CN115425760A - 一种基于数字孪生的数字电网*** - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于数字孪生的数字电网***，包括：数据采集模块，用于对电网运行数据进行采集，得到建模参数，包括电网线路名称、设备坐标点集合、操作类型和操作用户；数据处理模块，用于对建模参数进行预处理，包括数据去噪、冗余点与离群点筛选以及数据传输时延补偿，得到优化数据；拓扑结构建立模块，用于根据优化数据，利用预设的操作类型与设备类型的关联关系，确定操作类型对应的设备类型，以建立电网图形拓扑结构；数字电网构建模块，用于利用电网图形拓扑结构和数字孪生技术，按照预设的映射规则，构建数字电网***。本申请通过根据电网图形拓扑结构来建模，大大减少数据处理花费的时间，提高了数字电网建模结果的准确性。

Description

一种基于数字孪生的数字电网***

技术领域

本申请涉及数字孪生及智能电网技术领域，尤其涉及一种基于数字孪生的数字电网***。

背景技术

目前，数字孪生技术已逐渐应用在配电网领域中，通过基于真实电网***虚拟对应的数字电网，以增强对电网运行过程的监控，及时掌握电网运行的安全状态等信息。其中，数字电网主要是以云计算、大数据、物联网、移动端互联网、人工智能和区块链等各种新一代数字化技术作为发展的驱动力，以移动互联网和大数据作为关键制造要素，以现代电力网络和能源网络与新时代的信息网络相结合为基础，通过先进的数字技术和能源公司在业务、管理上进行了深度的融合，不断提高数字化、网络化、智能化的水平。它将物理电网的人、事、物在数字世界进行重构，实现能源流、价值流、信息流的高度融合。

现有的数据电网在构建时，通常是对于在线的真实***的电网模型数据、图形数据等进行转换处理，生成仿真分析用的数字电网的电网基础数据、图形和仿真计算数据。这种方法虽然实现了基于在线数据的数字电网构建，并为在线运行电网仿真分析提供了数据基础，但是缺乏对电网数据的整合处理。在这种海量的数据转换过程中，不仅计算量大，需要耗费大量时间，同时也极易出现转换错误的情况，进而导致无法准确还原电网***的拓扑结构。

发明内容

本申请的目的在于提供一种基于数字孪生的数字电网***，以解决现有的数字电网在构建时存在的效率低下、准确度不高的问题。

为实现上述目的，本申请提供一种基于数字孪生的数字电网***，包括：

数据采集模块，用于对电网运行数据进行采集，得到建模参数，包括电网线路名称、设备坐标点集合、操作类型和操作用户；

数据处理模块，用于对所述建模参数进行预处理，包括数据去噪、冗余点与离群点筛选以及数据传输时延补偿，得到优化数据；

拓扑结构建立模块，用于根据优化数据，利用预设的操作类型与设备类型的关联关系，确定所述操作类型对应的设备类型，以建立电网图形拓扑结构；

数字电网构建模块，用于利用电网图形拓扑结构和数字孪生技术，按照预设的映射规则，构建数字电网***。

进一步地，所述设备包括母线、发电机、负荷、变压器、并联电容电抗器、交流线、直流线、串联电容电抗器、开关和刀闸。

进一步地，所述数据采集模块，还用于利用SCADA***采集电网运行数据。

进一步地，所述基于数字孪生的数字电网***，还包括安全隔离模块，用于根据预设规则判断数据采集模块采集的电网运行数据中是否存在入侵信息；若存在入侵信息则生成告警信息，并停止数据采集操作。

进一步地，所述安全隔离模块，包括入侵检测器、内网处理器和外网处理器；

所述入侵检测器，用于接收数据采集模块采集的电网运行数据并判断是否存在入侵信息；并在存在入侵信息时生成告警信息；

所述内网处理器，用于根据告警信息停止与外网处理器之间的数据传输。

进一步地，所述拓扑结构建立模块，包括：

第一数据对象建立单元，用于若设备类型中的某一设备类型对应点设备，则根据所述建模参数，构建与所述设备类型对应的各点设备的数据对象；

第二数据对象建立单元，用于若设备类型中的某一设备类型对应线设备，则根据所述建模参数，构建与所述设备类型对应的各线设备的数据对象；

拓扑数据建立单元，用于若所述设备类型中的两个设备类型存在拓扑连接关系，则根据所述两个设备类型对应的各设备的位置数据，构建拓扑数据。

进一步地，所述第一数据对象建立单元，还用于：

若设备类型中的某一设备类型对应点设备，则依次根据所述坐标点集合中各坐标数据，构建与所述设备类型对应的各点设备的位置数据；

根据所述设备类型，查找对应的电网设备图符，构建所述各点设备的第一图符数据，所述第一图符数据包括图符、颜色和大小；

根据所述线路名称、各点设备的位置数据在所述坐标点集合中的顺序以及所述操作用户，分别构建所述各点设备的属性数据；

根据同一点设备的位置数据、图符数据和属性数据，构建所述同一点设备的数据对象。

进一步地，所述第二数据对象建立单元，还用于：

若所述设备类型中的某一设备类型对应线设备，则依次根据所述坐标点集合中相邻两个坐标数据，构建所述设备类型对应的各线设备的位置数据；

根据所述设备类型，查找对应的电网设备图符，构建所述各线设备的第二图符数据，所述第二图符数据包括线型、颜色和粗细；

根据所述线路名称、各线设备的位置数据在坐标点集合中的顺序、同一线设备的位置数据之间的距离以及所述操作用户，分别构建所述各线设备的属性数据；

根据同一线设备的位置数据、图符数据和属性数据，构建所述同一线设备的数据对象。

进一步地，所述拓扑数据建立单元，还用于：

将所述两个设备类型对应的设备分别作为第一设备和第二设备；若第一设备的位置数据中的坐标数据与第二设备的位置数据中的坐标数据满足预设条件，则构建所述第一设备和所述第二设备的拓扑关系，以得到拓扑数据。

进一步地，所述的基于数字孪生的数字电网***，还包括可视化显示模块，包括：

可视化设计单元，用于根据输入的界面定制命令生成界面规范文件，并将所述界面规范文件发送至可视化播放单元；

可视化播放单元，用于根据所述界面规范文件确定界面播放格式，并将数字电网***的电网数据按照所述界面播放格式进行播放。

相对于现有技术，本申请的有益效果在于：

本申请公开了一种基于数字孪生的数字电网***，包括：数据采集模块，用于对电网运行数据进行采集，得到建模参数，包括电网线路名称、设备坐标点集合、操作类型和操作用户；数据处理模块，用于对建模参数进行预处理，包括数据去噪、冗余点与离群点筛选以及数据传输时延补偿，得到优化数据；拓扑结构建立模块，用于根据优化数据，利用预设的操作类型与设备类型的关联关系，确定操作类型对应的设备类型，以建立电网图形拓扑结构，数字电网构建模块，用于利用电网图形拓扑结构和数字孪生技术，按照预设的映射规则，构建数字电网***。

本申请通过根据电网图形拓扑结构来建模，大大减少数据处理花费的时间，提高了数字电网建模结果的准确性。同时，本申请通过可视化显示模块，能够减轻用户对数字电网业务的检测工作，极大地提高了电网管理的能效。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施方式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申请的一些实施方式，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。

图1是本申请某一实施例提供的基于数字孪生的数字电网***的结构示意图；

图2是本申请某一实施例提供的数据采集模块01的子单元的结构示意图；

图3是本申请某一实施例提供的拓扑结构建立模块03的子单元的结构示意图；

图4是本申请另一实施例提供的基于数字孪生的数字电网***的结构示意图；

图5是本申请某一实施例提供的安全隔离模块05的子单元的结构示意图；

图6是本申请又一实施例提供的基于数字孪生的数字电网***的结构示意图；

图7是本申请某一实施例提供的可视化显示模块06的子单元的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应当理解，文中所使用的步骤编号仅是为了方便描述，不对作为对步骤执行先后顺序的限定。

应当理解，在本申请说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本申请。如在本申请说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

请参阅图1，本申请某一实施例提供一种基于数字孪生的数字电网***。如图1所示，该基于数字孪生的数字电网***包括四个功能模块。各模块的内容具体如下：

数据采集模块01，用于对电网运行数据进行采集，得到建模参数，包括电网线路名称、设备坐标点集合、操作类型和操作用户。

在一个具体地实施方式中，数据采集模块01包括了SCADA单元011，如图2所示，具体地，SCADA单元011用于利用SCADA***采集电网运行数据。需要说明的是，SCADA***，即数据采集与监视控制***。需要说明的是，SCADA***是以计算机为基础的DCS与电力自动化监控***；通过SCADA***可以有效采集电网运行数据。

为了保证数据采集的全面性，在一个优选地实施方式中，数据采集模块01，还可以包括远程终端单元015、服务器实例014、KAFKA单元013以及监视单元012。

具体地，远程终端单元015和服务器实例014的数量可采用多个，一个远程终端单元015连接至两个不同的服务器实例014，所有服务器实例014均依次通过KAFKA单元013和SCADA单元011连接至监视单元012。为了提高采集效率，本实施例中可以采用分布式采集方法，即设置多个远程终端单元015，对于不同的电网运行数据进行分布式采集，然后并行传输至服务器实例014中。如图2所示，本实施例中选择设置了3个服务器实施例和3个远程终端单元015。可以理解的是，具体设置多少个远程终端单元015和服务器实例014，可以根据实际应用需要灵活调整，在此不作任何限定。

在一个实施例中，电网运行数据包括各个电网设备的运行数据，具体包括母线、发电机、负荷、变压器、并联电容电抗器、交流线、直流线、串联电容电抗器、开关和刀闸等。

数据处理模块02，用于对所述建模参数进行预处理，包括数据去噪、冗余点与离群点筛选以及数据传输时延补偿，得到优化数据。

本实施例中，数据处理模块02用于对获得的建模参数对应的数据进行预处理，以提高建模数据的样本质量。

在一个优选地实施方式中，采用小波变换对数据中的噪声信号进行滤除；采用壳状数据选择算法删除样本数据的数据冗余；采用基于距离的离群点检测算法来区分样本数据中的正常数据点和离群点，并剔除离群点；其中，此处的距离指的是对象数据点之间的欧式距离、绝对距离以及明考斯基距离。最后，采用改进双Smith时延预估补偿器进行数据传输时延补偿操作，得到优化数据。

拓扑结构建立模块03，用于根据优化数据，利用预设的操作类型与设备类型的关联关系，确定所述操作类型对应的设备类型，以建立电网图形拓扑结构。

需要说明的是，由于现有的数字电网建模过程中，通常是将大量的孤立的数据逐一转换，映射至虚拟的镜像中，但是这种方式不仅容易出错，且计算量极大，花费成本较高。而为了解决该问题，本实施例中主要基于电网图形的拓扑结构来完成数字电网的建模，以提高拓扑数据的准确性，规避网络延迟和抖动带来的性能风险，提升***易用性。

具体地，请参阅图3，在某一个实施例中，所述拓扑结构建立模块03，包括：

第一数据对象建立单元031，用于若设备类型中的某一设备类型对应点设备，则根据所述建模参数，构建与所述设备类型对应的各点设备的数据对象；

第二数据对象建立单元032，用于若设备类型中的某一设备类型对应线设备，则根据所述建模参数，构建与所述设备类型对应的各线设备的数据对象；

拓扑数据建立单元033，用于若所述设备类型中的两个设备类型存在拓扑连接关系，则根据所述两个设备类型对应的各设备的位置数据，构建拓扑数据。

在一个具体实施例中，第一数据对象建立单元031，还用于：

若设备类型中的某一设备类型对应点设备，则依次根据所述坐标点集合中各坐标数据，构建与所述设备类型对应的各点设备的位置数据；

根据所述设备类型，查找对应的电网设备图符，构建所述各点设备的第一图符数据，所述第一图符数据包括图符、颜色和大小；

根据所述线路名称、各点设备的位置数据在所述坐标点集合中的顺序以及所述操作用户，分别构建所述各点设备的属性数据；

根据同一点设备的位置数据、图符数据和属性数据，构建所述同一点设备的数据对象。

在一个具体实施例中，第二数据对象建立单元032，还用于：

若所述设备类型中的某一设备类型对应线设备，则依次根据所述坐标点集合中相邻两个坐标数据，构建所述设备类型对应的各线设备的位置数据；

根据所述设备类型，查找对应的电网设备图符，构建所述各线设备的第二图符数据，所述第二图符数据包括线型、颜色和粗细；

根据所述线路名称、各线设备的位置数据在坐标点集合中的顺序、同一线设备的位置数据之间的距离以及所述操作用户，分别构建所述各线设备的属性数据；

根据同一线设备的位置数据、图符数据和属性数据，构建所述同一线设备的数据对象。

在一个具体实施例中，拓扑数据建立单元033，还用于：

将所述两个设备类型对应的设备分别作为第一设备和第二设备；若第一设备的位置数据中的坐标数据与第二设备的位置数据中的坐标数据满足预设条件，则构建所述第一设备和所述第二设备的拓扑关系，以得到拓扑数据。

数字电网构建模块04，用于利用电网图形拓扑结构和数字孪生技术，按照预设的映射规则，构建数字电网***。

最后，基于数字孪生技术，将电网图形拓扑结构按照预设的映射规则映射至虚拟镜像中，得到最终的数字电网***。可以理解的是，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。

请参阅图4，在一个具体地实施例中，所述的基于数字孪生的数字电网***，还包括安全隔离模块05，用于根据预设规则判断数据采集模块01采集的电网运行数据中是否存在入侵信息；若存在入侵信息则生成告警信息，并停止数据采集操作。

进一步地，在一个实施例中，所述安全隔离模块05包括入侵检测器051、内网处理器052和外网处理器053，如图5所示。具体地，各个部分的功能如下：

所述入侵检测器051，用于接收数据采集模块01采集的电网运行数据并判断是否存在入侵信息；并在存在入侵信息时生成告警信息；

所述内网处理器052，用于根据告警信息停止与外网处理器053之间的数据传输。

本实施例中，通过设置安全隔离模块05，能够实时检测电网数据是否存在入侵信息，避免数字电网收到互联网的黑客攻击，提高数字电网的安全性。

请参阅图6，在一个具体地实施例中，所述的基于数字孪生的数字电网***，还包括可视化显示模块06，以实现无需用户进行操作便可实现对数字电网业务的全面监测。

进一步地，该可视化显示模块06包括2个子单元，如图7所示。具体地，各个子单元的功能如下：

可视化设计单元061，用于根据输入的界面定制命令生成界面规范文件，并将所述界面规范文件发送至可视化播放单元062；

可视化播放单元062，用于根据所述界面规范文件确定界面播放格式，并将数字电网***的电网数据按照所述界面播放格式进行播放。

本实施例中通过可视化显示模块的设置，极大的减轻了用户对数字电网业务的监测工作，加强了电网监管的能效。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的***、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分仅仅为一种逻辑功能划分，在实际应用中对其实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或页面组件可以结合或者可以集成到另一个***，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性、机械或其它的形式。

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单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。

上述以软件功能单元的形式实现的集成的单元，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述软件功能单元存储在一个存储介质中，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)或处理器(processor)执行本申请各个实施例所述方法的部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于数字孪生的数字电网***，其特征在于，包括：

数据采集模块，用于对电网运行数据进行采集，得到建模参数，包括电网线路名称、设备坐标点集合、操作类型和操作用户；

数据处理模块，用于对所述建模参数进行预处理，包括数据去噪、冗余点与离群点筛选以及数据传输时延补偿，得到优化数据；

拓扑结构建立模块，用于根据优化数据，利用预设的操作类型与设备类型的关联关系，确定所述操作类型对应的设备类型，以建立电网图形拓扑结构；

数字电网构建模块，用于利用电网图形拓扑结构和数字孪生技术，按照预设的映射规则，构建数字电网***。

2.根据权利要求1所述的基于数字孪生的数字电网***，其特征在于，所述设备包括母线、发电机、负荷、变压器、并联电容电抗器、交流线、直流线、串联电容电抗器、开关和刀闸。

3.根据权利要求1所述的基于数字孪生的数字电网***，其特征在于，所述数据采集模块，还用于利用SCADA***采集电网运行数据。

4.根据权利要求1所述的基于数字孪生的数字电网***，其特征在于，还包括安全隔离模块，用于根据预设规则判断数据采集模块采集的电网运行数据中是否存在入侵信息；若存在入侵信息则生成告警信息，并停止数据采集操作。

5.根据权利要求4所述的基于数字孪生的数字电网***，其特征在于，所述安全隔离模块，包括入侵检测器、内网处理器和外网处理器；

所述入侵检测器，用于接收数据采集模块采集的电网运行数据并判断是否存在入侵信息；并在存在入侵信息时生成告警信息；

所述内网处理器，用于根据告警信息停止与外网处理器之间的数据传输。

6.根据权利要求1所述的基于数字孪生的数字电网***，其特征在于，所述拓扑结构建立模块，包括：

第一数据对象建立单元，用于若设备类型中的某一设备类型对应点设备，则根据所述建模参数，构建与所述设备类型对应的各点设备的数据对象；

第二数据对象建立单元，用于若设备类型中的某一设备类型对应线设备，则根据所述建模参数，构建与所述设备类型对应的各线设备的数据对象；

拓扑数据建立单元，用于若所述设备类型中的两个设备类型存在拓扑连接关系，则根据所述两个设备类型对应的各设备的位置数据，构建拓扑数据。

7.根据权利要求6所述的基于数字孪生的数字电网***，其特征在于，所述第一数据对象建立单元，还用于：

若设备类型中的某一设备类型对应点设备，则依次根据所述坐标点集合中各坐标数据，构建与所述设备类型对应的各点设备的位置数据；

根据所述设备类型，查找对应的电网设备图符，构建所述各点设备的第一图符数据，所述第一图符数据包括图符、颜色和大小；

根据所述线路名称、各点设备的位置数据在所述坐标点集合中的顺序以及所述操作用户，分别构建所述各点设备的属性数据；

根据同一点设备的位置数据、图符数据和属性数据，构建所述同一点设备的数据对象。

8.根据权利要求6所述的基于数字孪生的数字电网***，其特征在于，所述第二数据对象建立单元，还用于：

若所述设备类型中的某一设备类型对应线设备，则依次根据所述坐标点集合中相邻两个坐标数据，构建所述设备类型对应的各线设备的位置数据；

根据所述设备类型，查找对应的电网设备图符，构建所述各线设备的第二图符数据，所述第二图符数据包括线型、颜色和粗细；

根据所述线路名称、各线设备的位置数据在坐标点集合中的顺序、同一线设备的位置数据之间的距离以及所述操作用户，分别构建所述各线设备的属性数据；

根据同一线设备的位置数据、图符数据和属性数据，构建所述同一线设备的数据对象。

9.根据权利要求6所述的基于数字孪生的数字电网***，其特征在于，所述拓扑数据建立单元，还用于：

将所述两个设备类型对应的设备分别作为第一设备和第二设备；若第一设备的位置数据中的坐标数据与第二设备的位置数据中的坐标数据满足预设条件，则构建所述第一设备和所述第二设备的拓扑关系，以得到拓扑数据。

10.根据权利要求1所述的基于数字孪生的数字电网***，其特征在于，还包括可视化显示模块，包括：

可视化设计单元，用于根据输入的界面定制命令生成界面规范文件，并将所述界面规范文件发送至可视化播放单元；

可视化播放单元，用于根据所述界面规范文件确定界面播放格式，并将数字电网***的电网数据按照所述界面播放格式进行播放。

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