一种基于三维地图的数字孪生电网系统及方法与流程

1.本发明属于电网技术领域，具体涉及一种基于三维地图的数字孪生电网系统及方法。


背景技术：

2.数字孪生是充分利用物理模型、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，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。数字孪生是一种超越现实的概念，可以被视为一个或多个重要的、彼此依赖的装备系统的数字映射系统。
3.数字孪生概念模型的提出者在2011年提出其三维结构，包括物理空间的实体模型和虚拟空间的虚拟模型，且之间的数据和信息交互。三维结构模型是数字孪生的基础模型，构建核心是虚拟模型和物理空间与虚拟空间的数据连接。部署时的关键问题是两者之间的继承与连接尚未实现，而是将虚拟模型作为参考，由人来担任两者之间的连接。在该技术方案中，学者提出通过构建统一存储库(unified repository，ur)来实现两者之间的连接功能。其后，有学者将数字孪生三维结构扩展到五维结构模型，包括物理实体、虚拟模型、服务系统、孪生数据和连接。另外，在数字双胞胎的构建流程方面，有学者提出使用自动化建模语言(automation ml)针对与数字双胞胎相连的不同系统间的数据传输进行建模，在数字空间实现对物理实体的映射。
4.而电网系统由于其系统的庞杂性，导致其维护和分析的成本都较高，现有技术中，尚未完全使用数字孪生技术来构建电网系统；同时，目前针对实体电网系统构建的虚拟电网系统大都基于三维建模，且虚拟电网系统和实体电网系统之间不存在强交互，导致运行起来依然没有显著提升效率。
5.公开号为cn113221456a的专利文献公开了一种智慧微电网的数字孪生建模和多智能体协调控制方法，涉及数字孪生技术领域。利用数字孪生和多智能体技术研究智慧微电网建模仿真和运行控制，设计多通信协议交互的智慧微电网数字孪生和多智能体控制架构；考虑到物理空间、数字空间及耦合关系，对智慧微电网的全生命周期管理过程进行任务分解，构建调控资源智能体、调控过程智能体和调控服务智能体。
6.其通过对微电网进行虚拟仿真，实现了微电网的基于数字孪生的虚拟控制，但由于其控制过程中还是较为传统的使用基于整体进行仿真构建和控制，使得控制起来效率较低。


技术实现要素：

7.有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于三维地图的数字孪生电网系统及方法，其通过构建电网的虚拟地图，以对电网实现基于数字孪生的控制，同时，在进行构建虚拟地图时，使用分层及特征提取的方式来进行电网控制，提升了电网控制的效率。
8.为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
9.一种基于三维地图的数字孪生电网系统，所述系统包括：
10.电网地图绘制单元，配置用于获取电网系统的节点数据和线路数据，基于获取到的节点数据和线路数据生成电网三维地图；
11.电网地图分层单元，配置用于基于预设的分层层数，将电网三维地图进行分割，得到多个分层地图；
12.分层地图特征提取单元，配置用于对每个分层地图进行特征提取，得到分层地图特征；
13.分层地图映射单元，配置用于将分层地图与电网进行映射连接，同时将分层地图特征与电网进行映射连接；
14.控制单元，配置用于将控制命令发送至分层地图或分层地图特征，所述控制命令再通过建立的映射连接发送至电网，控制电网运行。
15.进一步的，所述电网地图绘制单元生成电网三维单元的方法包括：获取每个电网节点的三维坐标数据，以及获取每条线路的起始点和终点的三维坐标数据；将电网节点的三维坐标数据与每条线路的起始点或终点的三维坐标数据进行比对，将三维坐标数据完全一致的电网节点和每条线路的起始点或终点进行连接，直到完成对所有电网节点的比对。
16.进一步的，所述电网地图分层单元在将电网三维地图进行分割时执行以下步骤：
17.步骤a1：设定分割方向；设定的分割方向须满足：与电网的所有线路的方向的均值的夹角不超过设定的阈值；
18.步骤a2：设定分割厚度；设定的分割厚度须满足：在设定的分割厚度下，分割后得到的每个分层地图中包含的电网的节点应超过设定的阈值；
19.步骤a3：按照设定的分割防线和设定的分割厚度对电网三维地图进行分割，得到多个分层地图。
20.进一步的，所述分层地图特征提取单元，对每个分层地图进行特征提取，得到分层地图特征的方法执行以下步骤：
21.步骤b1：在分层提取中随机筛选出一个圆形区域，获取圆形区域中的节点和线路；
22.步骤b2：基于获取到的节点和线路，使用预设的权重计算公式计算该圆形区域的权重；
23.步骤b3；若计算出的圆形区域的权重超过设定的阈值，则将该圆形区域中的节点和线路提取出来，作为分层地图特征。
24.进一步的，所述权重计算公式使用如下公式进行表示：其中，pi表示分层地图中的线路；pi(θ)表示分层地图中的线路与水平方向的夹角；ni表示分层地图中的节点；ni(x)、ni(y)和ni(z)表示分层地图中节点的x轴坐标、y轴坐标和z轴坐标的坐标值。
25.进一步的，所述分层地图映射单元将分层地图与电网进行映射连接的方法执行以下步骤：
26.步骤c1：分层地图映射单元将分层地图中的节点与电网中的节点建立一一对应的映射；
27.步骤c2：分层地图映射单元将分层地图中的线路中起始点和终点与电网中的节点建立一一对应的映射，完成分层地图与电网的映射连接。
28.进一步的，所述分层地图映射单元将分层地图特征与电网进行映射连接的方法执行以下步骤：
29.步骤d1：分层地图映射单元将分层地图特征中的节点与电网中的节点建立一一对应的映射；
30.步骤d2：分层地图映射单元将分层地图特征中的线路中起始点和终点与电网中的节点建立一一对应的映射，完成分层地图特征与电网的映射连接。
31.一种基于三维地图的数字孪生电网方法，所述方法执行以下步骤：
32.步骤s1：获取电网系统的节点数据和线路数据，基于获取到的节点数据和线路数据生成电网三维地图；
33.步骤s2：基于预设的分层层数，将电网三维地图进行分割，得到多个分层地图；
34.步骤s3：对每个分层地图进行特征提取，得到分层地图特征；
35.步骤s4：将分层地图与电网进行映射连接，同时将分层地图特征与电网进行映射连接；
36.步骤s5：将控制命令发送至分层地图或分层地图特征，所述控制命令再通过建立的映射连接发送至电网，控制电网运行。
37.进一步的，所述生成电网三维单元的方法包括：获取每个电网节点的三维坐标数据，以及获取每条线路的起始点和终点的三维坐标数据；将电网节点的三维坐标数据与每条线路的起始点或终点的三维坐标数据进行比对，将三维坐标数据完全一致的电网节点和每条线路的起始点或终点进行连接，直到完成对所有电网节点的比对。
38.进一步的，所述将电网三维地图进行分割时执行以下步骤：设定分割方向；设定的分割方向须满足：与电网的所有线路的方向的均值的夹角不超过设定的阈值；设定分割厚度；设定的分割厚度须满足：在设定的分割厚度下，分割后得到的每个分层地图中包含的电网的节点应超过设定的阈值；按照设定的分割防线和设定的分割厚度对电网三维地图进行分割，得到多个分层地图。
39.本发明的一种基于三维地图的数字孪生电网系统及方法，与现有技术相比，具有如下有益效果：
40.1.效率更高：本发明在进行基于数字孪生的电网控制时，首先通过构建虚拟电网，以实现电网的数字孪生，但在构建虚拟电网时，没有直接进行完整复制，而是通过节点和线路的映射来实现；同时，在提取线路和节点时，只采集线路和节点的坐标信息和角度信息，以实现最简化，提升构建虚拟电网的效率；与传统的数字孪生需要大量的数据作为支撑不同，本发明简化了该过程，且构建的为三维的空间分布的立体图，这样做能够实现电网节点与虚拟电网节点的映射，实现控制，且能够保证效率；同时，本发明还对分层地图进行特征提取，进一步简化控制过程，因为特征提取后得到的分层地图特征，其保留的信息较少，能够以较快的速率找到关键节点和线路，以实现控制，进一步提升控制效率。
41.2.维护更为方便：传统的数字孪生技术，是包括物理空间的实体模型和虚拟空间的虚拟模型，且之间的数据和信息交互，且在构建过程中往往需要大量的数据中转和处理，导致如果实体模型真的出现问题，再通过虚拟模型来溯源往往较为复杂；本发明摒弃了这种做法，而是使用一一映射和特征提取来进行，一一映射可以在一个节点或者线路出现问题后，直接从虚拟模型映射到实体模型，实现问题的快速溯源，同时特征提取，可以着重从
较为重要的节点开始溯源，以保证溯源的效率，简化溯源过程，使得溯源变得更加方便。
附图说明
42.图1为本发明实施例提供的一种基于三维地图的数字孪生电网系统的系统结构示意图；
43.图2为本发明实施例提供的一种基于三维地图的数字孪生电网系统及方法的分层地图进行特征提取的示意图；
44.图3为本发明实施例提供的一种基于三维地图的数字孪生电网系统及方法的分层地图的特征提取的示意图。
具体实施方式
45.下面结合附图及本发明的实施例对本发明的方法作进一步详细的说明。
46.实施例1
47.如图1所示，一种基于三维地图的数字孪生电网系统，所述系统包括：
48.电网地图绘制单元，配置用于获取电网系统的节点数据和线路数据，基于获取到的节点数据和线路数据生成电网三维地图；
49.电网地图分层单元，配置用于基于预设的分层层数，将电网三维地图进行分割，得到多个分层地图；
50.分层地图特征提取单元，配置用于对每个分层地图进行特征提取，得到分层地图特征；
51.分层地图映射单元，配置用于将分层地图与电网进行映射连接，同时将分层地图特征与电网进行映射连接；
52.控制单元，配置用于将控制命令发送至分层地图或分层地图特征，所述控制命令再通过建立的映射连接发送至电网，控制电网运行。
53.具体的，本发明在进行基于数字孪生的电网控制时，首先通过构建虚拟电网，以实现电网的数字孪生，但在构建虚拟电网时，没有直接进行完整复制，而是通过节点和线路的映射来实现；同时，在提取线路和节点时，只采集线路和节点的坐标信息和角度信息，以实现最简化，提升构建虚拟电网的效率；与传统的数字孪生需要大量的数据作为支撑不同，本发明简化了该过程，且构建的为三维的空间分布的立体图，这样做能够实现电网节点与虚拟电网节点的映射，实现控制，且能够保证效率；同时，本发明在还对分层地图进行特征提取，进一步简化控制过程，因为特征提取后得到的分层地图特征，其保留的信息较少，能够以较快的速率找到关键节点和线路，以实现控制，进一步提升控制效率。传统的数字孪生技术，是包括物理空间的实体模型和虚拟空间的虚拟模型，且之间的数据和信息交互，且在构建过程中往往需要大量的数据中转和处理，导致如果实体模型真的出现问题，再通过虚拟模型来溯源往往较为复杂；本发明摒弃了这种做法，而是使用一一映射和特征提取来进行，一一映射可以在一个节点或者线路出现问题后，直接从虚拟模型映射到实体模型，实现问题的快速溯源，同时特征提取，可以着重从较为重要的节点开始溯源，以保证溯源的效率，简化溯源过程，使得溯源变得更加方便。
54.实施例2
55.在上一实施例的基础上，所述电网地图绘制单元生成电网三维单元的方法包括：获取每个电网节点的三维坐标数据，以及获取每条线路的起始点和终点的三维坐标数据；将电网节点的三维坐标数据与每条线路的起始点或终点的三维坐标数据进行比对，将三维坐标数据完全一致的电网节点和每条线路的起始点或终点进行连接，直到完成对所有电网节点的比对。
56.参考图2和图3，图2和图3中展示了本发明进行分层地图特征提取的过程，分层地图往往具备大量的节点和线路。如果直接进行处理，则会导致处理效率降低，采用特征提取的方式可以显著提升效率。
57.实施例3
58.在上一实施例的基础上，所述电网地图分层单元在将电网三维地图进行分割时执行以下步骤：
59.步骤a1：设定分割方向；设定的分割方向须满足：与电网的所有线路的方向的均值的夹角不超过设定的阈值；
60.步骤a2：设定分割厚度；设定的分割厚度须满足：在设定的分割厚度下，分割后得到的每个分层地图中包含的电网的节点应超过设定的阈值；
61.步骤a3：按照设定的分割防线和设定的分割厚度对电网三维地图进行分割，得到多个分层地图。
62.实施例4
63.在上一实施例的基础上，所述分层地图特征提取单元，对每个分层地图进行特征提取，得到分层地图特征的方法执行以下步骤：
64.步骤b1：在分层提取中随机筛选出一个圆形区域，获取圆形区域中的节点和线路；
65.步骤b2：基于获取到的节点和线路，使用预设的权重计算公式计算该圆形区域的权重；
66.步骤b3；若计算出的圆形区域的权重超过设定的阈值，则将该圆形区域中的节点和线路提取出来，作为分层地图特征。
67.实施例5
68.在上一实施例的基础上，所述权重计算公式使用如下公式进行表示：
69.其中，pi表示分层地图中的线路；pi(θ)表示分层地图中的线路与水平方向的夹角；ni表示分层地图中的节点；ni(x)、ni(y)和ni(z)表示分层地图中节点的x轴坐标、y轴坐标和z轴坐标的坐标值。
70.参考图2和图3，图2和图3中为计算到的权重超过设定的阈值后提取出的特征。分层地图的特征往往保留分层地图中的部分节点和线路，该节点和线路将反应分层地图中最重要的部分。以此对应，可以通过一一映射找到电网中较为重要的部分。
71.实施例6
72.在上一实施例的基础上，所述分层地图映射单元将分层地图与电网进行映射连接的方法执行以下步骤：
73.步骤c1：分层地图映射单元将分层地图中的节点与电网中的节点建立一一对应的
映射；
74.步骤c2：分层地图映射单元将分层地图中的线路中起始点和终点与电网中的节点建立一一对应的映射，完成分层地图与电网的映射连接。
75.具体的，制造系统的可诊断性和可维护性与可靠性同样重要。失效恢复能力对于减少生产停机时间至关重要。制造设备可靠性增长是一个不断测试、不断重新设计、不断调整的过程。它也是一个系统工程，因为机器通常是由机械、电子、电气和液压组件和部件组成的高度耦合的系统。在许多情况下，随着系统可靠性水平接近可达到的最大可靠性，提高可靠性所涉及的成本将大幅增加。在某种程度上，提高可诊断性和可维护性比提高系统可靠性更经济。
76.实施例7
77.在上一实施例的基础上，所述分层地图映射单元将分层地图特征与电网进行映射连接的方法执行以下步骤：
78.步骤d1：分层地图映射单元将分层地图特征中的节点与电网中的节点建立一一对应的映射；
79.步骤d2：分层地图映射单元将分层地图特征中的线路中起始点和终点与电网中的节点建立一一对应的映射，完成分层地图特征与电网的映射连接。
80.具体的，在实际生产过程中几分钟的停产往往也会给企业造成巨大的生产损失。因此，制造系统的根源故障原因分析(rca)对于减少停机时间和防止生产损失具有重要意义，一旦发生故障事件，就必须快速定位根源故障原因。微小故障的影响可能传播并关闭整个制造系统。通过对某活塞生产线机器的调查发现，由于自动加载、定位、夹紧、位置传感等故障易发环节较多，自动化生产线的可靠性问题比单机更加突出。生产车间的实践也表明，发生的故障一般是由进一步的根源故障原因引起的，而对维修人员来说，确定根源故障原因通常是一项艰苦而耗时的工作。注意，只有一小部分已证实的故障是由于机械结构设计不合理造成的，大多是由于小细节的意外因素(如信号传输、传感装置、振动、接头松动、油污、原站产品质量误差等)造成的。通常，故障的发生都有潜在的根源故障原因，这些故障之间的连接是高度耦合的，这使得可靠性建模和rca非常困难。
81.实施例8
82.一种基于三维地图的数字孪生电网方法，所述方法执行以下步骤：
83.步骤s1：获取电网系统的节点数据和线路数据，基于获取到的节点数据和线路数据生成电网三维地图；
84.步骤s2：基于预设的分层层数，将电网三维地图进行分割，得到多个分层地图；
85.步骤s3：对每个分层地图进行特征提取，得到分层地图特征；
86.步骤s4：将分层地图与电网进行映射连接，同时将分层地图特征与电网进行映射连接；
87.步骤s5：将控制命令发送至分层地图或分层地图特征，所述控制命令再通过建立的映射连接发送至电网，控制电网运行。
88.具体的，近年来，随着云计算、人工智能、大数据等新兴热点技术的广泛应用，能源行业的数字化程度越来越高。如何监测和利用物理设备中得到的海量全景信息如负荷、气象、电气热多能流、设备运行等，给智慧能源系统的运行管理带来了新的挑战。随着电力系
统运行中负荷、气象、设备、电/气/热多能流等全景信息的日益增多，传统的电力系统建模仿真技术已很难适应未来智慧能源系统运行控制的需要，而结合机器学习、通信网络、高性能分析计算、物联网的数字孪生技术可以有效解决这一技术难题。
89.实施例9
90.在上一实施例的基础上，所述生成电网三维单元的方法包括：获取每个电网节点的三维坐标数据，以及获取每条线路的起始点和终点的三维坐标数据；将电网节点的三维坐标数据与每条线路的起始点或终点的三维坐标数据进行比对，将三维坐标数据完全一致的电网节点和每条线路的起始点或终点进行连接，直到完成对所有电网节点的比对。
91.实施例10
92.在上一实施例的基础上，所述将电网三维地图进行分割时执行以下步骤：设定分割方向；设定的分割方向须满足：与电网的所有线路的方向的均值的夹角不超过设定的阈值；设定分割厚度；设定的分割厚度须满足：在设定的分割厚度下，分割后得到的每个分层地图中包含的电网的节点应超过设定的阈值；按照设定的分割防线和设定的分割厚度对电网三维地图进行分割，得到多个分层地图。
93.所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的存储装置、处理装置的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
94.本领域技术人员应能够意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元、方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，软件单元、方法步骤对应的程序可以置于随机存储器(ram)、内存、只读存储器(rom)、电可编程rom、电可擦除可编程rom、寄存器、硬盘、可移动磁盘、cd-rom、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。为了清楚地说明电子硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以电子硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和属性约束条件。本领域技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
95.术语“第一”、“另一部分”等是配置用于区别类似的对象，而不是配置用于描述或表示特定的顺序或先后次序。
96.术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者单元/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者单元/装置所固有的要素。
97.至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术标记作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。
98.以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非配置用于限定本发明的保护范围。