清華大學(xué)沈沉：面向新型電力系統(tǒng)的數(shù)字孿生技術(shù)

電機工程與應(yīng)用電子技術(shù)系

DepartmentofElectricalEngineering

面向新型電力系統(tǒng)的

數(shù)字孿生技術(shù)

DigitalTwinTechnologyforaNewTypeofPowerSystems

沈沉2021年5月18日

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01對數(shù)字孿生概念的進一步解讀

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電機工程與應(yīng)用電子技術(shù)系

對數(shù)字孿生概念的進一步解讀DepartmentofElectricalEngineering

?數(shù)字孿生到底是什么——模型、仿真、系統(tǒng)工程？

?數(shù)字孿生最關(guān)鍵的特征是什么？

?提出數(shù)字孿生概念的目的是什么？

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電機工程與應(yīng)用電子技術(shù)系

對數(shù)字孿生概念的進一步解讀DepartmentofElectricalEngineering

?數(shù)字孿生概念的起源

?數(shù)字孿生（DigitalTwin）DT一詞，業(yè)界一般認(rèn)為，最早是密西根大學(xué)MichaelGrieves教授于

2002年針對產(chǎn)品全生命周期管理（PLM）提出的一個概念，當(dāng)初并不叫DigitalTwin，而是叫

鏡像空間模型（MirroredSpaceModel,MSM）。

?2003年他在講授PLM課程時使用了“DigitalTwin（數(shù)字孿生）”。

?在2014年他在撰寫的“數(shù)字孿生：通過虛擬工廠復(fù)制實現(xiàn)卓越制造（Digital

Twin:ManufacturingExcellencethroughVirtualFactoryReplication）”一文中對數(shù)字

孿生進行了較為詳細(xì)的闡述，奠定了數(shù)字孿生的基本內(nèi)涵。

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對數(shù)字孿生概念的進一步解讀DepartmentofElectricalEngineering

?數(shù)字孿生的定義

國防采辦大學(xué)

數(shù)字孿生是充分利用對象的物理模型、傳感器更新、運行歷史等數(shù)據(jù)，集成多

學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程。通過在虛擬空間中完成對象的

映射，反映對象的全生命周期過程。

DefenseAcquisitionUniversity,“DigitalSystemModel,”GlossaryofDefenseAcquisitionAcronymsandTerms,2015.[Online].

Available:/tools/Documents/Glossary_16th%20_ed.pdf

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對數(shù)字孿生概念的進一步解讀DepartmentofElectricalEngineering

?數(shù)字孿生的定義

ANSYS公司

數(shù)字孿生是在數(shù)字世界中建立一個與真實世界系統(tǒng)的運行性能完全一致，且可

實現(xiàn)實時仿真的仿真模型。利用安裝在真實系統(tǒng)上的傳感器數(shù)據(jù)作為該仿真模

型的邊界條件，實現(xiàn)真實世界的系統(tǒng)與數(shù)字世界的系統(tǒng)同步運行。

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電機工程與應(yīng)用電子技術(shù)系

對數(shù)字孿生概念的進一步解讀DepartmentofElectricalEngineering

?數(shù)字孿生的定義

北京航空航天大學(xué)張霖教授

數(shù)字孿生是物理對象的數(shù)字模型，該模型可以通過接收來自物理對象的數(shù)據(jù)而

實時演化，從而與物理對象在全生命周期保持一致。

基于數(shù)字孿生可進行分析、預(yù)測、診斷、訓(xùn)練等（即仿真），并將仿真結(jié)果反

饋給物理對象，從而幫助對物理對象進行優(yōu)化和決策。物理對象、數(shù)字孿生以

及基于數(shù)字孿生的仿真及反饋一起構(gòu)成一個信息物理系統(tǒng)(cyberphysical

systems).

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對數(shù)字孿生概念的進一步解讀DepartmentofElectricalEngineering

?數(shù)字孿生的定義

NASA

數(shù)字孿生是充分利用對象的物理模型、傳感器更新、運行歷史等數(shù)據(jù)，集成

多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程。通過在虛擬空間中完成對

象的映射，反映對象的全生命周期過程。

DigitalTwin就是“基于仿真的系統(tǒng)工程”（Simulation-BasedSystems

Engineering）

Piascik,R.,etal.,TechnologyArea12:Materials,Structures,MechanicalSystems,andManufacturingRoadMap.2010,NASAOffice

ofChiefTechnologist.9

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對數(shù)字孿生概念的進一步解讀DepartmentofElectricalEngineering

張霖，北京航空航天大學(xué)，Beepower公眾號微文：

關(guān)于數(shù)字孿生的冷思考及其背后的建模和仿真技術(shù)

（1）DT是物理設(shè)備的一個實時的數(shù)字副本[1]。

（2）DT是有生命或無生命的物理實體的數(shù)字副本。通過連接物理和虛擬世界，數(shù)據(jù)可以無縫傳

輸，從而使得虛擬實體與物理實體同時存在[2]。

（3）DT是對人工構(gòu)建的或自然環(huán)境中的資產(chǎn)、流程或系統(tǒng)的數(shù)字表示[3]。

（4）DT是資產(chǎn)和過程的軟件表示，用于理解，預(yù)測和優(yōu)化性能以改善業(yè)務(wù)[4]。

[1]BacchiegaIRSsrl,Gianluca(2017-06-01)."Embeddeddigitaltwin".

[2]Saddik,A.El(April2018)."DigitalTwins:TheConvergenceofMultimediaTechnologies".IEEEMultiMedia.25(2):87–92.doi:

10.1109/MMUL.2018.023121167.ISSN1070-986X.

[3]"TheGeminiPrinciples".www.cdbb.cam.ac.uk.CentreforDigitalBuiltBritain.2018.Retrieved2020-01-01.

[4]/digital/applications/digital-twin

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電機工程與應(yīng)用電子技術(shù)系

對數(shù)字孿生概念的進一步解讀DepartmentofElectricalEngineering

（5）DT是實際產(chǎn)品或流程的虛擬表示，用于理解和預(yù)測對應(yīng)物的性能特點[5]。

（6）DT是在云平臺上運行的真實機器的耦合模型，并使用來自數(shù)據(jù)驅(qū)動的分析算法以及其他

可用物理知識的集成化知識對健康狀況進行仿真[6]。

（7）DT是物理對象或系統(tǒng)在其整個生命周期中的動態(tài)虛擬表示，使用實時數(shù)據(jù)實現(xiàn)理解，學(xué)

習(xí)和推理[7]。

（8）DT使用物理系統(tǒng)的數(shù)字副本執(zhí)行實時優(yōu)化[8]。

（9）DT是現(xiàn)實世界和數(shù)字虛擬世界溝通的橋梁[9]。

[5]/global/zh/our-story/glossary/digital-twin/24465

[6]Lee,Jay;Bagheri,Behrad;Kao,Hung-An(January2015)."ACyber-PhysicalSystemsarchitectureforIndustry4.0-based

manufacturingsystems".ManufacturingLetters.3:18–23.doi:10.1016/j.mfglet.2014.12.001

[7]Bolton,RuthN.;McColl-Kennedy,JanetR.;Cheung,Lilliemay;Gallan,Andrew;Orsingher,Chiara;Witell,Lars;Zaki,Mohamed

(2018)."Customerexperiencechallenges:Bringingtogetherdigital,physicalandsocialrealms".JournalofServiceManagement.

29(5):776–808.doi:10.1108/JOSM-04-2018-0113

[8]S?derberg,Rikard,etal."TowardaDigitalTwinforreal-timegeometryassuranceinindividualizedproduction."CIRPAnnals

66.1(2017):137-140.

[9]/gppd/gsyj/201903/t20190313_5930441.html11

電機工程與應(yīng)用電子技術(shù)系

對數(shù)字孿生概念的進一步解讀DepartmentofElectricalEngineering

數(shù)字孿生體

幾特指在數(shù)字空間中與物理對象對應(yīng)的模型

個

重物理-數(shù)字孿生系統(tǒng)

要由物理對象和其數(shù)字模型共同構(gòu)成，兩者保持同步、平行推

的演、閉環(huán)互動的信息物理系統(tǒng)

概數(shù)字孿生技術(shù)

念涉及物理對象的數(shù)字孿生體構(gòu)造、基于數(shù)字孿生體的仿真、分

析、預(yù)測和控制決策相關(guān)技術(shù)

混用“數(shù)字孿生”指代上述不同概念是造成概念模糊的重要原因！

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對數(shù)字孿生概念的進一步解讀DepartmentofElectricalEngineering

孿生與鏡像的區(qū)別特征相似？

孿生體物體與鏡像

是否同步？

是否自治？

能否互動？

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對數(shù)字孿生概念的進一步解讀DepartmentofElectricalEngineering

物理實體與數(shù)字孿生體的相互關(guān)系

高級應(yīng)用

物理-數(shù)字共生

彼此有利

物理-數(shù)字互動

相互影響，

相互作用

物理-數(shù)字同步

處于相同的發(fā)展物理-數(shù)字自治

階段，可推演當(dāng)

前物理對象的發(fā)在相同的內(nèi)在基因

展趨勢的驅(qū)動下獨立演化，

反映與不同外部條

件的互動結(jié)果14

電機工程與應(yīng)用電子技術(shù)系

對數(shù)字孿生概念的進一步解讀DepartmentofElectricalEngineering

數(shù)字孿生技術(shù)的主要特征可假設(shè)性

允許運營者對數(shù)字模型輸入不同假設(shè)條件，

以模擬現(xiàn)實生活中不切實際的情況，從而

獲得某些極端情況下機器的真實反映。

可解釋性

可預(yù)測性可以讓運營者理解單個機器或群體機器的

行為，并從數(shù)學(xué)模型出發(fā)對機器行為作出

利用基于物理/數(shù)學(xué)的建模技術(shù)以及最新的

合理解釋。

傳感器數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)對機器未來狀態(tài)的預(yù)

測，從而實現(xiàn)基于狀態(tài)的運營維護

可互動性

可視性可以連接數(shù)學(xué)模型和物理實體，一方

面實現(xiàn)最優(yōu)決策的下達和執(zhí)行，另一

讓運營者從數(shù)字角度看到機器以

方面收集物理反饋并更新數(shù)學(xué)模型和

及大規(guī)模系統(tǒng)的運行狀態(tài)，從而

決策指令

實現(xiàn)對機器及大規(guī)模系統(tǒng)的實時

監(jiān)控和高效管理

Oracle,“DigitalTwinsforIoTApplications,”2017.[Online].

Available:/assets/digital-twins-for-iot-apps-wp-3491953.pdf15

電機工程與應(yīng)用電子技術(shù)系

對數(shù)字孿生概念的進一步解讀DepartmentofElectricalEngineering

數(shù)字孿生技術(shù)的核心

正確性

建模與仿真

有效性

可重復(fù)性

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02傳統(tǒng)電力系統(tǒng)仿真與數(shù)字孿生

兩者之間有何異同？數(shù)字孿生的關(guān)鍵特征是什么？

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電機工程與應(yīng)用電子技術(shù)系

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)仿真與數(shù)字孿生DepartmentofElectricalEngineering

數(shù)字孿生和傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)仿真有何區(qū)別？

人們不是一直通過仿真認(rèn)識電力系統(tǒng)、校核控制策略的嗎？

數(shù)字孿生到底給我們帶來了什么新的東西？

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傳統(tǒng)電力系統(tǒng)仿真與數(shù)字孿生DepartmentofElectricalEngineering

實際運行的電力系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)、

物理特性、技術(shù)性能、經(jīng)濟管理、

環(huán)保指標(biāo)、人員狀況、科教活動等

數(shù)字地、形象化地、實時地描述與

再現(xiàn)。它包含：

電力系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)；

實時狀態(tài)（量測）；

影響電力系統(tǒng)安全的環(huán)境信息；

2000年盧強院士經(jīng)濟機構(gòu)、市場信息；

首次提出數(shù)字電

力系統(tǒng)的概念管理信息；

各種類型的運行指標(biāo)，如效率、

環(huán)保；

其他。

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電機工程與應(yīng)用電子技術(shù)系

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)仿真與數(shù)字孿生DepartmentofElectricalEngineering

為什么數(shù)字孿生的從機械制造行業(yè)里誕生？

為什么對系統(tǒng)進行仿真推演的思想在電力行業(yè)早已有之？

為什么數(shù)字孿生技術(shù)中關(guān)鍵的物理-數(shù)字閉環(huán)構(gòu)想在電力

行業(yè)沒有廣泛地實踐？

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電機工程與應(yīng)用電子技術(shù)系

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)仿真與數(shù)字孿生DepartmentofElectricalEngineering

歷史回顧：

1965年發(fā)生北美大停電（Northeastblackoutof1965，1965

年東北部停電），受影響人數(shù)約有3000萬人，207,000平方公

里，停電時長達13小時。

1970s，能量管理系統(tǒng)誕生，包括數(shù)據(jù)收集、能量管理、網(wǎng)絡(luò)分

析和調(diào)度員培訓(xùn)等功能。開始大規(guī)模使用仿真分析工具進行電力

系統(tǒng)運行管理。

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電機工程與應(yīng)用電子技術(shù)系

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)仿真與數(shù)字孿生DepartmentofElectricalEngineering

01電力系統(tǒng)動態(tài)過程太快

必須仿真成也蕭何

敗也蕭何

02電力系統(tǒng)動態(tài)過于復(fù)雜

謹(jǐn)慎閉環(huán)

03電力系統(tǒng)災(zāi)變代價過大

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電機工程與應(yīng)用電子技術(shù)系

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)仿真與數(shù)字孿生DepartmentofElectricalEngineering

電力系統(tǒng)動態(tài)的時間尺度

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傳統(tǒng)電力系統(tǒng)仿真與數(shù)字孿生DepartmentofElectricalEngineering

不同層次對象在不同時間尺度上的仿真模擬

互聯(lián)潮流

大系統(tǒng)機組組合

電磁暫態(tài)機電暫態(tài)規(guī)劃計算

仿真仿真中長期動態(tài)

電網(wǎng)仿真

空間電

設(shè)備

硬件在環(huán)PLM磁場分

仿真布

裝置

元件

納秒微秒毫秒秒分鐘小時月年穩(wěn)態(tài)

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電機工程與應(yīng)用電子技術(shù)系

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)仿真與數(shù)字孿生DepartmentofElectricalEngineering

從功用上看：傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)仿真只是分析工具

數(shù)字孿生以應(yīng)用為導(dǎo)向

01020304

增強感知增強認(rèn)知增強智能增強控制

利用物理規(guī)律補充AlphaGO下出訓(xùn)練自動駕駛閉環(huán)校正

傳感器的不足人類從未下過的棋所用的虛擬場景

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電機工程與應(yīng)用電子技術(shù)系

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)仿真與數(shù)字孿生DepartmentofElectricalEngineering

數(shù)傳輸

傳感

字聚合

孿

高性能仿真增強感知

生

實物系統(tǒng)數(shù)字空間

技云

術(shù)沙盤推演

支調(diào)控計策略驗證

智能決策

撐

算

的物理能源電力系統(tǒng)自動化系統(tǒng)數(shù)字仿真系統(tǒng)數(shù)字調(diào)控策略

控大數(shù)據(jù)分析

制增強認(rèn)知

行動

閉分析

增強控制

洞見增強智能

環(huán)26

03構(gòu)建電力系統(tǒng)數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)

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電機工程與應(yīng)用電子技術(shù)系

構(gòu)建電力系統(tǒng)數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)DepartmentofElectricalEngineering

01對象多層次

構(gòu)造一個統(tǒng)一的電

力系統(tǒng)數(shù)字孿生服

02動態(tài)多尺度

務(wù)于眾多業(yè)務(wù)既無

必要也無可能！

03業(yè)務(wù)多方面

28

電機工程與應(yīng)用電子技術(shù)系

構(gòu)建電力系統(tǒng)數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)DepartmentofElectricalEngineering

知識和數(shù)據(jù)驅(qū)

動的融合建模

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)高性能計算

1

2

數(shù)字化交付技術(shù)—虛擬化和容器技術(shù)

模型交換和互動93

6

3D建模技術(shù)深度學(xué)習(xí)

人工智能決策

29

電機工程與應(yīng)用電子技術(shù)系

構(gòu)建電力系統(tǒng)數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)DepartmentofElectricalEngineering

高性能仿真計算技術(shù)

大電網(wǎng)運行

重1電力電子設(shè)備的加入造成微秒級~秒級動態(tài)的相互影響；

大大規(guī)模交直流互聯(lián)造成電網(wǎng)局部故障影響的大范圍傳播；

需新能源滲透率的不斷提高引入大量不確定性；

求亟需大規(guī)模電網(wǎng)高性能（計算規(guī)模、計算時間、批量處理能力）電磁暫態(tài)仿真工具。

國防建設(shè)

重1中壓直流供電系統(tǒng)是適應(yīng)大型艦船供電的先進獨立電力系統(tǒng)；

大多電和全電化飛機是未來的發(fā)展趨勢；

需空間站供電系統(tǒng)是采用大量電力電子裝置的獨立直流系統(tǒng)；

求亟需全數(shù)字模擬+控制器在環(huán)+功率在環(huán)仿真分析工具；

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電機工程與應(yīng)用電子技術(shù)系

構(gòu)建電力系統(tǒng)數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)DepartmentofElectricalEngineering

高性能仿真計算技術(shù)

裝備制造

重亟需通過大量數(shù)字仿真了解不同工況下的設(shè)備運行狀態(tài)并進行一二次設(shè)計；

1

大亟需通過大量仿真模擬進行設(shè)備故障溯因；

亟需通過在線多物理場仿真開展設(shè)備狀態(tài)評估與預(yù)測性維修；

需

求亟需數(shù)?；旌戏抡婀ぞ咴O(shè)計并驗證裝置設(shè)計和性能；

亟需高效一體化的數(shù)字模擬+數(shù)?；旌戏抡娣治龉ぞ摺?/p>

教學(xué)科研

重1先進電力電子設(shè)備的研究開發(fā)需要ns級的精細(xì)仿真；

大新型儲能設(shè)備（如氫燃料電池）的研究開發(fā)需要多物理場及場路耦合仿真工具；

需能源互聯(lián)網(wǎng)的研究需要跨學(xué)科的綜合仿真工具；

求大范圍跨領(lǐng)域的學(xué)術(shù)研究與交流亟需便捷的協(xié)作共享仿真平臺；

31

電機工程與應(yīng)用電子技術(shù)系

構(gòu)建電力系統(tǒng)數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)DepartmentofElectricalEngineering

高性能仿真計算技術(shù)

面向電力系統(tǒng)與電力電子設(shè)備的寬頻仿真工具

1.穩(wěn)態(tài)潮流

2.中長期動態(tài)

基于電路原理的

寬頻域仿真技術(shù)3.機電暫態(tài)

4.電磁暫態(tài)

5.納秒級動態(tài)

商業(yè)化的電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)離線仿真工具、硬件在環(huán)仿真工具、電力電子系統(tǒng)納秒級

動態(tài)仿真被國外壟斷，國產(chǎn)軟件在艱難的發(fā)展中！32

電機工程與應(yīng)用電子技術(shù)系

構(gòu)建電力系統(tǒng)數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)DepartmentofElectricalEngineering

高性能仿真計算技術(shù)

面向變電站、換流站及電氣設(shè)備的多物理場仿真

ANSYS(HFSS,Maxwell,WorkBench)

COMSOL

Altair(Flux)

國外軟件

CSTStudioSuite

1.多物理建模

JMAG，Infolytica

2.最優(yōu)計算網(wǎng)格FreeFem++,Elmer(開源)

基于數(shù)學(xué)模型的電磁多物理場軟件工具

3.多物理耦合機理

場及多物理場仿真技術(shù)

4.多物理場軟件

英特仿真-單場求解模塊功能不完善，耦合場求解功能缺乏基準(zhǔn)測試

5.增材制造設(shè)計打印

國產(chǎn)軟件云道智造-手機端云仿真，國內(nèi)首創(chuàng)，起步較晚，產(chǎn)品功能不成熟

元計算-缺乏電磁場專用單元，前處理依靠國外軟件

33

電機工程與應(yīng)用電子技術(shù)系

構(gòu)建電力系統(tǒng)數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)DepartmentofElectricalEngineering

高性能仿真計算技術(shù)

場路協(xié)燃料電池工作在恒定工況條件下，邊界條件時不變，“場”和“路”可解耦優(yōu)化

同仿真燃料電池工作在變工況條件下，邊界條件時變，“場”和“路”難以解耦優(yōu)化

攻關(guān)1

技術(shù)基于路描述的燃料電池工藝流程基于場描述的燃料電池電堆結(jié)構(gòu)

燃

料

電

池

參

數(shù)

尋

優(yōu)

參數(shù)尋優(yōu)空間=場的參數(shù)空間╳路的參數(shù)空間