一种基于数字孪生技术的直流电网控制方法及系统与流程

1.本发明属于直流电网控制技术领域，具体涉及一种基于数字孪生技术的直流电网控制方法及系统。


背景技术：

2.直流电网是融合源网荷多技术领域的综合复杂系统。随着数字化管理需求的日益提高，需要精准调控直流电网内的源网荷各类目标，而现有技术中缺少能够精准调控直流电网内的源网荷各类目标的有效方法。


技术实现要素：

3.为解决现有技术中的不足，本发明提供一种基于数字孪生技术的直流电网控制方法及系统，能够精准调控直流电网内的源网荷各类目标。
4.为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
5.第一方面，提供一种直流电网控制方法，包括：分别采集直流电网电源侧各系统及负载侧各系统的运行数据；基于采集到的各运行数据分别建立对应的电源侧各系统的模型和负载侧各系统的模型；基于采集到的各运行数据及对应的电源侧各系统的模型和负载侧各系统的模型进行仿真计算，获得仿真计算结果；根据仿真计算结果对直流电网电源侧各系统及负载侧各系统进行控制。
6.进一步地，所述电源侧各系统包括光伏系统和储能系统；所述负载侧各系统包括柔性直流负载；所述电源侧各系统的模型包括光伏系统模型和储能系统模型；所述负载侧各系统的模型包括柔性直流负载模型。
7.进一步地，所述光伏系统模型为：
[0008][0009]
其中，t
p
是光伏系统单位温度效率系数，s是光伏板铺设面积，g
now
是当前日照强度，g
max
是光伏最大输出功率下的日照强度，α是光伏板铺设角度，p
p
是光伏系统的有效功率。
[0010]
进一步地，所述储能系统模型为：
[0011]
p
′s＝p
s-θs+pcꢀꢀ
(2)
[0012]
其中，θs是储能系统单位时间内的能量损失，pc是储能系统单位时间内的有效充电/放电功率，充电时pc为正，放电是pc
为
负，ps是储能系统的有效功率，p
′s是单位时间后储能系统的有效功率。
[0013]
进一步地，所述柔性直流负载模型为：
[0014][0015]
其中，pn是单一直流柔性负荷的最大功率，ρn是单一直流柔性负荷的权重，sn是直流开关，n是直流柔性负荷数目，当ρn越高的时候，sn为1的概率越大，p
dc
是直流柔性负荷的有效功率。
[0016]
第二方面，提供一种直流电网控制系统，包括：数字孪生交互控制模块，用于分别采集直流电网电源侧各系统及负载侧各系统的运行数据；数字孪生模型模块，用于基于采集到的各运行数据分别建立对应的电源侧各系统的模型和负载侧各系统的模型；数字孪生仿真模块，用于基于采集到的各运行数据及对应的电源侧各系统的模型和负载侧各系统的模型进行仿真计算，获得仿真计算结果；协控装置，用于根据仿真计算结果对直流电网电源侧各系统及负载侧各系统进行控制。
[0017]
进一步地，所述数字孪生交互控制模块包括数据接收模块和即插即用模块，当所述即插即用模块检测到新接入的柔性直流负载、光伏系统或储能系统时，通知所述数字孪生模型模块建立对应的模型，并通知所述数据接收模块接收对应的运行数据，同时通知所述数字孪生仿真模块对应地扩大仿真范围。
[0018]
进一步地，当所述即插即用模块检测到已退出的或主动撤销的柔性直流负载、光伏系统、储能系统时，通知所述数字孪生模型模块删除对应的模型，并通知所述数据接收模块停止接收对应的运行数据，同时通知所述数字孪生仿真模块对应地缩小仿真范围。
[0019]
进一步地，所述数字孪生交互控制模块包括交互操作模块，用于将所述数字孪生仿真模块的仿真计算结果转发给所述协控装置。
[0020]
进一步地，所述数字孪生交互控制模块包括孪生展示模块，用于展示采集的直流电网电源侧各系统及负载侧各系统的运行数据、建立的电源侧各系统及负载侧各系统的模型、仿真计算结果。
[0021]
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
[0022]
(1)本发明通过基于采集到的各运行数据分别建立对应的电源侧各系统的模型和负载侧各系统的模型；基于采集到的各运行数据及对应的电源侧各系统的模型和负载侧各系统的模型进行仿真计算；根据仿真计算结果对直流电网电源侧各系统及负载侧各系统进行控制，实现了精准调控直流电网内的源网荷各类目标；
[0023]
(2)本发明构建了基于数字孪生技术的直流电网控制系统，建立相应模型，能够统一管理的展示所有源网荷真实环境和虚拟环境内目标；
[0024]
(3)本发明具备动态识别直流电网调控过程中，源荷投入、退出及柔性调整过程的能力，实现了即插即用。
附图说明
[0025]
图1是本发明实施例提供的一种基于数字孪生技术的直流电网控制系统的架构流程示意图；
[0026]
图2是本发明实施例中的数据、物理对象、虚拟对象交互示意图。
具体实施方式
[0027]
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0028]
实施例一：
[0029]
一种基于数字孪生技术的直流电网控制方法，包括：分别采集直流电网电源侧各系统及负载侧各系统的运行数据；基于采集到的各运行数据分别建立对应的电源侧各系统的模型和负载侧各系统的模型；基于采集到的各运行数据及对应的电源侧各系统的模型和负载侧各系统的模型进行仿真计算，获得仿真计算结果；根据仿真计算结果对直流电网电源侧各系统及负载侧各系统进行控制。
[0030]
本实施例中，电源侧各系统包括光伏系统和储能系统；负载侧各系统包括柔性直流负载；电源侧各系统的模型包括光伏系统模型和储能系统模型；负载侧各系统的模型包括柔性直流负载模型。
[0031]
光伏系统模型为：
[0032][0033]
其中，t
p
是光伏系统单位温度效率系数，s是光伏板铺设面积，g
now
是当前日照强度，g
max
是光伏最大输出功率下的日照强度，α是光伏板铺设角度，p
p
是光伏系统的有效功率。
[0034]
储能系统模型为：
[0035]
ps′
＝p
s-θs+pcꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0036]
其中，θs是储能系统单位时间内的能量损失，pc是储能系统单位时间内的有效充电/放电功率，充电时pc为正，放电是pc为负，ps是储能系统的有效功率，ps′
是单位时间后储能系统的有效功率。
[0037]
柔性直流负载模型为：
[0038][0039]
其中，pn是单一直流柔性负荷的最大功率，ρn是单一直流柔性负荷的权重，sn是直流开关，n是直流柔性负荷数目，当ρn越高的时候，sn为1的概率越大，p
dc
是直流柔性负荷的有效功率。
[0040]
本发明通过基于采集到的各运行数据分别建立对应的电源侧各系统的模型和负载侧各系统的模型；基于采集到的各运行数据及对应的电源侧各系统的模型和负载侧各系统的模型进行仿真计算；根据仿真计算结果对直流电网电源侧各系统及负载侧各系统进行控制，实现了精准调控直流电网内的源网荷各类目标。
[0041]
实施例二：
[0042]
基于实施例一所述的一种基于数字孪生技术的直流电网控制方法，本实施例提供一种基于数字孪生技术的直流电网控制系统，如图1所示，包括数字孪生交互控制模块、数
字孪生模型模块、数字孪生仿真模块和协控装置；其中，数字孪生交互控制模块包括交互操作模块、即插即用模块、数据接收模块和孪生展示模块。
[0043]
数字孪生交互控制模块通过数据接收模块获取已投入的直流柔性负荷、光伏系统及储能系统的现场数据，并与数字孪生模型模块建立的数字模型进行关联。
[0044]
如图2所示，直流电网的柔性直流负载、光伏系统及储能系统等物理对象产生了数字孪生系统的现场核心数据，而这些现场核心数据需与数字孪生的数字虚拟模块进行映射，所以需要对柔性直流负载、光伏系统及储能系统进行数字建模。
[0045]
数字孪生模型模块通过柔性直流负载模型模块、光伏模型模块、储能模型模块分别对柔性直流负载、光伏系统及储能系统进行数字建模，包括如下三个模型：
[0046]
柔性直流负载模型模块建立柔性直流负载数字模型，针对单一柔性直流负载，数字模型因子包括：pn、ρn、sn，其中，pn是单一直流柔性负荷的最大功率，ρn是单一直流柔性负荷的权重，sn是直流开关，n是直流柔性负荷数目；则柔性直流负载数字模型如公式(3)所示，其中，ρn越高，sn为1的概率越大；
[0047]
光伏模型模块建立光伏系统数字模型，数字模型因子包括：t
p
、s、g
now
、g
max
、α，其中，t
p
是单位温度效率系数，s是光伏板铺设面积，g
now
是当前日照强度，g
max
是光伏最大输出功率下的日照强度，α是光伏板铺设角度；则光伏系统数字模型如公式(1)所示；
[0048]
储能模型模块建立储能系统数字模型，数字模型因子包括：θs、pc、pd，其中，θs是储能系统单位时间内的能量损失，pc是储能系统单位时间内的有效充电/放电功率，充电时pc为正，放电是pc为负；则储能系统单位时间内数字模型如公式(2)所示。
[0049]
如图2所示，建立完直流电网所有虚拟对象的模型后，数字孪生仿真模块通过数字模型和现场数据对直流电网的直流柔性负荷、光伏系统及储能系统等物理对象进行仿真计算。
[0050]
数字孪生仿真模块通过数字模型和现场数据进行仿真计算，并通过各类高级学习算法生成虚拟的核心数据，并根据数据结果决定是否进行物理对象的实际控制，若进行实际控制，则交互操作模块将仿真计算结果推送给现场协控装置，由协控装置对直流电网的直流柔性负荷、光伏系统及储能系统等物理对象进行实际控制。
[0051]
所有物理对象的虚拟模型将以三维形式进行展示，同步展示仿真与控制过程，以及实际核心数据与虚拟核心数据。
[0052]
数字孪生模型模块通过柔性直流负载模型模块、光伏模型模块、储能模型模块分别对柔性直流负载、光伏系统及储能系统进行三维建模；柔性直流负载模型模块建立柔性直流负载三维模型，并发送给孪生展示模块；光伏模型模块建立光伏系统三维模型，并发送给孪生展示模块；储能模型模块建立储能系统三维模型，并发送给孪生展示模块。
[0053]
孪生展示模块将展示各模块的三维模型以及各模型的实时数据和仿真数据；实时数据来自数据接收模块，仿真数据来自数字孪生仿真模块。
[0054]
另外，由于在直流电网调控过程中，存在大量源荷投入退出及柔性调整过程，需要具备动态识别能力，实现即插即用。
[0055]
即插即用模块可以检测到新接入的柔性直流负载、光伏系统、储能系统，通知数字孪生模型模块建立新的模型，通知数据接收模块接收对应数据，通知数字孪生仿真模块对应地扩大仿真范围；即插即用模块可以检测到已退出的柔性直流负载、光伏系统、储能系
统，或者主动撤销已接入的柔性直流负载、光伏系统、储能系统，通知数字孪生模型模块删除对应的模型，通知数据接收模块停止接收对应数据，通知数字孪生仿真模块对应地缩小仿真范围。
[0056]
本发明构建了基于数字孪生技术的直流电网控制系统，建立相应模型，能够统一管理的展示所有源网荷真实环境和虚拟环境内目标；具备动态识别直流电网调控过程中，源荷投入、退出及柔性调整过程的能力，实现了即插即用。
[0057]
本发明通过数字孪生技术建立直流电网系统源网荷各类目标的模型，通过对虚拟环境进行展示及仿真，实现对真实环境的操作预知，并可根据仿真结果进行实际控制；同时，支持源荷目标的即插即用动态识别，并同步更新数字模型，有效满足电网数字化管理需求。
[0058]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。