数字孪生在电力装备领域中的应用与实现方法

数字孪生(digitaltwin,DT)是推动电力装备领域数字化、智能化发展的关键技术之一,相关研究处于初期起步阶段,如何实现电力装备数字孪生成为亟需解决的问题。该文首先阐述了数字孪生的内涵及应用;从数字孪生框架与实现方法、其在装备全寿命周期的应用、主流厂商及其平台方面总结了装备领域数字孪生的研究与应用进展;其次分析了电力装备数字孪生实现所需的关键技术;最后以变压器为例给出了基于MicrosoftAzure和ANSYS Twin Builder的电力装备多物理场数字孪生实现方法,并指出实现电力装备数字孪生在数据采集、模型构建与求解、平台使用方面的挑战。该文建议下一步开发高性能传感装置并构建合理的传感网络提升数据采集的深度与广度;开展电力装备全尺度多物理场模型的构建与实时求解算法研究;开发面向电力装备性能分析的国产化数字孪生平台。     

基于数字孪生的全钒液流电池储能运维系统

数字孪生是推动电力装备领域数字化、智能化、信息化的关键技术之一,液流电池是一种新型绿色的电化学储能电池。基于数字孪生思想,对全钒液流电池储能运维系统进行研究,提出构建多源异构数据统一融合模型的方法,对全钒液流电池储能运维系统进行建模,并建立实景物理世界和虚拟孪生世界的映射关系。应用基于数字孪生的全钒液流电池储能运维系统,能够监控、诊断、预测物理世界产品的可能状态,实现信息的高度融合。     

面向新型电力系统的数字化电力设备关键技术及其发展趋势

新型电力系统对设备状态以及运行环境等信息感知的深度和广度有更高的要求，亟需利用先进的数字化和信息化技术对传统电力设备进行升级，构建新一代的数字化电力设备。因此提出了数字化电力设备的定义、内涵特征和基本架构，详细阐述了电力设备状态智能感知、电力设备物联网平台、数字孪生建模仿真和状态精准评估诊断、复杂多维信息合成与可视化等电力设备数字化关键技术的研究现状和存在的问题，并展望了未来的重点研究方向及技术发展趋势，包括电力设备全景状态感知、多场景数字孪生仿真、数字化测试和试验、智能感知芯片等。     

数字孪生在卫星星座系统中的应用探索

数字孪生是针对复杂产品多物理、多尺度、多领域集成的高保真度仿真,能够对物理世界进行忠实映射及交互融合。随着大数据、工业互联网以及数字化设计技术的融合与发展,数字孪生在复杂产品与系统中的应用潜力得到越来越多的关注。针对卫星星座系统规模庞大且技术多样,设计难度大等问题,探索数字孪生在卫星星座系统设计中的应用。首先对数字孪生的概念、应用及技术发展进行了总结分析,基于数字孪生理论,提出了基于数字孪生的卫星星座系统应用框架;然后分析了应用实施过程中的需突破的关键技术与问题;最后基于统一标准,展示了卫星星座系统数字孪生模型的多领域集成建模,为未来数字孪生在卫星星座系统中的进一步落地应用提供理论与方法参考。     

河北电科院:打造数字孪生电网全场景仿真验证平台

本刊讯 2月21日,河北电科院实现数字孪生电网全场景仿真验证平台软件基础设施完成首次测试运行.河北电科院认识到新型电力系统建设需要数字技术与能源技术深度融合、广泛应用,电网数字化转型与新型电力系统构建需要相互作用、相融并进.为此,电科院加强数字孪生电网应用技术研究工作,推动数字孪生电网全场景仿真验证平台建设.该平台目前...     

变电站数字孪生技术研究与应用

分析了数字孪生及其在电力行业中发展和应用情况,变电站数字化应用存在分散化现状。提出了变电站数字孪生技术感知、传输、平台和应用的系统架构,研究了三维建模、数据映射、可视化和应用场景四个方面关键技术,并进行了典型应用分析。对于变电站数字孪生技术的发展,给出模型接口、数据获取、应用拓展和规范标准等方面发展建议,促进变电站数据孪生技术的发展和应用。     

电力设备数字化标准一体化支撑智能制造

制造业数字化转型与标准数字化转型是国家实施2035年战略发展目标的重要内容,智能制造与数字化标准紧密关联,开展智能制造与数字化标准一体化融合应用研究,有利于促进两者的紧密结合和深入发展,有利于实现制造业和标准化组织的数字化转型。首创性提出了智能制造与数字化标准一体化融合应用的体系架构、功能规格、技术体系、实施策略以及实施流程,为智能制造与数字化标准一体化融合应用提供了理论结合应用的通用模型;通过对电力变压器设备智能制造数字孪生建模的概念验证,证明了该通用模型的可行性,不但对电力设备智能制造和标准数字化研究具有指导意义,而且对其他行业的设备智能制造和标准数字化也具有参考价值。     

数字孪生技术在电网运行中的典型应用与展望

随着电网建设规模的扩大和数字经济的推动,电网数字化和智能化越来越成为电力行业发展的迫切需求。数字孪生技术基于数字化标识、自动化感知、网络化连接、普惠化计算、智能化控制和平台化服务等信息技术体系,为推进电网安全稳定运行、建设能源互联网企业提供了新思路和途径。该文基于数字孪生的概念、基本架构和特征,提出了数字孪生电网的内涵,构建了数字孪生电网的框架,阐释了数字孪生电网的运行模式,分析了数字孪生电网的关键技术,并从设备层、电网层、业务层和运营管理层4个层面提出了数字孪生技术在电网企业可实现的典型应用,为数字孪生电网的建设提供了理论支撑,指明了发展方向和建设思路。     

智慧城市综合能源系统数字孪生技术及应用

传统城市向智慧城市的转型发展对能源系统提出了新的要求,建设数字化、互动化的综合能源系统是重要的应对思路之一。在先进信息技术的驱动下,综合能源系统的数字化与信息化水平不断提升,但如何充分发挥其技术价值仍需要探索。该文围绕综合能源系统的数字孪生技术,对其在智慧城市发展中的需求、价值与意义进行了分析,对其基本技术框架和技术挑战进行了探讨,对相关的关键技术问题进行了阐述,并围绕综合能源系统数字孪生在系统规划、运行、控制以及与城市多领域协同交互等方面的应用进行了展望,希望能够为综合能源系统数字孪生技术的未来发展与应用提供一些思考和借鉴。     

数字孪生技术在区域多能源系统中的应用展望

区域多能源系统是一种综合了多种能源的新形态,可以采用多能互补、能源梯级利用等方式,最大限度地提升能源利用效率和消纳可再生能源。而且随着云计算、大数据、物联网、人工智能等技术的发展,未来的能源系统不仅是能源的互联,更应是能源与信息耦合的系统。文中分析了目前区域多能源系统研究现状,总结区域多能源系统在规划、运行及仿真建模中存在的问题,提出将数字孪生技术引入到区域多能源系统研究中,并从区域多能源系统仿真建模、规划、运行、检修方面提出了数字孪生技术的应用展望,为今后构建区域多能源系统的数字孪生体的研究提供参考。     

电力装备内部状态反演重构研究框架与应用展望

电力装备内部状态准确评估是数字化电力装备的重要组成部分。针对电力装备内部状态反演重构问题,系统分析了电力装备外部检测信号面临的传播路径多样性、传播过程耦合性和非线性衰减问题,借鉴地球物理勘探和医学影像诊断领域的反演思想,提出电力装备内部状态反演重构的研究思路,并建立了包含感知层、通信层、模型层和应用层四个层次的研究框架。分析了三维空间数据获取与重构技术、多物理场多介质全耦合建模技术、多参数全波形反演技术以及反演重构应用适应性评估技术等关键技术的研究目的和实现方法。提出了变压器、气体绝缘开关设备(gas insulated switchgear, GIS)、电抗器等主要电力装备内部振动、热、应力等状态参量的重构方法,阐述了状态重构条件下的故障诊断与状态推演应用场景。最后分析了电力装备状态反演重构技术面临的挑战与发展趋势,为数字化电力装备的发展提供一种技术支撑。     

含高比例电力电子装备电力系统安全稳定分析建模仿真技术

面向高比例电力电子装备接入后的电力系统安全稳定分析需求,首先,梳理了电力电子装备单体建模和集群建模的现状,分析了不同建模方法的技术原理和适用性。其次,介绍了机电暂态、电磁暂态、机电-电磁暂态混合、数模混合等不同仿真技术的原理和应用现状。再次,分析了未来更大规模新能源接入场景的建模和仿真技术挑战。最后,对高比例电力电子电力系统建模及仿真技术的发展趋势进行展望,提出了电源侧和负荷侧精细化建模、大电网全电磁暂态仿真、基于高性能计算的云仿真、多手段协同仿真分析等关键技术研究方向。     

基于多源信息感知和光学图像处理的电力装备数字化运维技术研究

将数字孪生技术引入新型电力系统高端电力设备,依据其孪生模型进行现场运维模拟试验和大电流、高电压、多谐波载荷下的功能性响应分析。从机械振动、气体成分、光学视觉、电气参量四个传感维度分析了新型电力系统装备智能感知技术提升,并实现了现场运行参数与数字孪生模型数据之间的交互联动。另一方面,提出了支撑数字孪生多源感知技术的GPU算力拓展技术,可有效支撑10-5~103 s设备动态行为仿真监测,并提出了高端装备运行寿命评估策略。研究结果可为数字孪生技术应用于高端电力设备场景提供理论指导和技术参考,有效支撑“双高特征”为主的新型电力系统安全稳定运行。     

工业互联网在电力装备行业的应用

为解决电力装备行业现场层采集的数据过少、过杂和"过脏"、企业级数据孤岛和制造数据与运维数据未有效打通等问题。本文采用"数字孪生"技术构建了电力装备领域工业互联网平台,重点开展了基于平台的设计云、生产云、知识云、检测云和服务云等环节设计,并在电力装备设计、制造和运维管理等场景进行了探索应用。通过研制推广智慧电器提升了设备自动化、数字化、网络化水平,消除了电力装备终端连接不足的瓶颈,提高了设备的数据采集能力和机理模型的沉淀能力;通过建设智能工厂将企业内部的设备和流程上云,建立运行与制造之间的有效联系,打通产品数据与运维数据,实现了提质增效;开展电力装备的资产管理和运维服务,局部打通了设备、产线、生产和运营系统,获取数据,打造了数据驱动的智能生产能力。将研制的工业互联网应用于电力装备行业,一方面获得了知识与经验的沉淀、重构和制造资源优化配置;另一方面,它为传统电力装备制造企业向制造服务型企业转型奠定了技术基础。     

碱性电解槽运行特性数字孪生模型构建及仿真

基于传感技术、物联网技术、仿真建模技术的数字孪生技术通过物理模型与数据驱动模型的融合,已成为一种实现物理实体的真实状态仿真比对与推演评估的先进且可行的新技术。碱性电解水制氢槽是电解水制氢系统中的关键设备,基于数字孪生技术构建碱性电解槽运行特性模型,实现其特性仿真与状态评估中的应用,对电解槽的信息化、数字化及对可再生能源发电制氢系统的整体优化具有重要意义。该文首先基于碱性电解槽相关试验及制氢机理,建立了碱性电解槽阻抗特性数字孪生模型;然后选择电解槽总电压、总电流及槽体温度等特性表征参数作为观测变量,融合数学驱动模型和电化学机理模型,构建碱性电解槽运行特性数字孪生体系统;最后基于Matlab/Simulink实现碱性电解槽数字孪生模型的仿真,主要包括温升特性仿真模型、功率调节仿真模型、产氢效率仿真模型和分离罐特性仿真模型。     

面向能源互联网数字孪生的电力物联网关键技术及展望

随着“碳达峰、碳中和”目标与以新能源为主体的新型电力系统的提出,能源技术与数字技术进一步深度融合,电网加速向能源互联网演进。构建能源互联网及其数字孪生系统对电力物联网技术提出了更高要求,也极大拓展了电力物联网的内涵和外延。该文主要围绕如何构建面向能源互联网数字孪生系统的电力物联网,分析其面临的两大科学问题：物理数字融合建模与电网资源协同互动,提出电力物联网体系架构和安全防御机制,研究“端–边–管–云–智”等多层级的关键支撑技术,包括精准感知与高效通信、高并发接入与海量数据管理、融合建模与趋优进化等技术,最后从设备、电网与用户三方面展望电力物联网支撑下的电网业务智能化典型应用。     

数字孪生在先进核能领域中的关键技术与应用前瞻

数字孪生(digital twin,DT)是一种实现物理系统向信息空间数字化模型映射的技术,被列为未来国防和航天工业6大顶尖技术之一,也被认为将在核电厂智能控制、空间反应堆、小型模块堆等先进核能系统中发挥重要作用。近年来,部分国家已启动项目,开发应用于反应堆的数字孪生技术,目标是显著降低未来核电厂的运行和维修成本。针对于空间核电源、月基核动力装置的数字孪生系统研发也受到关注。综合叙述了数字孪生技术在先进核能领域的研究现状与发展方向,提出了适用于核反应堆领域的多维评估数字模型,初步建立了故障诊断流程,并对数字孪生在先进核能领域中的关键技术与应用前景进行了分析和展望。     

数字孪生虚拟电厂系统框架设计及其实践展望EI北大核心CSCD

随着国家“双碳”及“构建以新能源为主体的新型电力系统”等目标的提出,清洁化、数字化越来越成为电力系统面临的迫切需求。虚拟电厂基于先进的控制、计量、通信等技术聚合需求侧海量多元分布式资源,可以通过多样化的调节手段为电力系统提供必要的灵活性支撑,并同时助力可再生能源消纳。而数字孪生技术利用大数据、云计算、人工智能等数字技术对分布式资源物理实体的特征、行为、过程和性能等进行虚拟建模,是实现虚拟电厂运行优化的理想途径。该文展望虚拟电厂未来技术发展方向,基于数字孪生的概念、架构和特征,提出数字孪生虚拟电厂系统,深入阐述数字孪生虚拟电厂的内涵,构建基于物理实体、数字孪生体、孪生数据、连接以及智能应用等的数字孪生虚拟电厂总体架构,分析相关关键技术,并对其未来应用实践进行总结与展望。     

基于数字孪生的航空永磁发电稳压系统降阶模型分析研究

为适应下一代航空飞行器数字化研发的技术趋势，提高航空供电系统可靠性，降低生产周期和制造成本。本文以某型无人机用永磁发电稳压系统为例，基于ECE降阶算法提出了永磁同步发电机的一阶等效数字模型，利用器件级建模法建立了PWM稳压芯片SG1525模型，搭建了从引擎机械功率输入到永磁同步发电机AC-DC整流+BUCK稳压供电系统数字孪生仿真模型，其仿真速度较常规有限元算法具有跨数量级的提升，并可通过计算机采集试验台数据形成数据反馈，具有敏捷的“数字孪生”效果。同时将仿真值与试验值进行了对比，验证了数字孪生模型的有效性。本文的设计思想符合军用武器系统数字化设计技术发展趋势，其结论对新一代航空发电机及其稳压供电系统数字化研发具有一定的参考价值。     

面向电力变压器PHM的数字孪生技术

电力变压器故障预测和健康管理（prognostics and health management, PHM）对于实现其从传统定期维修转向视情维修和预测维修进而保障设备的健康运行具有重要意义。长期以来变压器PHM技术一直停留在理论研究阶段,缺乏有效的技术体系和平台对各阶段研究成果进行集成和性能提升。数字孪生（digital twin, DT）技术加强了对变压器多物理部件运行参数的监测和集成,通过在虚拟空间多物理多尺度建模实现对变压器综合故障分析,是变压器PHM演变的重要方向。鉴于此,对面向电力变压器PHM的DT技术进行了研究,阐述了变压器PHM内涵,归纳了面向变压器PHM的DT技术框架、关键技术、面临的挑战及未来发展趋势等,分析了DT与支撑其的数据、模型、计算等之间的关系,旨在为变压器运维领域数字孪生技术研究人员提供参考。