新型电力系统孪生构建与应用-沈沉

应用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清华四川能源互联网研究院能源电力系统数字孪生研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·卢强院士创立，历经30多年发展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强照里：旗世半电力系姚(1s均然共主量，两案进针的基出所就工许以何流遂事河考通付了解地数手电步姚市动于南氐电加8城明料平批学理和故就态实映解医生4系的★继道推制定彩有北继济运府家临，明包内系城勇故草控制和或事她发封B中电方系账alfpns.燃写为DP9的定文是：万实新道新有力系统的物能洁再.如理得惊技术修部岭研管地，保庆利教店场导胜字地形意化热疾时地推进与消递如果别7这一点就可以就建立了动实常他方书概的数守电办系眺革十电力系也的华电力系的物建造构地即真实他购1,各做重世逐模式人灵信患藤严置.FACT9世条方电平生量腔招旅华重等)正望电厂、变电品等主夏证备健道”志经喷练格市场信息(响电力系统安金的导殊自鹏斗地，让如第 需造维灾库出7地方系统编地时畅录比有人勇鲁下特刷关注慕免发生重大来电附扫管理险息，推我人民管理息哪力系照的齐季年解档前率，却越力系节的率海息m北有7ps酒他轮管理单下达姓令在监际此皆尊届可以进一步激适世理和法重此地力系概是分属的海一里授向上一密理里施报信息TDs眦轮银快地指这些情息旅相物集起米2.2安全稳定性实评法与次画前于方系统，最要题血行画卡会性旗下同越西业里舞四未得外好解热黄国也力系统性血视注稳定a的土事啦资谣善发生d六七流京热热难件地迎动导的蜂电事流、过的德就初死脚共进中力系隐的世全力糖向部酒先要实时地对系统进行蜜速许么立熙止状点所淤徒置应手联高时画现共际上地为系然有一1枪定城这个意定城道填行情助变化再改部材点在糖运填十的站葫共爆：叶可晌改曹责业稳迎性的建议和重略圆此，世要峡23培济解培定和实件在口需通标中.DPS给出在满近安鱼缘定的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);口经济机构、市场信息；口管理信息；堆(三位老师)鼓术许可会胃书技术授权(三位老师)鼓术许可会胃书技术授权E清鸾科技(成都)(于智同、宋炎侃)团队介绍清鸾科技生所高校生产企业…小结小结aaM姐1立载731题之面监过落该化自3分9,G次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物理实体与数字孪生体的相互关系同步互动共生88物理实体与数字孪生体的相互关系高级应用相互影响，在相同的内在基因的驱动下独立演化，反映与不同外部条在相同的内在基因的驱动下独立演化，反映与不同外部条堆驱动规律同步(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。可假设性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中国电机工程学会中国电机工程学会2有效性2有效性3的的四级(L4):以虚优实认知对方的更新内容使两者保持动态一致性的有效性1成熟度等级当前数字季生数据(DD)(物理空间))数字摩生模型(DM)五级(L5)自主摩生四级(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→翻动胸时奖零级(LO)以虚仿实陶飞，张辰源，戚庆林，张贺，数字李生成熟度模型[J].计算机集成制造系统，2022,28(5):1267-1281.…小结历史数据参数优化数据数据历史态故障反演静态模型文件实时量测实时态预测数据预测数据研究态规划态测试态国电机工程学会数字孪生技术助力新型电力系统建设——实时态应用国电机工程学会安全稳定控制措施失配安全稳定控制措施失配控制失配停电鼻连锁故障风险急剧增大连锁故障风险急剧增大建模不准确影响机理认知海量抽样仿真模拟处理效率低实时态应用——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物理认知离线建模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--电力系统“双高”特征：新能源发电高渗透，电力电子设备高渗透“双高”电力系统特点新型电力系统数字孪生实时态(在线)应用面对的挑战·根据业务需求而定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!!!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909.1s算例模型类型单相电气控制节点计算使用内核内核(实时)温小结i…理论问题控制策略模型俊数设备定值单cCloudPSS自动建疯SDK人工参与一次拓扑、设备参数定制化的文件SimStudio模型源荷严重不平衡故障扩散系统崩溃大停电源荷严重不平衡故障扩散系统崩溃大停电过载过载线路过载故障清除单一故障系统失步系统失步功角摇摆多重故障电压失稳电压异常大规模负荷变化电压失稳电压异常频率失稳频率异常频率失稳隐故障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线路过载过载过载线路过载故障扩散系统崩溃大停电故障扩散系统崩溃大停电功角摇摆系统失步功角摇摆电网电压分布改变电压异常单一故障电压失稳电压异常单一故障频率异常系统状态频率异常系统状态剧烈波动ss数字孪生体在线更新技术数字孪生数字孪生体仿真实际量测PronyProny辨识结果对比M平稳工况平稳工况仿真波形技术问题之三数字/数模一体化仿真技术CloudPSS-XStudio数字孪生工坊架构与应用体系高级应用功能CloudPSS原生内核数据库Linux/RTOS公有云能源电力系统数字孪生领域的“软硬件系统”、“生产力工具”和“应用市场”中国电机工程学会中国电机工程学会支持第三方开发提供核心服务构建云原生环境其他知识和数据驱其他动的融合建模物联网技术多时间尺度物联网技术高性能仿真1数字化交付技术一模型交换和互动2数字化交付技术一模型交换和互动29963D建模技术仿真结果智能解析技术智能决策数字孪生与AI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。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。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人工智能与计算技术的结合人工智能与计算技术的结合仿真智能侧重于通过计算机模拟更高效地探索复杂系统的行为，加速科学发现侧重于将人工智能技术应用于仿真的具体系统中，以增强系侧重于通过计算机模拟更高效地探索复杂系统的行为，加速科学发现智能仿真口范式1:仿真与Al融合的数字孪生应用口范式2:新型电力系统生成式智能应用自感知、自学习、自决策、自执行、自适应新型电力系统智能广域机器人数字孪生新型电力系统智能广域机器人数字孪生电力多模态A大模型电力多模态A大模型新型电力系统新型电力系统数字化底座互动互动代码数据模型增强增强仿真同步演进仿真同步演进——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、决策数字孪生数字孪生新型电力系统新型电力系统智能仿真案例1:图神经网络+虚拟量测生成5的引郭高分辨率量测超分辨率法输出低分辨率量测bn58口电力系统超分辨率量测思路口电力系统超分辨率量测思路H4实际虽测+SR生成=数字量测…1局··深蓝色区域表示量测数据缺失(只有2个节点完全量测)神经网络损失函数设计Pr-acg(sn²-loss=Lossmse+c+Losse(基于状态钻计的约束以电网物理规律约束神经网络训练，提高网络表达能力由多层谱域(Spectral)图卷积构成，整体呈现纺锤形高分辨率入[1]Z.Wang,Y.Chen,5.Huang,X.Zhang,andX.Lu,"TemporalGraphSuperResolutiononPowerDistributionNetwork中国电机工程学会c中国电机工程学会c口新型电力系统设备繁多，存在建模盲区，导致系统动力学模型不完备，仿真结果失准口提出基于微分神经网络的动态建模方法，开源设备与区域电网动力学深度学习软件[1-4],实现解析模型和神经网络模型联合仿真结合数值积分框架与神经网络，从元件、子系统的端口时序量测中学习系统隐藏动态可电力网络方程可功率交换设备产生注入电流的动态元件，微分代数神经网络工况1:5.95m/s风速Neural微分代数神经网络工况1:5.95m/s风速NeuralM十⑨十NA微分神经网络微分神经网络NruralNrural扩展微分神经网络神经网络如励磁控制器、调速器与原动机、电力系统稳定工况3:6.00m/s,7.75m/s.9.81m/s工况2:6.39m/s、9.87m/s、10.08m/sA工况3:6.00m/s,7.75m/s.9.81m/s工况2:6.39m/s、9.87m/s、10.08m/sA[1]htps://sxJi[4]T.Xiao,Y.Chen,S.Huang,T.He,andH.Guan,"FeasibilittyStudyofNeuralODEandDAEModulesforPower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类别G网络G网络I生成数编码据对据对生成样本750→150/类判别器智能仿真案例4:物理约束深度学习+动态安全评估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xxLSTM1X5电网状态特征多通道输入图结构图中焊网络层整经网络层激活激活函数鱼数故障诊断输入特征电网拓扑特征注入故障稳定性预测轨迹预测训练曲重战任考数捞均率：面号面号断面名称二断面灵敏度12356489714KWang.W.Wei,I.Xiao,5.Huang.B.Zhou,andM.Diac,"Power14KWang.W.Wei,I.Xiao,5.Huang.B.Zhou,andM.Diac,"Powernetwork-basedtransientsecurityassessmentsurrogate[5K.Wang.H.Dlao,W.Wel,T.Xao,Y.Chechanneltimeseniesdatamining."ErergyReports,vol&.pp.843-851,Nov.2022.[1]汪康康，梅生伟，魏哉，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]刁吃，肖谭南，黄少伟，等，数据驱动的电力系统关键断面稀选[1].电网技术，2023,47(10):4035-4046.3]庄频容，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团，电力系统自动化，2022,46(11:11-18.中国电机工程学会智能仿真案例5:强化学习+暂态安全约束最优潮流中国电机工程学会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课程学习动作(Action)并发风电场偏航控制电力大语言模型2060025000350001600bE0决策耗时/秒决策耗时/秒T是as0数字孪生+Al应用范式2——仿真智能口线上大语言模型(AzureOpenAl)+CloudPSS,开源三个Demol11,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知识库接口电力多模态A大模型数据数据数据自学习大数据方法自决策仿真插件接入的智能体(Agent)方法自决策数字孪生API数字孪生API算法自执行业务自适应业务自适应[1psl/sithubcon数字孪生+Al应用范式2——仿真智能数字孪生+Al应用范式2——仿真智能s向我课题组青年学者们发表的网上讲演(代序)智能电网口智能广域机器人(SmartWide-AreaRobot——Smarts向我课题组青年学者们发表的网上讲演(代序)智能电网智能电网与智能广城机器人aa----e%e%一口接入外部知识的问答(RAG,Retrieval-AugmentedGeneration)wweore从外部数据库获得新知识，克服知识局限性缓解大语言模型生成时的“幻觉”离线化的知识数据库能够确保信息安全利用大语言模型的推理、模仿和规划能力，结合外部工具调用实现智能体构建通过多智能体协同和复杂任务逻辑拆分，充分发挥专用任务微调大语言模型的优势isavalidIPv6aidresswithreExpressionfregex)tocheckifastringpythoneriarmhntorepeitatposIton理解任务要求，利用大语言模型进行代码生成，并自主执行代码，汇总结果结合人类反馈、代码运行结果反思不断提升代码生成的质量[1]ZhaoP,ZhangH,YuQ,etal.Retrieval-AugmentedGenerationforAI-G[2]WuQ,BansalG,ZhangJ,etal.Autogen:Enablingnext-genlmapplicationsviamulti-agent □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]需求翻译数据模型算法驷W驷接口自感知示例——CloudPSSSDK手册问答·文档切分、嵌入向量数据库作为大语言模型提示词提示司提示司Anwer问题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。算法层开发套件帮助用户在CloudPSSFuncStudio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，方便用户开发高级口大语言模型智能体大