新型电力系统孪生构建与应用-沈沉

应用沈沉CHNESESOCETYFORELE团队介绍清华大学电机系现代电力能源系统安全控制与高效利用研究团队·卢强院士创立，历经30多年发展刘锋配教段清华四川能源互联网研究院清华四川能源互联网研究院能源电力系统数字孪生研究所陈颖主任黄少伟副主任于智同主任动未炎侃工·2017年成立，专业研发团队约30余人专注于基础仿真软件研发、技术咨询、支撑能源电力系统数字化转型团队介绍DPS2000年卢强院士首次提出数字电力系统的概念中面分类号：7强什家略，也内系测如或事她:泽设攀体的物部0海武和模式人类倍息帐系可包江F与洁系可包江F与洁)笙电厂变电重设备的”法代的殊口题，让加第端压路正于陈量区或认中河天注度生度人些内验发电料系场领私变也动产北有Tpps河管单下达龄+在际学世判上迷日的是全系填的英的重理这概是DS雨将有的高Mise22安全他途性评与要时地对系既进蛙计在概富通力时照“住”实知系组薄和在运域十的：改业格定性的建议和雪略四处，料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：口电力系统的物理结构；口实时状态(量测);口影响电力系统安全的环境信息；口经济机构、市场信息；口管理信息；口各种类型的运行指标，如效率、团队介绍(三位老师)鼓术许可命用技术授权清华大学+清华四川院(三位老师)鼓术许可命用技术授权清鸾科技(成都)(于智同、宋炎侃)44高校清鸾高校清鸾科技生所研发研发。5中国电机工程学会中国电机工程学会团队对数字孪生概念的理解数字孪生技术助力新型电力系统建设当前新型电力系统数字孪生的几个研究重点数字孪生与Al的结合小结6中国电机工程学会对数字孪生概念的理解中国电机工程学会eea疑,E疑,r11>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。>数字孪生支持沙盘推演、策略验证和人工智能决策等关键技术的发展，是智能制造的基础。数字孪生技术在航空工业、工业生产线模拟方面应用广泛。>能源电力系统数字孪生是真实能源电力系统在数字空间中的投影和镜像。>数据和知识共同驱动信息物理能源网络的数字空间建模。高性能数字仿真技术是能源电力系统数字孪生技术的基础，实现对复杂的“信息-能量-环境”耦合动态精确模拟是构建能源电力系统数字孪生的前提。物理实体与数字孪生体的相互关系清华路吟互动共生88中国电机工程学会对数字孪生概念的理解中国电机工程学会物理实体与数字孪生体的相互关系高级应用物理-数字共生彼此有利虚实共生物理-数字共生彼此有利虚实共生物理-数字同步2处于相同的发展2阶段，可推演当前物理对象的发展趋势物理-数字互动相互影响，相互作用物理-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9物理-数字同步的多层含义驱动规律同步(模型同步)物理实体和数字孪生体在相同物理规律的驱动下演化。因物理实体的结构和参数变化导致其特性变化时，数字孪生体的对应部分也应进行相应变化以保证物理实体和数字孪生体的特性一致。演化过程同步(状态同步)理论上讲，数字孪生体的状态和物理实体的状态在每个时刻都应该相同。实际工程中只能保证在一定的时间段内两者的状态处于一定的范围之内。即同步时间段的长短。根据业务需要，同步速率可以选择不同的时间尺度。如果服务于调度，可以选择分钟；服务于规划，可以选择年。对数字孪生概念的理解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。可解释性可以让运营者理解单个机器或群体机器的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。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互动性可以连接数学模型和物理实体，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,"DigitalTwinsforloTApplications,"Available:/assets/digital-twins-for-iot-apps-wp-3491953.pdf中国电机工程学会对数字孪生概念的理解中国电机工程学会223·弥补未建模动态·弥补不确定信息的微分代数的微分代数模型的统计相关性模型·弥补样本有限的弱点传统电力系统仿真与数字孪生四级(L4):以虚优实·数字孪生体实时反映物理实体的运行状态，·预测物理实体的未来发展·实现具有时效性的智能决策和优化·基于实时交互机制实现对物理实体的智能管控。五级(L5):虚实共生·物理实体和数字孪生体长时间同步运行·物理实体和数字孪生体能够基于双向交互实时感知和认知对方的更新内容·物理实体和数字孪生体能够通过自主构建或动态重构，使两者保持动态一致性·能够保证可视化、预测、决策、优化等诸多功能服务的有效性甲”成熟度等级当前数字李生数据(DD)(物理空间))数字季生模型(DM)预测结果决策结果五级(L5)自主挛生四级(L4)以虚优实决策优化三级(L3)以虚预实二级(L2)以虚控实时效分析闭坏迭代一级(L1)以虚映实头→指wm→基于油m的零级(LO)以虚仿实陶飞，张辰源，戚庆林，张贺，数字李生成热度模型J].计算机集成制造系统，2022,28(5):1267-1281.团队对数字孪生概念的理解数字孪生技术助力新型电力系统建设当前新型电力系统数字孪生的几个研究重点数字孪生与Al的结合小结。。参数优化故障录波过去历史态故障反演静态模型文件拓扑参数设备参数QS文件电磁暂态仿真时序潮流计算负荷预测新能源出力负荷预测未来研究态规划态测试态用于新设备选型，分析数字孪生技术助力新型电力系统建设——实时态应用基于传统仿真的新型电力系统安全稳定分析与控制方法面临的新挑战安全稳定控制措施失配建模不准确影响机理认知海量建模不准确影响机理认知海量抽样仿真模拟处理效率低基于预想场景的的预案式控制策略缺乏鲁棒性访真缺失….运行策略未及时调整控制策略失配导致稳控导致“8.15”台湾大拒动造成“6.16”阿根停电廷大停电连锁故障风险急剧增大“伊恩”飓风登陆古“伊恩”飓风登陆古。数字孪生技术助力新型电力系统建设——实时态应用●数字孪生体采用机理-数据混合驱动以及迭代修正的建模方法保证了模型准确性●数字孪生体与物理实体同步演化的仿真策略消减了大量不确定场景●基于数字孪生体的在线策略校验保证了控制策略的有效性和鲁棒性模型构建物理认知离线建模不确定场景预想抽样海量仿真实时模拟同步演化控制策略离线决策计算校验在线决策滚动校验新型电力系统数字孪生实时态(在线)应用面对的挑战中国电机工程学会“双高”电力系统特点>系统惯量小>设备单机容量小·对每台设备均详细建模并不实际>状态时空耦合性强·不同时间常数的动态相互影响>复杂多样的动态特性·电力电子设备的外特性主要由其内置控制策略决定>动态特性具有离散性动态特性易受外界扰动影响“需要回答几方面的问题·三道防线在线校核?。。新型电力系统数字孪生实时态(在线)应用面对的挑战用条件!!!算例三相单相电气控制节点计算使用(50μs步长)内核内核90-9.1s算例模型类型单相电气控制节点计算使用内核内核+白盒控制(实时)+黑盒控制中国电机工程学会中国电机工程学会团队对数字孪生概念的理解数字孪生技术助力新型电力系统建设当前新型电力系统数字孪生的几个研究重点数字孪生与Al的结合小结数字孪生体物理实体数字孪生体物理实体控制策略控制策略趋同调节”nSimStudio模型定制化的中国电机工程学会自动化程度动化程度动化程度动化程度动化程度。技术问题之一一二次融合建模的必要性故障扩散系统崩溃大停电潮流调整连续跳闸保护动作过载过载线路过载故障清除单一故障后备保护动作故障扩散系统崩溃大停电潮流调整连续跳闸保护动作过载过载线路过载故障清除单一故障源荷严重不平衡源荷严重不平衡功角稳定功角稳定系统失步多重故障系统失步多重故障电压控制低压减载电压控制电压失稳电压异常大规模负荷变化电压失稳电压异常低频减载频率异常隐故障甲“传统电力系统连锁故障诱因及发展过程甲“一二次融合建模的必要性一次二次设备无序响应导致源荷严重不平衡一次二次设备无序响应导致源荷严重不平衡功角摇摆电压异常系统状态剧烈波动故障扩散系统崩溃大停电故障扩散系统崩溃大停电系统失步锁脱网当前新型电力系统数字孪生的几个研究重点技术问题之二数字孪生体在线更新技术●针对大扰动工况，对比数字孪生体和实际系统主导运动模式差异，通过系统关键参数与运动模式间的关系，基于GMM-PSO方法实现数字孪生体参数的在线更新的参数校正数字孪生体仿真大扰动实际量测●针对平稳工况，在数字孪生体中对随机噪声及其响应进行模拟，对比实际量测得到的随机响应统计特征，基于鲁棒优化方法进行数字孪生体最优参数组合在线更新基于分布鲁棒优化的参数校正平稳工况基于分布鲁棒优化的参数校正平稳工况仿真波形平稳工况实际量测技术问题之三数字/数模一体化仿真技术建模仿真当前新型电力系统数字孪生的几个研究重点中国电机工程学会技术问题之四数字孪生构建工具CloudPSS-XStudio数字孪生工坊架构与应用体系应用模块基础CloudPSS-EMTlab内核CloudPSS内核CloudPSS原生内核数据库公有云基础公有云基础Pro/Mini私有云Pro/Mini私有云当前新型电力系统数字孪生的几个研究重点中国电机工程学会构建应用生态构建应用生态支持第三方开发以互联网思维发展壮大提供核心服务·方便用户接入当前新型电力系统数字孪生的几个研究重点中国电机工程学会其他知识和数据驱动的融合建模其他物联网技术多时间尺度高性能仿真物联网技术12虚拟化和容器技术3-9数字化交付技术—模型交换和互动2虚拟化和容器技术3-9仿真结果智能解析技术米3D仿真结果智能解析技术米智能决策。,团队对数字孪生概念的理解数字孪生技术助力新型电力系统建设当前新型电力系统数字孪生的几个研究重点数字孪生与Al的结合小结需要关注新的研究方向——智能仿真与仿真智能支持互联的新计算理论方法、架构系统和技术能力的总称。目的是支持大规模和复杂的计算任务。人工智能与计算技术的结合融合了科学计算、科学仿真和人工智能的新领域。目的是更好地理解和发现物理世界现象背后的本质人工智能与计算技术的结合智能仿真仿真智能智能仿真侧重于将人工智能技术应用于仿真的具体系统中，以增强系统的自主性和智能化水平侧重于通过计算机模拟更高效侧重于将人工智能技术应用于仿真的具体系统中，以增强系统的自主性和智能化水平智能仿真仿真智能口范式2:新型电力系统生成式智能应用新型电力系统智能广域机器人接口自感知新型电力系统智能广域机器人接口自感知量测感知新型电力系统知识库新型电力系统知识库型鹰动鹰动同步演进AI仿真AI仿真增增强仿真平台数字孪生仿真平台数字孪生分析挖掘业务自适应优化决策业务自适应数字孪生+Al应用范式1——智能仿真口五个智能仿真的案例，分别对应感知、建模、推演、分析、决策口CloudPSS平台生成数据，利用Al挖掘数据形成任务专用模型数字孪生量测感知数字孪生量测感知图神经网络+虚拟量测生成新型电力系统新型电力系统孪生体构建虚拟实验微孪生体构建虚拟实验对抗生成网络+运行场景定向生成同步分析挖掘物理约束深度学习+动态安全评估分析挖掘优化决策强化学习+暂态安全约束最优潮流优化决策智能仿真案例1:图神经网络+虚拟量测生成正而正而量测严重缺失时超分辨率输出稀疏抽样SR生成偏差对比*05匠稀疏量测损耗分布深度神经网络电能质量>空间量测配置不同纵轴：设备编号横轴：量测时刻量测采样频率不一致>量测可信度不一致…输电网/配电网故障定置稠密量测以电网物理规律约束神经网络训练，提高网络表达能力入[21吕奇峰，陈颖，肖谭南，等.基于图注意力网络的配电网超分辨率量测生成方法[J].电力系统白动化，2023,47(5):26-34.[3]柳劲松，肖谭南，黄兴德，等，基于拓扑分解训练的配电网协同超分辨率量测生成算法D].供用电，2024,41(1):26-33.37中国电机工程学会一智能仿真案例2:微分神经网络+端口特性动力学建模中国电机工程学会一电力网络方程神经网络功率交换设备@h产生注入电流的动态元件，@h工况1:5.95m/s风速Nourat工况1:5.95m/s风速Nourat面MA微分神经网络相关状态变量。控制信号微分神经网络NruratNrurat扩展微分Tt工况2:6.39m/s、9.87m/s,10.08m/s工况3:6.00m/s、7.75m/sTt工况2:6.39m/s、9.87m/s,10.08m/s工况3:6.00m/s、7.75m/s、9.81m/sa[2]曹斌，苏珂，原帅，等.基于微分代敌神经网络的含新能源区域电网端11动[3]顾启平，肖谭南，李东晟，等.基于微分神经网络的风AT.XaoY.chen,S,HuangLTHe,andH.GunFeasbntysuayofeualoDEandDAEMouesforPowerstemovwnanecomonentModclne'lETrans.onPowersyt,vols8,no.3.p.266-2678,202智能仿真案例3:对抗生成网络+运行场景定向生成口多元不确定性影响下，系统运行边界条件多样，难以快速生成满足特定运行指标的运行场景口提出了基于生成对抗网络的运行场景定向生成方法，可以根据配网运行安全性和经济性指标，精准定向生成潮流样本测试系统和样本数据定向生成运行方式类别定向对抗生成网络测试系统和样本数据定向生成运行方式类别G网络生成数G网络生成数据对生成潮流数据编码器E网络原始数实际潮流数据噪声69节点配网噪声69节点配网a1a19生成样本750→150/类911运行样本20k→5运行样本20k→5类口新型电力系统运行不确定性强，预想事故数量增多，安全稳定性校核需要完成大量仿真，安全边界刻画成本高口提出物理特性约束的电力系统稳定特征提取神经网络[1-51,满足多种动态安全评估需求 LSTM#2₂S图结构国啤保网络层配经网络层故障诊断输入特征电网拓扑特征注入电网状态特征多通道输入数s考虑电网物理特性约束的神经网络智能暂稳分析模块稳定性预测与失稳模式识别短时仿再获取时序数据个辅助分析服务器海量仿真数据★△田◎-中国电科院超算平台6二均垫：6二均垫：[1]汪康康，梅生伟，魏线等，基于图卷积网络的快速哲态安全评估方法J.电力系统保护与控制，2023,51/01):43-51.[2]刁晗，肖潭南，黄少伟等，数据驱动的电力系统关键断面籍选[J].电网技术，2023,47(10):4035-4046.3庄颗部，背即南，程林，等，基于时空图卷积网络的电力系统哲态稳定评估国.电力系统白动化，2022,46(11:11-18.channeltimeseriesdatamning,"ErergyReports.vol8.pp.843-851,Nov.2022.口优化调度一刻不停：新型电力系统自动化水平更高，优化调度决策必然走向全面自动闭环口运行方式变化多，不确定性水平高——调度人员知识和经验积累跟不上新型电力系统发展口开源可快速收敛的暂态稳定约束最优调度强化学习软件[1-3],运行方式计算精准、高效断面极限搜索奖励风电场偏航控制电力大语言模型最优调度预防控制Doitagant设计并发探索[1]bips///xxh0S23FCD应用于710节点实际电网，实现在线安全稳定控制，控制有效率100%,控制策略收益平均达到PSO算法所得策略收益的97.32%训练过程：所提算法(红)对比原DDPG算法(蓝)失稳→稳定[2]聂欢欢，张家琦，陈颖等，基于双层强化学习方法的多能园区实时经济训度[J/Ou].电网技术，2021,45(4):1330-1336.3T.Xoo,vcChen,H.Dao,5.Htaneandc.shen,onFastconeredDepRenocementearnetoroptimalDbspatchoflaresalePowersystemsunderansen数字孪生+Al应用范式2——仿真智能中国电机工程学会口线上大语言模型(AzureOpenAl)+CloudPSS,开源三个Demol¹],分别对应新型电力系统智能广域机器人接口自感知新型电力系统智能广域机器人接口自感知知识库知识库型数字化底座数据自学习拓扑方法自决策方法自决策仿真平台数字孪生仿真平台数字孪生算法自执行业务自适应敬请期待……业务自适应盟数字孪生+Al应用范式2——仿真智能智能电网向我课题组青年学者们发表的网上讲演(代序)请行细查一给于如此或作大系统的的L辽种融，理，新，发X中国筑然.医为改国智能电网与智能广城机器人u中国电机工程学会中国电机工程学会04.tdnS4.tdnSDankDuOhpmA1.MPeliontchaugAZhisom构建isavatidIFv6.addressvithregupythonerrorTracebackerrorTracebackfaoerorpohinulorepeitatposto果>结合人类反馈、代码运行结果反思不[1]ZhaoP,ZhangH,YuQ,etal,Retrieval-AugmentedGenerationforAl-Genera[2]WuO,BansalG,ZhangJ,etalAutogenEnablingnext-genlmapplcati13]ZhengT,ZhangG,ShenT,etal.OpenCodelnterpreterInte口CloudPSS平台为实现SmartWAR提供了数字化底座(开发工具、运行环境、仿真引擎)[1]模型需求翻译ChatGPT需求翻译ChatGPT分析仿真结果，生成分析结论数据翻译计算节点批量实验及报告生成[1]丁俐夫，陈颊，肖谭南，等，基于大语言模型的新型电力系统生成式智能应用模式初探[J].电力系统白动化：1-16.中国电机工程学会接口自感知示例——CloudPSSSDK手册问答中国电机工程学会口检索增强生成RAG(Retrieval-·文档切分、嵌入向量数据库·检索器根据问题检索相关文档，作为大语言模型提示词相关知识提示词提示词Q:CloudPSSSDK有哪些功能?回答笼统，不准确A:CloudPSSSDK是一组开发工具和库，用于简化过程。它提供了以下功能：SDK提供了一系列功能和工具，帮助开发者更轻松行应用程序开发和管理。CloudPSSSDK手册注入，回答更精准A:CloudPSSSDK提供了以下功能：用户可以通过编写Python、Matlab等脚本构建自定义模型、批量仿真计算、自动包含模型层、算法层和应用层三种开发套件。……模型层开发套件支持基于Matlab函数的自定义控制元件接入。算FuncStudio中集成自己的算法内核，从而快速开发并部署自己的计算应用。应用层开发套件帮助用户利用脚本的形式快速调用CloudPSS官方计算内核和第三方接入的计算内核，方便用户开发高级计算分析应用。”口大语言模型智能体业务功能插件业务功能插件Plugin思维链-组件链自然语言输入解析读取插件输出调用仿真插件自然语言输出更多的信息才能为您计算潮流。潮流计算通常需要考虑电网拓扑、负荷数据、发电机参数等多个因素。如果您我将会尽力为您进行潮流计算。电网分析智能体电网分析智能体思考1:我需要得到发电机1、5、9的潮流计算结果。动作1:潮流计算。观测1:潮流计算在4次迭代后成功收敛。思考2:潮流计算已成功完成。动作2:获取发电机1的潮流计算结果。观测2:FGenerator1:P=5.72857p.u.,Q=2.052401p.n.']。思考3:我已经获取发电机1的潮流计算结果，我还需要发电机5和9的潮流计算结果