一种城轨供电系统数字孪生的多尺度仿真设计方法

1.本发明涉及城轨供电系统数字孪生仿真技术领域，尤其涉及一种城轨供电系统数字孪生的多尺度仿真设计方法。


背景技术：

2.数字孪生是指借助多尺度模型仿真，结合数据与信息交互，以数字化方式创建虚拟孪生体，并对物理实体进行在线模拟、预测和控制的技术手段。多尺度模型与仿真是数字孪生的核心技术之一，结合系统实际特点，建立覆盖不同尺度、充分表征各类物理域特性的系统模型，是对物理实体进行精准模拟和全面分析的重要途径，结合虚拟试验、故障模拟和虚实映射等手段，服务于系统的节能优化、异常监测及健康管理，对于推动和加强牵引供电系统的智能化运维水平，保证城轨交通的高效、安全、绿色运行意义重大。
3.城轨牵引供电系统采用直流供电制式，包含大量的电能转换及电力电子变流装置及器件，实际运行涉及低频及高频不同时间尺度下的能量变化过程，时间异质性从微秒级到年，结构异质性从器件级到系统级，具有典型的多尺度特点。
4.目前，现有技术中的城轨供电系统数字孪生的仿真建模方法在不同时间及结构尺度下采取分散式的建模及仿真，例如：对功率开关器件及变流器建立开关模型，进行微秒级时间尺度仿真；对系统宏观潮流分布建立稳态模型，进行秒级时间尺度仿真；对系统电磁暂态过程建立暂态模型，进行纳秒级时间尺度仿真。
5.上述现有技术中的城轨供电系统数字孪生的仿真建模方法的缺点为：从本质上看，不同尺度状态及模型在同一系统中存在必然联系：宏观尺度状态是微观尺度状态的粗略观测结果；微观尺度模型是对宏观尺度模型的更深层次描述。不同尺度各自建模及仿真的传统方法割裂了不同尺度模型之间的潜在物理关联，缺乏对多尺度的物理变化过程的整体描述，无法根据实际需求对实际系统进行全面尺度的解析，仿真结果的准确性和全面性有待提升。


技术实现要素：

6.本发明的实施例提供了一种城轨供电系统数字孪生的多尺度仿真设计方法，以实现对城轨供电系统数字孪生进行有效的多尺度仿真。
7.为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
8.一种城轨供电系统数字孪生的多尺度仿真设计方法，包括：
9.按照器件级、设备级、站所级和系统级的顺序，从低到高逐层组建城轨供电系统数字孪生的多尺度仿真模型；
10.对所述城轨供电系统数字孪生的多尺度仿真模型进行不同模式尺度自适应的并行交互仿真计算。
11.优选地，所述的按照器件级、设备级、站所级和系统级的顺序，从低到高逐层组建城轨供电系统数字孪生的多尺度仿真模型，包括：
12.将层级化、组件化、交叉式作为构建城轨供电系统数字孪生的多尺度模型的基本原则，所述层次化包括按照器件级、设备级、站所级和系统级的顺序，从低到高逐层组建模型；所述组件化是在层级化的基础上，为各层级进行模块化封装，设置对外接口，按照物理关联进行连接；所述交叉式是对各层级和多尺度下的模型进行交叉式构建，提供物理对象各个层级下的多尺度模型；
13.基于所述层级化、组件化和交叉式的原则，从低到高逐层组建城轨供电系统数字孪生的多尺度仿真模型。
14.优选地，所述的对所述城轨供电系统数字孪生的多尺度仿真模型进行不同模式尺度自适应的并行交互仿真计算，包括：
15.对所述城轨供电系统数字孪生的多尺度仿真模型进行的不同模式并行交互仿真计算包括秒级尺度模型、微秒级尺度模型和纳秒级尺度模型的并行仿真计算，在完成秒级、毫秒级和纳秒级的尺度仿真计算后，将仿真结果进行同步输出，作为城轨供电系统的多尺度仿真结果。
16.优选地，对所述城轨供电系统数字孪生的多尺度仿真模型进行秒级尺度模型的互仿真计算包括：
17.对于秒级尺度仿真，将秒级仿真的计算持续时间保持与实际物理时间尺度一致。
18.优选地，对所述城轨供电系统数字孪生的多尺度仿真模型进行微秒级尺度模型的互仿真计算包括：
19.对于微秒级尺度仿真，仿真以秒级尺度相应时刻的插值解作为微秒级尺度计算的初始边界条件，以t
con
时间进行与秒级尺度计算并行执行的断续小时间步长计算，首先进行初步仿真计算，确定微秒级尺度仿真下最小单位时间步长对应的计算量n
cal
，根据式(1)、(2)自适应地确定微秒级尺度仿真的计算步长，在t
con
时间内完成断续计算后进行周期延拓，作为t
ma
连续时间步长下的完整波形：
[0020][0021][0022]
其中，n
d
为微观断续计算的尺度次数。
[0023]
优选地，对所述城轨供电系统数字孪生的多尺度仿真模型进行纳秒级尺度模型的互仿真计算包括：
[0024]
对于纳秒级尺度仿真，仿真以秒级尺度相应时刻的插值解作为纳秒级尺度计算的初始边界条件，以t
con
时间进行与秒级尺度计算并行执行的断续小时间步长计算，首先进行初步仿真计算，确定纳秒级尺度仿真下最小单位时间步长对应的计算量n
cal
，根据式(1)、(2)自适应确定纳秒级尺度仿真的计算步长，完成t
con
时间内的求解，模拟系统在暂态冲击下的变化过程；
[0025]
在完成秒级、毫秒级、纳秒级的尺度仿真计算后，将仿真结果进行同步输出，作为城轨供电系统的纳秒级仿真结果，该纳秒级仿真结果包括器件的动态开关特性、静态伏安输出特性以及电磁暂态变化波形，毫秒级仿真结果包括设备内部开关动作情况及各节点、
支路的电压、电流变化波形，秒级仿真结果包括站所及系统级的潮流宏观变化状态曲线。
[0026]
由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例提出的基于城轨供电系统数字孪生的多尺度仿真设计方法，一方面提供了系统多尺度模型的层级化、组件化、融合化构建思想，有助于提升系统模型的构建与管理效率，增强多尺度仿真；另一方面提出了基于并行协同交互策略的自适应的多尺度仿真方法，能够减小模型的冗余计算，提升仿真效率。
[0027]
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
[0028]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0029]
图1为本发明实施例提供的一种城轨供电系统数字孪生的多尺度建模思路示意图；
[0030]
图2为本发明实施例提供的一种多尺度协同交互仿真方法示意图；
[0031]
图3为本发明实施例提供的一种微秒级时间尺度仿真计算模式示意图；
[0032]
图4为本发明实施例提供的一种纳秒级时间尺度仿真计算模式示意图。
具体实施方式
[0033]
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
[0034]
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
[0035]
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
[0036]
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。
[0037]
鉴于当前建设数字孪生的宏观背景以及多尺度仿真目前存在的问题，本发明提出了一种城轨供电系统数字孪生的多尺度仿真设计方法，用于解决传统方法无法实现多尺度
统一仿真的问题。
[0038]
本发明实施例提供的城轨供电系统数字孪生的多尺度仿真设计方法从微观到宏观、器件到系统等多种精细化角度充分模拟城轨供电系统的真实状态，从几何、物理和行为等多个维度全面描述城轨供电系统的实际特点，建立城轨供电系统的多尺度模型。
[0039]
本发明实施例提供的一种城轨供电系统数字孪生的多尺度建模思路示意图如图1所示，本发明将层级化、组件化、交叉式作为构建多尺度模型的基本原则。其中，层次化是指按照器件级、设备级、站所级和系统级的顺序，从低到高逐层组建更高层级的模型，例如从二极管、igbt(insulated gate bipolar transistor，绝缘栅双极型晶体管)、断路器和变压器等器件模型开始，逐级组建整流机组、牵引变电所和牵引供电系统，提升模型的构建与管理效率；组件化是在层级化的基础上，为各层级进行模块化封装，设置对外接口，按照物理关联进行连接，便于在系统发生变化后对模型进行小规模的局部修改，增强模型的扩展性和操作性。交叉式是对各层级和多尺度下的模型进行交叉式构建，提供物理对象各个层级下的多尺度模型，实现根据应用观测需求灵活调整模型精度，减小模型的冗余计算。
[0040]
在城轨供电系统数字孪生的多尺度模型中，对于器件、设备、站所、系统等不同层级而言，模型的精细程度按顺序降低，以保证大规模系统的仿真效率。对于器件级，将考虑导通压降、等效电阻、寄生电感和寄生电容等多个微观暂态参数，完整还原二极管、igbt等开关器件在开断转换中的过渡过程。对于设备级，如电力电子变流器，则对开关器件建立理想开关模型或平均化模型，重点关注设备内部的电压、电流变化情况及运行状态，忽略器件级的微观行为。对于站所及系统级，则对设备进行进一步简化，比如对于电力电子模型，在该层级仅建立其端口的外特性模型，简化内部变化过程，进一步降低模型复杂度。在建立了城轨供电系统数字孪生的多尺度模型后，然后进行多尺度仿真设计，为了解决小时间尺度模型的计算量级和仿真时间远大于大时间尺度模型，导致不同尺度模型难以通过简单的并行或串行方式同时进行的有效执行和交互的问题。
[0041]
本发明实施例提出了一种如图2所示的不同模式尺度自适应的并行交互仿真方法，以根据实际观测需要，灵活选择解析尺度及范围。其中，t
ma
为宏观尺度模型的仿真时间尺度；t
mi
为微观尺度模型的仿真时间尺度；t
con
为微观模型采取断续小时间尺度仿真的断续时间；t
mical
为微观模型的仿真计算步长；n
cal
为微观模型在t
con
时间下的仿真计算量；n
p
为并行计算的通道数量。图2所示的不同模式尺度自适应的并行交互仿真方法的具体处理步骤包括：
[0042]
1)指定仿真层级，基于不同计算内核对秒级尺度模型、微秒级尺度模型和纳秒级尺度模型进行并行方式的仿真计算；
[0043]
2)对于秒级尺度仿真，由于仿真时间步长大、模型简单，对连续时刻采取串行求解所需要的计算时间通常是实际计算效率可以满足的，可将秒级仿真的计算持续时间保持与仿真时间尺度一致。
[0044]
3)图3为本发明实施例提供的一种微秒级时间尺度仿真计算模式示意图。对于微秒级尺度仿真，仿真以秒级尺度相应时刻的插值解作为微秒级尺度计算的初始边界条件，以t
con
时间进行与秒级尺度计算并行执行的断续小时间步长计算。
[0045]
仿真首先进行初步计算，确定微秒级尺度仿真下最小单位时间步长对应的计算量n
cal
，然后，根据式(1)、(2)自适应地确定微秒级尺度仿真的计算步长。在t
con
时间内完成断
续计算后进行周期延拓，作为t
ma
连续时间步长下的完整波形，如图3所示。
[0046][0047][0048]
其中，n
d
为微观断续计算的尺度次数。
[0049]
4)图4为本发明实施例提供的一种纳秒级时间尺度仿真计算模式示意图。对于纳秒级尺度仿真，仿真以秒级尺度相应时刻的插值解作为纳秒级尺度计算的初始边界条件，以t
con
时间进行与秒级尺度计算并行执行的断续小时间步长计算。仿真首先进行初步计算，确定纳秒级尺度仿真下最小单位时间步长对应的计算量n
cal
，然后根据式(1)、(2)自适应确定纳秒级尺度仿真的计算步长，完成t
con
时间内的求解，模拟系统在暂态冲击下的变化过程，如图4所示。
[0050]
5)最后，在完成秒级、毫秒级、纳秒级的尺度仿真计算后，将仿真结果进行同步输出，作为城轨供电系统的纳秒级仿真结果。该纳秒级仿真结果包括器件的动态开关特性、静态伏安输出特性以及电磁暂态变化波形。毫秒级仿真结果包括设备内部开关动作情况及各节点、支路的电压、电流变化波形。秒级仿真结果包括站所及系统级的潮流宏观变化状态曲线。
[0051]
综上所述，本发明实施例提出的基于数字孪生的城轨供电系统多尺度模型仿真设计方法，一方面提供了系统多尺度模型的层级化、组件化、融合化构建思想，有助于提升系统模型的构建与管理效率，增强多尺度仿真；另一方面提出了基于并行协同交互策略的自适应的多尺度仿真方法，能够减小模型的冗余计算，提升仿真效率。本发明提出的基于数字孪生的城轨供电系统多尺度模型仿真设计方法，能够统一描述系统在多个物理域下的不同时间尺度及结构尺度特性，全面、充分地表征系统运行的实际物理过程，为推动城轨牵引供电系统数字孪生的建设发挥重要作用。
[0052]
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
[0053]
通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
[0054]
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根
据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
[0055]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。