基于数字孪生与沙某省市市新型电力系统元宇宙建设

基于数字孪生与沙盘推某省市新型电力系统元宇宙建设————以分布式能源资源调度为例性别上海交通大學SHANGHAIJIAOTONGUNIVERSITYPARTONE工程背景TYSJTU贺兴副研究员电气系&大数据工程技术研究中心博士导后合作导研究方向：数据科学在能源系统中的应用DataScientistmeansaprofessionalwhousesscientific

methodstoliberateandcreatemeaningfromrawdata.——byDidDonoho[50yearsofDataScience]时空大数据分析(2013)人工智能(2017)数字孪生(2019)元宇宙(2022)BigDataAnalyticsArtificialIntelligenceDigitalTwinMeterse科学技术部PhysicalDigital新闻中心信息公开科技改革科技计划办事服务公众参与专题专栏InnevationenJan:xx------答案类型：发布机……2022年2月22日SHIN:a10.文章。81雪道科技部关于发布科技创新2030————新一代人工智能”重大项目2018年度项日中报指南的通知insightMixed分布式能源虚拟孪生体的聚合行为及其涌现现象研究(2023-2026)分布式能源虚拟孪生体的聚合行为及其涌现现象研究(2023-2026)基于随机矩阵理论和深度学习技术融合的配某著名企业故障高维判据构建及其智能诊断方法研究(2020-2022)基于随机矩阵理论和深度学习技术融合的配某著名企业故障高维判据构建及其智能诊断方法研究(2020-2022)基于数字孪生和态势感知技术的区域能源网最佳行为决策研究(2021-2022)课题3：基于高维相关性分析的因素影响力分析及关键因素溯源基于数字孪生和态势感知技术的区域能源网最佳行为决策研究(2021-2022)课题3：基于高维相关性分析的因素影响力分析及关键因素溯源IEEE授予在能源领域做出杰出贡献的35岁以下会员IEEE数字孪生/ITU元宇宙工作组成员国际标准发起人之一工博会某著名企业展厅现场介绍蔡伦站(首个数字孪生变电站)上海交通大学电子信息与电气工程学院贺兴足按狐问【能源创新青年预告：数字孪生与数据驱动CSE志愿基学术后资产能源创新青年第3期“数字孪生与数据驱动”POWERSYSTEMTECHNOLOGY性别上海交通大學SHANGHAIJIAOTONGUNIVERSITYPARTONE工程背景TYSJTU必要性与背景(系统业务背景)韭1、新元素、新需求：小规模、大数量、多元化、分布式、智能化…；2、传统用户侧发展成源-网-荷-储多元素共存的复杂聚合体，突破地理约束(微网→虚拟电厂)；研究背景3、用户侧分布式能源资源DER具有潜在的巨大经济和社会价值，其难点在于如何协同；5必要性与背景(多主体调控业务视角)现有调控系统难以处理多元化、不确定性；面向大型火力机组寡头的调控模式难以适用于含数量庞大的新能源、柔性资源的复杂系统；可再生能源建模与常规机组不同，如何表征其成本-价格曲线与出力置信度(波动曲线)从而完成与调控业务模块(如机组优化)的对接；调控对象数量到达一定规模((N>1000)时，存在高维空间寻优组合爆炸的问题，耗时费力；当前调控仍然依靠机理知识与人员水平，机器智能处于较低水平；调控效果强烈取决于模型精度、且结果是开环的，无法验证；日前和日内系统环境情况差距较大时，日内实施滚动调度难以展开；调控在空间和时间上较为片面，以调度为例，在机组组合方面以外(空间方面的互补互济，长时间跨度的统筹)缺乏统筹兼顾的思想与工具；业务之间(调度、某省市场、运检)的联动较少；6上海交通大學SHANGHAIJIAOTONGUNIVERSITYSJTU关键步骤：对象认知与优化行动紧急运行模式2场景视角：紧急运行模式1多场景，多演绎路径，环境变化，系统状态转移等11再认知认知日常运行模式2组态视角：信息涌现日常运行模式1聚合行为→涌现现象→复杂系统智慧涌现单体集群系统稳定供给价值涌现行动经济公平优化视角：多目标，能源不可能三角，绿色环保评价校核机制等对象认知→分布式资源聚合体及其系统涌现现象认知8科学问题1————复杂系统→涌现→整体论SHANGHAIJLAOTONGUNIVERSITY机理分析线性累加电力系统上述涌现现象的机理老子《道德经》：道生一，一生二，二生三，三生万物哈密顿模型的三机电力系统以G₁和G₂为S群,以G₂为A群,用CCCOF变换来凝聚S群。设主导映像系统具有非自治和非哈密顿因素：这些非线性因素造成了丰富的流现现象：-反提大档一智志多摆矢量-失稳模式-1SD(孤立稳定域)在单机或两机系统中，不会发生活现在实际的多机系统中可以观察到只要存在第三机作为干扰项，就有可能发生涌现-NARI现象(IND引起的收敛错误)-机械阻尼系数的负效应现象-Lorenz-like现象-稳定控制的负效应复杂系统的研究迫切需要全新的系统科学范式社会演化问题(如涉及多领域的双碳变革)缺乏有效的研究范式非线性运动稳定性问题，即使仅涉及单一领域，也呈现复杂系统特征哈密顿的单机或两机系统为非复杂系统，可以获得定量解-但哪怕只是计入了限尼系数，那单机系统也得不到定量解-只要加入第三机，就不但没有定量解，并可能活现出悖于常识的现象Loretz系统，仅有三维，本质不确定性的机理长期一直是个谜这些复杂系统的模型及求解目标差别巨大，各自的求解方法必然不同，但它们之间是否可以遵循相同的方法轮呢?其他有效期限在一个3机系统中发现的“双吸引子”现象大机组G31985年开始，我从不自觉到自觉地持续探索整体论与还原论的融合方法决定论/还原论对于复杂系统的涌现现象亟需新的理论与技术！节选自院士的2021年10月IEEEPES中国区技术委员会大会主旨报告PPT三维Lorenz系统轨迹动力学用符号串来标注(或用色彩来印记)(1)将变量z参量化\begin{cases}\dot{x}=-\sigmax+\sigmay\cr\dot{y}=-xz+rx-y\cr\dot{z}=xy-bz\end{cases}=\crx(t)=\begin{cases}\dot{x=-\circx+oy\cr\dot{y}=-xz(t)+rx-y\end{cases}(5)混沌行为两维观察Lorenz的混沌动态，进而揭示了混沌的深层机理方程((x,y)(6)混沌的鞍点稳定稳定焦点精细结构z=v...z=r...结点zi30业吸烟尔名八十B22\sigma=10,r=28,b=8/3220-10Z=V_{x\cdots2}Z=\Gamma_{xal}^{+}遂称凶祸夺)尿虫相欠湿Y0¥*10120Integrationaccuracy=10³,integrationperiod-60s

initialvalue-:0.22204e¹⁵,0)=\triangle+2z302015-1050X5101520鞍点V₂₀:<v₂稳定结点稳定焦点v_{n}<v_{2},v_{2,ce2}<v_{z}v_{2cr1}<v_{2}<v_{z.cr2}摘自院士PPT原图：薛《碳中和路径优化中的系统科学》33人类认知论的科学范式演进SubjectiveThousandsof

YearAgo·sciencewasempiricaldescribingnatural

phenomena93530经验主义HeliocentrismHundredsof

YearAgo·theoreticalbranchusingmodels,generalizations(\frac{\dot{a}}{a})^{2}=\frac{4\piGp}{3}-K\frac{c^{2}}{a^{2}}Decadesof

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plexphenomenaDeterministic还原论·unifytheory,experiment,andsimulation·Datacapturedbyinstrumentsor

generatedbysimulatorNowadaysNewton’s·ProcessedbysoftwareMassiveData

(eScience)·Information/knowledgestoredin

puterProbabilistic•Scientistanalyzesdatabase/filesusing

datamanagementandstatisticsy=ax^{2}+bx+c数据驱动1.Correlations>Causality2.Uncertainty>DeterminismQuantumMechanics3.Efficiency>Accuracy第四范式数据密集型科学发现(data-intensivescientificdiscoveryparadigm)4.Entirety>Section5.Lifecycle>OneperiodClassicaldatautilizationmethodologyneedsberevisited!randomness,chaos,reflectivity,networkeffect,historydependency,…科学问题1：分布式资源聚合体及其系统涌现现象认知基于复杂性科学再认知多主体系统调控：考虑(系统服务)多场景与(环境/个体)高不确定性，优化系统运行点/轨迹，通过多主体协同，激发涌现现象，提升多主体利益。配某著名企业调度中心风场γ居民区β组织代理←调度指令下发创建传输聚合分析组织代理(运营商)披露信息现实流程传输接口数字孪生接入设备(运营商)组织代理(运营商)智慧能源组织A园区aTissue市场行为/机制数据与互联标准及安全多元化、披露信息用能单元单元单元用能单元能源细胞传感器EMSα₁背景信息ERP系统边蜂处理集成中间件数据获取人工智能通知推送a_{2}EMSCell(社会、天气、压力，。智能化、主动能动性)流量等)就地消纳分层分区；MES软件边缘安全BAM软件数据湖认知引擎可视化促动器高不确定性；能量流(液压，电动.CAD模型机械、热力等)服务总线遗留数据混合模型仪表板复杂系统；信息流聚合&涌现；能源分子行动洞见分布式能量资源DERMolecule多体→混沌现象源、荷、储、产销者可观性&可控性整体>>∑组成成分创建→传输→聚合→分析→洞见→行动建模&分析数字孪生&仿生学&范畴学13本质上是复杂系统！引出埇涌现现象关键步骤：对象认知与优化行动政策引导全局目标个体效益最大化用能运行社会支出成本效益最小最小最大能源用户能源细胞再认知认知博弈交供能博弈收益售电优质最收益可靠大.最大能源热力供应商供气电力运营商供应收益能源网最大……燃气供应商行动调度策略技术约束控制方法校核机制不同层级，多方利益，资源/信息/需求各异，合作/非合作优化行动→基于数据密集型科学发现范式的多主体智能调控14科学问题2：群体调控策略与校核机制不同层级众多主体的最佳调控策略与校核机制分层调度决策辅助调度中心物理世界孪生空间分区解耦分区2数据驱动实时交互。。。第一层孪生框架分区1联络线分区N闭环反馈N省级某著名企业孪生体建模主从应用需求模式模型数据态势感知区域协同仿真推演闭环反馈第二层对等模式映射模型协同调度区域某著名企业态势评估支撑算法主从超实时验算模式神经网络局部自治高维统计第三层支撑算法微某著名企业优化求解博弈论14数字孪生系统必要性与背景(用户侧&系统侧)互补、协同DER认知不足难以协同聚合、涌现用户侧风险识别风险特别是组合风险认知不足风险评估风险抑制建模与求解难系统侧人机混合增强智能经典优化模式不再适用群智决策15上海交通大學SHANGHAIJIAOTONGUNIVERSITY框架与技术路线DER分层分区调控框架————系统部署视角数字孪生某著名企业微服务应用统一权限管理安全设备全生命理清洁能源功率预测协同控制输电线路设备智能评估配网分布式能源聚合调控大容量储能场站协同调度统一门户管理网络安全对外服务接口(微服务)平台Web管理界面监控预警数字孪生空间模型模型日志操作拓扑校准显示模型全景空间专业空间业务空间推演空间学习空间引擎模型管理部署排权限控制正反向数据云网管理数据边端数字孪生模型模型隐私保护联动监听同步驱动参数定义模型适配机理数据驱动设备场景定义设备场景数据模型复用模型驱动机制管理模型物理场景模型模型解析信息安全孪生数字某著名企业底座实时总线消息总线云平台容器(Docker/Rocket)OpenStack/VMWareDER分层分区调控框架————应用视角数字孪生新型电力系统数字化表征新型电力系统数字模型多应用场景构建历史数据集扩充0102计及不确定性的优化调控应用场景电力系统态势感知最佳行为决策故障诊断、定位、测距0403多类型资源协调优化故障分析溯源多场景推演数字孪生+新型电力系统优化控制18上海交通大學SHANGHAIJIAOTONGUNIVERSITY研究点与技术方案SJTU数字孪生技术数字孪生：利用物理与数据模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成数字化映射，从而实现运行过程的智能推演阐述贺兴，艾半，，邱才明，.数字孪生在电力系统应用中的机遇和挑战[J].某著名企业技术，2020，44(06)：2009-2019.更多DT及其在航空航天、智能制造领域的工作可以关注陶飞igitalTwin期刊基于数字孪生技术的能源细胞成员与系统建模方法研究数字孪生五维模型架构涵盖物理实体、虚拟模型、孪生数据、服务系统和连接五维度。数字孪生的关键在于从多维、多时空、多尺度搭建信息物理网络建模，在虚拟空间刻画高保真模型模拟真实空间实体行为，具有一下典型特征：DT=(E_{re},M_{vir},D_{DT},L_{DT},S_{s})互操作性：物理实体物理实体和数字空间双可扩展性：便于集成、添加和替换数字模型闭环性：孪生体通过反馈决策功能实现闭环向映射和动E_{re}态交互服务系统S_{DT}M_{vir}虚拟模型LDTD_{DT}连接孪生数据实时性：对随时间轴变化的物理实体进行数字化表征保真性：孪生体和物理实体保持几何结构的高度相近借鉴了数字孪生五维建模(陶飞，应用于智慧车间)，针对电力系统时空数据，结合细胞-组织架构，提出了电力数字孪生体建模，契合了某著名企业分层分区管理架构DER分层分区调控框架————孪生智能视角通过自校核的可靠调度策略采样拓扑数据数据调度决策空间孪生视角：基于虚拟孪生平台提出“系统模拟生成———系统态势感知————调度特征提取————调度知识嵌入————调度决策生成————调度指令执行————系统状态更新”的迭代式机器学习演化机制，继而提升虚拟孪生空间内调度对象的建模精度、感知精准度与调度决策的智能化水平。调度部门人机混合增强环境阻塞虚拟调度中心架构模型算法数据数据调度决策器虚拟物理在环空间系统后校核调度1.供决策辅助高密度信息2.供决策评估策略1)系统模拟器：批量生成低信息密度的系统状态样本，实现物理世界到虚拟世界中数据空间的多演绎路径数字映射；3.供机器学习1.运行约束(待测试)自校核2.调度目标调度指令拟执行的可行调度策略3.成本曲线物理世界特征空间策略校核特征提取2)态势感知器：将低信息密度的样本数据转化为高信息密度的调度业务特征，实现高维数据空间到调度特征空间的特征提取；态势感知器3)调度决策器：实现人机混合增强智能的调度寻优，进一步采用虚拟世界闭环和虚实交互闭环双闭环机制生成可信赖的在线调度决策。某著名企业实体数据空间物理态势感知器虚拟模型建立/更新多演绎路径虚拟孪生+人机混合增强智能数字映射世界世界多元手段、灵活组态、智能决策基于数字孪生与元宇宙技术的能源互联网态势感知系统，模拟器(一)：概念、挑战与研究框架基于数字孪生与元宇宙的能源互联网认知系统论(二)：面向复杂系统涌现现象的虚拟仿真推演框架中国电机工程学报，一作基于数字孪生与元宇宙的能源互联网认知系统论(三)：复杂系统群智调控理论及其框架DER分层分区调控框架-—-应用视角DER分层分区调控框架————应用视角上海交通大學SHANGHAIJIAOTONGUNIVERSITY应用场景与成果ธัรJTU电力系统仿真图例：可观数据空间数据科学孪生空间物理世界工程知识备注说明物理实体PE平行世界whatif(实体&环境)只能处理与实体1-N映射计及多重不确定性与耦合行为的全要素“覆盖式”场景模拟结构化数据虚拟数据(结构化)追求“真实镜像”与实体1-1映射API·节点α参量节点β参量节点/参量序网参量实时采样数据(结构化)不同时间尺度时序数据机理知识驱动频率:24h,15min,秒级、毫秒级,…结构化机理仿真模块机理仿真模块(Matpower或PSS/E)固定(Matpower或PSS/E)VT_\alpha模型模型VTγ模型虚拟数据一非结构化)可接纳结构不完整的数据封闭VT_\beta序网场景\begin{cases}\hbox$\hbox$VC_{\alpha1}\crVC_{\alpha2}+}\crVC_{\alpha3}断路万角色短路时空数据理想集Ω不朔武兰\left\{\begin{array}{ll}{\mathrm{VC}_{\beta1}}\&{VC}_{\beta2}+\cr\mathrm{VC}_{\beta3}\end{array}重构1狭义数字孪生样本生重构2模拟可观性&量测误差暂态数据孪生空间样本集孪生空间：虚拟孪生体VE&拓扑&环境&人的理念与干预贺兴，，唐跃中，郝然，艾芊.基于数字孪生与元宇宙的能源互联网认知系统论(二)：面向复杂系统涌现现象的虚拟仿真推演框架[J].中国电机工程学报，2023：1-13.基于虚拟数据的智能诊断模型开始PythonEnvironment故障仿真数据输入潮流数据序网数据动态数据节点电压波动负荷O-U过程不同故障工况条件不同故障线路不同故障类型故障集不同故障阻抗动态仿真三相短路接地不同故障距离不同故障工况条件的故障仿真单相短路接地电压幅值、电压相角两相相间短路数据归一化数据驱动的故障诊断及分类两相接地短路PSS/E电压实部、电压虚部数据预处理数据融合实验分析与可视化高维时空故障样本矩阵数据分析与可视化算法性能比较训练数据集测试数据集多维尺度降维抗噪性能分析深度前馈网络卷积神经网络传统分类网络分类器可视化平台TensorFlow/WEKAi，邱才明，，贺兴，储磊，.基于深度学习的输电线路故障类型辨识[J].中国电机工程学报，2019，39(1)：65-74.故障智能诊断配某著名企业往往采用小电流接地系统，其故障电流并不明显，且配某著名企业中元素及其行为日益复杂，这就给配某著名企业故障特别是单相接地故障的诊断提出了挑战。故障判据不明显是诊断的核心难点。通过深度学习，从运行数据中自适应的提取诊断判据，实现故障检测、辨识和定位。基于深度自编码器的降维散点图DFNNPerformanceAlgorithmAccuracy(%)ErrorSVM85.570.0811Decision

trees(J48)96.190.0209KNN97.580.0124RandomForest98.180.0340DFN99.620.0169N99.990.0034SNR

Accuracy

(%)SNR

Accuracy

(%)ErrorError30dB98.7930dB98.790.04240.042435dB99.1935dB99.190.02670.026740dB99.3240dB99.320.03000.030045dB99.3245dB99.320.02560.0256None99.62None99.620.01880.0188故障检测及辨识结果基于故障录波数据的接地故障诊断1.小电流接地系统发生单相接地故障时不会形成有效回路，故障电流微弱2.主动配某著名企业所辖元素多元化，不对称度高，运行方式灵活，诊断环境复杂工程现状3.故障过程伴随接地阻抗变化、间歇性电弧重燃等演变现象，具有较强的不确定性4.配某著名企业拓扑更新可能存在延迟，量测数据存在缺失、异常、不同步等瑕疵5.实际工况中存在误报的情况，少量的偏离和错误样本也会影响评估研判效果解决方案近年来，物联网技术、数字孪生技术和数据科学的发展为上述问题提供了新思路。随着配某著名企业信息化建设的深入，配网智能监测终端已在某著名企某省市电力公司进行有效覆盖。在这种背景下，以数据驱动为内核，将先进的人工智能、高维统计方法引入该领域各环节具有深远的理论和现实意义。基于高维统计分析、人工智能等数据科学技术，全面、高效地挖掘量测大数据的潜在价值，继而辅助故障指示器的评估与故障研判经典判据VS数字孪生视角判据经典判据VS数字孪生视角判据当只选取4条“不敏感”线路录波数据时零序电流指标对故障演化过程的判断失效24个(6*4)自由维度数据所构建的RMT

指标仍具表征力(与42维指标几乎一致)RMT指标&零序电流(失灵)(原始数据对应样例2)RMT指标VS零序电流经典判据VS数字孪生视角判据经典判据VS数字孪生视角判据其余应用全网节点电压幅值与节点33有功负荷的平均谱半径曲线算例分析IEEE33节点区域能源网络的结构全网节点电压幅值与节点18有功负荷的平均谱半径曲线区节点电压幅值与节点33有功负荷的平均谱半径曲线区域区域负荷类型11工业22商业33居民在工程仿真场景中验证了高维相关性分析方法的实际效果区节点电压幅值与节点18有功负荷的平均谱半径曲线其余应用ImvisibleUmitsDetection000041PowerTheftDetectionandEstimationBasedonRandomMatrixTheory,"inIEEE

TransactionsonPowerSystems,vol.35,no.3,pp.1846-1855,May2020.-1000:0004:0008:0012:0016:0020:0024:00元宇宙知识成果国际标准标准名称标准名称标准机构标准机构发起单位发起单位UseCaseonPower

MeterseUseCaseonPower

MeterseITUITU某著名企某省市电力公司；上海交通大学某著名企某省市电力公司；上海交通大学Vocabularyfor

MeterseVocabularyfor

MeterseITUITU电力元宇宙案例&元宇宙术语……………TC-MV-0-006TELELUMMUNICAIIUNSTANDARDIZATIONSMATURFecusGrowponmeterseSTLOY7ITIDDN22-20:4Uriginni:English第4版：综合NARiyalt,8-0MedL2023OUTPUTHOCUMENTSome:BEMVChairwen某著名企业上海电力牵头的两项ITU国际标准获批立项JIK:DrzhReportofthefirstsweetingoftheTocisGroupofservice(FGMV).Ryode.8-9Mach2023aticStruckKong1KepofKame2022年0月21日某著名企业报Table2Listralagreeddethressionandother本报讯近日，第一届国际某著名企业联盟(ITUI拥抱元宇宙焦点组1FG-MV1首次全体会议召开。某著名企某省市电力公司牵头的《电力元宇宙用例》和《元宇宙术语》两项标准提案在会上通过立项决议，这是该公司首次立项的ITU国标标准，某著名企业上海电力在推进国际标准创制和新型电力系统数智化研究方面取得重大进展。随着我国能源变革加速推进。数字孪生，虚实交互等电力元宇宙技术将广泛用于电力各环节，针对电力元宇宙的标准化需求已益迫切。该公司将以两项ITU国际标准立项为契机，国统元宇盲在电力系统中应用的功能、要素、用例等开展广泛某著名企业报发文40034003TookCroveTookCrove1字1字981981TOTOexmeal

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spealease501501TO.dup

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太守…7mleel

太守…10:5110:51=、=、标准立项通过28:43元宇宙知识成果Scenario1energymarket

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