/路協同仿真優化氫燃料電池設計增強智能42電力系統數字孿生技術實踐電機工程與應用電子技術系電機工程與應用電子技術系Department of Electrical Engineering基于仿真校核的黑啟動策略在線生成增強控制第四步第三步第二步第一步返回第一步仿真校核頻率和電壓變化優化分配啟動功率確定待啟動機組43電力系統數字孿生技術實踐電機工程與應用電子技術系電機工程與應用電子技術系Department of Electrical Engineering基于仿真校核的黑啟動策略在線生成增強控制Cloudpss平臺：黑啟動電磁仿真界面44小結電機工程與應用電子技術系電機工程與應用電子技術系Department of Electrical Engineering數字孿生技術的核心是建模與仿真1電力系統不可能構建一個統一的數字孿生體2數字孿生技術在電力系統中的應用應該以業務為導向3數字孿生技術可以提升對電力系統的認識和管理水平445