一种电网设备元件能源信息建模、仿真分析方法与流程

1.本发明涉及基于事件驱动的信息物理元件仿真建模系统技术领域，具体涉及一种电网设备元件能源信息建模、仿真分析方法。


背景技术：

2.随着电网智能化水平的逐渐发展，信息通信与智能控制等技术广泛应用于电网，推动了电网系统中的物理信息与能源信息的耦合与交互的分析与调控方面的研究。在能源互联网的迅速发展的背景下，突破混合能源系统动态耦合及能源信息集成等技术瓶颈针亟需解决。对包含海量物理、信息元件的庞大混合能源系统，对电网各设备元件部分之间的逻辑关联，建模分析及驱动控制方法成为能源互联网下推动业务场景研究与分析的基础与关键。
3.电网系统是一个典型多层级多元件的复杂耦合网络，“输
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发
‑
配
‑
用”多层级“源
‑
储
‑
荷”一次二次设备元件的动态配合构成了一个信息物理系统(cps)。如光伏或风力发电机发电单元、继电保护系统元件、安控主站子站设备、通信路由器、智能电网调度系统等都是不同层级的cps。不同层级的cps设备元件都包括事件感知、状态分析、逻辑决策、执行反馈的闭环过程。但是现有技术中对cps设备元件的建模仅限于对单个或单层电网设备元件的建模，并未考虑每层电网设备元件之间的事件转移逻辑等问题，不能将每层电网设备元件进行统一融合建模。


技术实现要素：

4.因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的电网设备元件建模在事件驱动感知、状态描述及能源信息统一融合建模分析中存在的技术瓶颈缺陷，从而提供一种电网设备元件能源信息建模、仿真分析方法。
5.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.本发明实施例提供一种电网设备元件能源信息建模、仿真分析方法，其特征在于，包括：基于信息物理耦合机理，对每个电网设备元件进行分类；基于工作属性对每类电网设备元件的状态进行描述，基于事件驱动对每类电网设备元件的事件转移逻辑进行梳理；基于描述后的每类电网设备元件的状态、每类电网设备元件的事件转移逻辑，利用仿真平台构建每类的电网设备元件的仿真分析模型；在仿真分析模型中，对电网设备元件的状态逻辑进行模块的新增，以及构建状态感知模块、状态转移模块及状态决策模块，并用示波器对电网设备元件的每一状态的仿真进行描述和展示。
7.在一实施例中，基于信息物理耦合机理，对每个电网设备元件进行分类的过程，包括：根据电网设备元件在电网系统中的功能属性，以及电网设备元件之间在驱动事件类型、状态描述和控制逻辑上的相似性，对电网设备元件进行分类。
8.在一实施例中，基于工作属性对每类电网设备元件的状态进行描述的过程，包括：用数字“1”或“0”信号代表电网设备元件接收到的控制指令。
9.在一实施例中，基于工作属性对每类电网设备元件的状态进行描述的过程，还包括：用阶跃信号模拟外部人为控制指令或不可抗因素导致的故障发生，以及模拟检修开始及检修结束标志信号。
10.在一实施例中，基于工作属性对每类电网设备元件的状态进行描述的过程，还包括：用延时信号模块模拟故障状态下的检修恢复过程。
11.在一实施例中，基于工作属性对每类电网设备元件的状态进行描述的过程，还包括：用耦合的逻辑门信号模拟在事件驱动下的状态间转换逻辑。
12.在一实施例中，基于事件驱动对每类电网设备元件的事件转移逻辑进行梳理的过程，包括：基于外部事件信息，分析每类电网设备元件在外部事件驱动条件下的状态转换逻辑；分析每类电网设备元件的内部控制逻辑及状态描述机理。
13.在一实施例中，外部事件信息包括：多个外部事件实例及外部事件引发的结果，以及不同外部事件间的转换概率。
14.在一实施例中，内部控制逻辑包括：控制信号的传输逻辑、电网设备元件状态描述的显示机理。
15.本发明技术方案，具有如下优点：
16.本发明提供的电网设备元件能源信息建模、仿真分析方法，基于信息物理耦合机理，对每个电网设备元件进行分类；基于工作属性对每类电网设备元件的状态进行描述，基于事件驱动对每类电网设备元件的事件转移逻辑进行梳理；基于描述后的每类电网设备元件的状态、每类电网设备元件的事件转移逻辑，利用仿真平台构建每类的电网设备元件的仿真分析模型；在仿真分析模型中，对电网设备元件的状态逻辑进行模块的新增，以及构建状态感知模块、状态转移模块及状态决策模块，并用示波器对电网设备元件的每一状态的仿真进行描述和展示，从而实现通过对元件状态的呈现和描述，可对电网整体的智能信息化发展提供技术支撑，形成数字化网络的演化基础。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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。
18.图1为本发明实施例提供的电网设备元件能源信息建模、仿真分析方法的一个具体示例的流程图；
19.图2为本发明实施例提供的dtu元件模型仿真逻辑；
20.图3为本发明实施例提供的dtu元件模型仿真验证结果；
21.图4为本发明实施例提供的负荷元件模型仿真逻辑；
22.图5为本发明实施例提供的负荷元件模型仿真验证结果；
23.图6为本发明实施例提供的断路器元件模型仿真逻辑；
24.图7为本发明实施例提供的断路器元件模型仿真验证结果；
25.图8为本发明实施例提供的风力发电机元件模型仿真逻辑；
26.图9为本发明实施例提供的风力发电机元件模型仿真验证结果。
具体实施方式
27.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
28.此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
29.实施例
30.本发明实施例提供一种电网设备元件能源信息建模、仿真分析方法，应用于需要对众多电网设备元件进行统一融合建模、仿真分析的场合，如图1所示，包括：
31.步骤s11：基于信息物理耦合机理，对每个电网设备元件进行分类。
32.本发明实施例对电网中的一次、二次设备的功能属性和内外部事件驱动机理进行分类，即本发明实施例可以根据电网设备元件在电网系统中的功能属性，以及电网设备元件之间在驱动事件类型、状态描述和控制逻辑上的相似性，对电网设备元件进行分类，其中，驱动事件类型包括内部事件及外部事件，状态描述指的是电网设备元件在不同工况下的工作状态表达，如发电类元件通常需要描述其输出p/q，量测类元件需要描述其收发的通信信号值，控制逻辑指设备元件工作的属性逻辑和功能实现的逻辑共性，发电类元件为最上游，用电类元件为最下游，而量测类元件具备感知功能，保护类元件具备控制功能。
33.本发明实施例的分类后的电网设备元件分为物理层元件、信息层元件及融合层元件，即可以包括发电类、输电保护类、配电量测类以及用电类，其中，发电类元件包括风力发电机、水轮机等，输电保护类元件包括断路器、隔离开关等，配电量测类元件包括dtu、传感器等，用电类元件包括动态负荷、电动汽车等。
34.步骤s12：基于工作属性对每类电网设备元件的状态进行描述，基于事件驱动对每类电网设备元件的事件转移逻辑进行梳理。
35.具体地，本发明实施例利用仿真平台内的不同模块的不同状态，描述每类电网设备元件的不同工作状态，即为电网设备元件由于各种事件驱动会出现的不同工作状态，提前设定对应的描述状态，例如：用数字“1”或“0”信号代表电网设备元件接收到的控制指令；用阶跃信号模拟外部人为控制指令或不可抗因素导致的故障发生，以及模拟检修开始及检修结束标志信号；用延时信号模块模拟故障状态下的检修恢复过程；用耦合的逻辑门信号模拟在事件驱动下的状态间转换逻辑等等。
36.具体地，本发明实施例根据不同事件驱动，分析每类电网设备元件之间的事件转移逻辑，其中，事件转移逻辑如：上层电网设备与下层电网设备之间，若上层电网设备的信号接收故障会导致无法给下层电网设备元件发送控制信号，造成下层电网设备元件物理故障。
37.具体地，本发明实施例的事件驱动可以分为外部事件驱动及内部事件驱动，外部事件驱动如：电网设备元件的工作状态是否受所工作环境条件的改变而影响，是否因风吹日晒极端天气雨淋冰冻而出现性能故障，是否因气温风速发生工作状态的转移，是否会因信息丢包、通信延迟载引发信息元件状态切换，是否因人为管理及规程安排进行调试及检修。内部事件驱动如：电网设备元件接收的上级设备控制信号，自身性能故障等。
38.具体地，本发明实施例基于外部事件信息，分析每类电网设备元件在外部事件驱
动条件下的状态转换逻辑，其中，外部事件信息可以包括：多个外部事件实例及外部事件引发的结果，以及不同外部事件间的转换概率，外部事件信息可以由大量历史外部事件及其导致电网设备元件之间的状态的结果构成，此外，还可以由外部事件及其造成的结果计算不同外部事件间的转换概率，从而再确定电网设备元件的状态转移逻辑。
39.具体地，本发明实施例分析每类电网设备元件的内部控制逻辑及状态描述机理，内部控制逻辑包括：控制信号的传输逻辑、电网设备元件状态描述的显示机理，其中，控制信号的传输逻辑如：上层电网设备元件接收到断开信号后，其需要生成触发信号至下层电网设备元件；电网设备元件状态描述的显示机理如电网设备元件断开后，其电流为零。
40.本发明实施例将电网设备元件状态和事件的关联，可成为电网调控策略控制的逻辑参考和优化算法的输入和输出参与电网调控策略。比如对于故障的自愈控制，需要读取故障设备的状态，然后进行控制决策甚至改变一些设备的状态。
41.步骤s13：基于描述后的每类电网设备元件的状态、每类电网设备元件的事件转移逻辑，利用仿真平台构建每类的电网设备元件的仿真分析模型。
42.具体地，本发明实施例针对每类电网设备元件在仿真平台中选择对应的示例模块，例如：发电类元件选取风力发电机为示例，输电保护类元件选取断路器为示例，配电量测类元件选取dtu为示例，用电类元件选取动态负荷为示例。
43.具体地，本发明实施例基于步骤s12在仿真平台中对示例模块的状态、每个事件驱动对每类电网设备元件的事件转移逻辑均进行描述，从而搭建每类的电网设备元件的仿真分析模型。
44.步骤s14：在仿真分析模型中，对电网设备元件的状态逻辑进行模块的新增，以及构建状态感知模块、状态转移模块及状态决策模块，并用示波器对电网设备元件的每一状态的仿真进行描述和展示。
45.具体地，本发明实施例的状态感知模块用于感知内部外部的事件；状态转移模块可以描述不同工况下的工作状态转移，比如通过一个判断逻辑门，可以判断出从正常工作状态转移到故障状态；控制决策模块可以用信号指示控制指令，下令维修或停机或恢复工作等。
46.本发明实施例中，通过电网设备元件对于整个系统的事件感知和集成，形成一套电网元件设备事件集合的大数据中心，对元件工况更全面地了解，根据事件发生频率及转换步骤，可进行进一步的电网控制分析研究。感知数据包括：(1)对于外界环境量测数据的感知，包括传感器的传感数据，风力发电机感知的风速等等；(2)人为规程操作的感知，比如计划内检修，调试，开关刀闸等。
47.本发明实施例中，通过对可再生能源元件设备的建模仿真，进一步推进了综合能源体系下“源
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储
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荷”耦合协同控制的优化方案研究，通过以事件为基本单元的驱动控制理论，将设备间的关联进行了逻辑说明，为下一层级的调控策略的业务场景提供了支撑。
48.本发明实施例基于上述方法进行dtu模型仿真验证、负荷模型仿真验证、断路器模型仿真验证及风力发电机模型仿真验证，具体如下：
49.图2为dtu元件模型在simulink平台上的仿真验证逻辑，对dtu量测功能和控制功能分别外接故障感知模块，对其动作信号形成不同状态激励下的控制指令，通过波形可以进行正常工作或某一功能失灵的状态描述，仿真验证结果如下图3，其中，故障感知模块包
括量测功能测量电压电流，以及控制功能的阶跃信号及逻辑门。
50.图3显示dtu元件的1
‑
10s区间仿真验证结果。由上到下分别为dtu“量测功能”和“控制功能”的指令指示。在1s时，元件发生“量测功能”故障，量测功能失灵，故障事件信号在1s发生阶跃，从1到0表示故障发生；在2s时“控制功能”失效，指令归零，在5s时，检修事件信号发生阶跃从0到1，代表检修事件完成，两种故障清除并恢复正常功能。系统量测信号准确反映了各个事件发生对于系统运行特征的影响。
51.图4展示了负荷元件模型在simulink平台上的仿真验证逻辑，对一个负荷模块分别外接故障感知模块，对其连接状态形成不同状态激励下的指示，通过波形可以进行正常工作或故障的状态描述并与不外接故障感知模块的负荷通过的电流有效值进行对比，仿真验证结果如下图5。
52.图5显示负荷元件的1
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10s区间仿真验证结果。图5上图表示连接开关和故障模块的负荷电流有效值，对应图4左边模块；图5下图表示连接开关的负荷的电流有效值，对应图4右边模块。两个负荷相同点在于开关信号都为1，代表开关闭合，线路连通。左边的负荷故障信号也为1，代表故障发生，因此即使开关闭合，负荷仍无法正常工作，电流值趋近于零。图5展示的量测信号结果符合此逻辑。
53.图6展示了断路器元件模型在simulink平台上的仿真验证逻辑，对断路器外接故障感知模块，检修指令模块以及延时模块，对其动作信号形成不同状态转移下的控制指令，通过波形可以进行正常工作或故障，检修状态的描述，仿真验证结果如下图7。
54.图7显示断路器元件的1
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10s区间仿真验证结果。由上到下分别为断路器故障信号，感知接收，检修和功能恢复的指示。在1s时，元件发生故障，对原控制信号的感知功能失灵，在2s时进入检修状态，在3s时，故障清除并恢复正常功能。图7所示的信号与故障发生信号(1s从0阶跃1)，检修事件发生信号(2s从0阶跃到1)，检修事件完成信号(3s从0阶跃到1)相互吻合，代表了各类事件确实改变了元件的状态。
55.图8展示了风力发电机元件模型在simulink平台上的仿真验证逻辑，对风力发电机的风速感知模块外接逻辑判断模块，对风速过大(大于15m/s)或过小(小于3m/s)的事件，触发停机状态，同时外接调试信号模块，对风机调试状态进行描述，外接故障感知模块，对风机本身的功能故障也进行停机动作，通过风机输出功率的波形可以对某一状态进行显示，仿真验证结果如下图9。
56.图9显示风力发电机元件的1
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10s区间仿真验证结果。由上到下分别为风力发电机的有功功率输出和无功功率输出的指示。在3s时，元件发生故障，触发停机状态，停机过程指令发出后，仍需要一段时间风速归零，因此输出功率经过一段时间的震荡逐渐趋于零。
57.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。