一种城轨供电系统数字孪生的多物理域仿真设计方法与流程

1.本发明涉及城轨供电系统仿真技术领域，尤其涉及一种城轨供电系统数字孪生的多物理域仿真设计方法。


背景技术：

2.数字孪生是指借助历史数据、实时数据以及多物理域模型仿真等手段，以数字化方式创建虚拟孪生体，模拟、验证、预测和控制物理实体全生命周期过程的技术手段。建设城轨供电系统数字孪生体，对于推动和加强牵引供电系统的智能化运维水平具有巨大的工程价值。多物理域模型与仿真是数字孪生的核心技术之一，是对实际系统多物理域特性模拟的关键手段。
3.城轨牵引供电系统采用直流供电制式，包含大量的电能转换及电力电子变流装置及器件，整流机组、牵引变压器等关键设备，城轨牵引供电系统在运行时涉及电、磁、热、力等多物理域之间复杂的耦合效应，具有明显的多物理域耦合特性。
4.目前，现有技术中的城轨牵引供电系统多物理域仿真方法主要集中于设备或器件层级，对于系统级建模及仿真，仍然停留在电气层面下的单一机理阶段。器件级多物理域建模及仿真为系统层级提供了基础的构建依据，但建立系统级高精度的多物理域模型及仿真，还需对各组成子层级之间的耦合机理，以及系统多物理域耦合仿真计算方法等方面展开深入研究。
5.因此，设计一种有效的适用于城轨供电系统的多物理域仿真方法是一个亟待解决的问题。


技术实现要素：

6.本发明的实施例提供了一种城轨供电系统数字孪生的多物理域仿真设计方法，以实现对城轨供电系统数字孪生进行有效的耦合仿真。
7.为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
8.一种城轨供电系统数字孪生的多物理域仿真设计方法，包括：
9.根据城轨供电系统各组成层级和各关键设备所涉及的物理域，分析设备的各物理域之间、组成层级的各物理域之间以及设备、层级之间的物理域的耦合特性，依据城轨供电系统多物理域建模的需求构建城轨供电系统多物理域的多层级模型；
10.确定所述多层级模型的多物理域耦合仿真的输入和输出参数，利用所述输入和输出参数在各层级的仿真模型中分别进行多物理域耦合仿真，实现系统级的多物理域求解。
11.优选地，在所述城轨供电系统多物理域的多层级模型中，以器件级、设备级、站所级和系统级四个层级划分多物理域建模仿真的对象，确定多物理域耦合仿真的输入参数包括电气参数、热参数、几何参数和控制参数，输出状态包括电气状态、温度状态、结构状态和控制状态。
12.优选地，所述的方法还包括：
13.根据设备或器件的自身特点确定多物理域耦合仿真所采用的模型类型，该模型类型包括：电气模型、热学模型、几何模型和控制模型；
14.根据仿真软件所提供的多物理域组件库创建各层级多物理域组件和模型，根据实际城轨供电系统的结构利用多物理域组件库的各层级组件，分别搭建器件级、设备级、站所级和系统级四个层级的仿真模型。
15.优选地，所述的方法还包括：
16.在各层级的仿真模型分别进行耦合仿真，在系统级的仿真模型中进行电气仿真，在设备级的仿真模型中进行多物理域耦合仿真，若设备级多物理域耦合作用对电气参数产生影响，则根据设备级多物理域仿真结果对系统级电气仿真进行反馈和跟踪，最终实现系统级的多物理域求解。
17.优选地，所述的根据设备级多物理域仿真结果对系统级电气仿真进行反馈和跟踪，最终实现系统级的多物理域求解，包括：
18.对系统级进行潮流仿真计算，得到各站所及设备的端口稳态电气状态，以系统级计算得到的端口结果，作为设备级仿真的初始电气边界条件，基于设备多物理域模型进行多物理域状态的求解，根据仿真参数及系统级计算的电气边界条件，基于设备电气模型及控制模型，计算设备内部的开关变化及电压电流状态，进而求解变流器的电损耗，将变流器的电损耗作为热模型的仿真输入条件；
19.根据计算得到的损耗量和历史环境条件参数，对变流器的温度变化进行求解，三维热域模型的求解方法为：根据对象的实际结构、几何模型及环境特点，设定环境温度、热源热量、材料属性及边界类型相关参数：建立包含传导换热、对流换热传热方式下的三维热模型；
20.其中传导换热模型为:
[0021][0022]
其中：u＝u(t,x,y,z)表示温度，是时间变量t与空间变量(x,y,z)的函数；δu/δt是空间中温度对时间的变化率；uxx,uyy与uzz是温度对三个空间坐标轴的二次导数；k是热扩散率；
[0023]
对流换热模型为:
[0024][0025]
其中，λ为换热系数(w/(m
·
℃))，ρ为物质密度，c
p
为定压比热容，φ为对流传热速率，q
v
为内部热源强度；
[0026]
求得设备温度后，根据热电性关系反校正电气参数，对电气计算进行迭代更新，得到多物理域下的稳态解，最终实现系统级的多物理域求解。
[0027]
由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明提出的基于数字孪生的城轨供电系统多物理域模型仿真设计方法，能够统一描述系统在多个物理域下的不同时间尺度及结构尺度特性，全面、充分地表征系统运行的实际物理过程，为推动城轨牵引供电系统数字孪生的建设发挥重要作用。
[0028]
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
[0029]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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。
[0030]
图1为本发明实施例提供的一种城轨供电系统多物理域的多层级模型的架构示意图；
[0031]
图2为本发明实施例提供的一种多物理域耦合仿真输入参数与输出状态仿真示意图；
[0032]
图3为本发明实施例提供的一种多物理域耦合仿真示意图。
具体实施方式
[0033]
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
[0034]
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
[0035]
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
[0036]
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。
[0037]
本发明实施例提供了一种城轨供电系统数字孪生的多物理域仿真设计方法，首先根据城轨供电系统各组成层级和各关键设备所涉及的物理域，分析设备的各物理域之间、组成层级的各物理域之间以及设备、层级之间的物理域的耦合特性，并依据城轨供电系统多物理域建模的需求，根据系统实际物理特性，构建如图1所示的城轨供电系统多物理域的多层级模型。
[0038]
图2为本发明实施例提供的一种多物理域耦合仿真的输入参数与输出状态仿真示意图，如图2所示，在本发明实施例的城轨供电系统多物理域的多层级模型中，以器件级、设备级、站所级和系统级四个层级划分多物理域建模仿真的对象，确定输入的控制参数以及
输出的多物理域状态。多物理域耦合仿真的输入参数包括电气参数、热参数、几何参数和控制参数，输出状态包括电气状态、温度状态、结构状态和控制状态。仿真时所采用的模型类型取决于设备或器件的自身特点，比如逆变器、整流器等电力电子设备涉及电气模型、热学模型、几何模型和控制模型，而变压器、开关柜等设备仅涉及电气模型、热学模型和几何模型。
[0039]
然后，根据仿真软件所提供的多物理域组件库，如电气、机械、电磁、热和流体等物理域的动力源、功能组件与信号传感组件，创建各层级多物理域组件与模型，并按照层次与物理域种类进行分类。根据实际城轨供电系统的结构，利用多物理域组件库的各层级组件，分别搭建器件级、设备级、站所级和系统级四个层级的仿真模型。
[0040]
图3为本发明实施例提供的一种多物理域耦合仿真示意图，如图3所示，在各层级的仿真模型分别进行多物理域耦合仿真，系统多域仿真方法在系统级进行电气仿真，在设备级进行多物理域耦合仿真，若设备级多域耦合作用对电气参数产生影响，则根据仿真结果对系统级仿真进行反馈和跟踪，最终实现系统级的多物理域求解。
[0041]
本发明实施例的在各层级的仿真模型分别进行多物理域耦合仿真的具体实施方式包括：
[0042]
步骤(1)：梳理城轨供电系统各组成层级和各关键设备所涉及的物理域，分析设备的各物理域之间、组成层级的各物理域之间以及设备、层级之间的物理域的耦合特性，确定城轨供电系统多物理域建模的需求。
[0043]
步骤(2)：根据城轨供电系统的实际物理特性，构建城轨供电系统多物理域的整体建模仿真框架，以器件级、设备级、站所级和系统级四个层级划分多物理域建模仿真的对象，确定输入的控制参数以及输出的多物理域状态。
[0044]
步骤(3)：根据仿真软件所提供的多物理域组件库，如电气、机械、电磁、热、流体等物理域的动力源、功能组件与信号传感组件，创建各层级多物理域组件与模型，并按照层次与物理域种类对组件与模型进行分类。
[0045]
步骤(4)：根据实际城轨供电系统的结构，利用多物理域组件库的各层级组件，分别搭建器件级、设备级、站所级和系统级四个层级的仿真模型。
[0046]
步骤(5)：在各层级的仿真模型分别进行耦合仿真，系统多域仿真方法在系统级进行电气仿真，在设备级进行多物理域耦合仿真，若设备级多域耦合作用对电气参数产生影响，则根据设备级多物理域仿真结果对系统级电气仿真进行反馈和跟踪，
[0047]
首先，对系统级进行潮流仿真计算，得到各站所及设备的端口稳态电气状态，包括电压、电流、功率和相角等。然后，以系统级计算得到的端口结果，作为设备级仿真的初始电气边界条件，基于设备多物理域模型进行多物理域状态的求解。
[0048]
以图2所示的电力电子变流器为例，解释设备多物理域求解的具体过程。根据仿真参数及系统级计算的电气边界条件，首先基于设备电气模型及控制模型，计算设备内部的开关变化及电压电流状态，进而求解变流器的电损耗，将变流器的电损耗作为热模型的仿真输入条件。根据计算得到的损耗量，以及历史环境条件等参数，对变流器的温度变化进行求解。三维热域模型的求解方法为：根据对象的实际结构、几何模型及环境特点，设定相关参数：环境温度、热源热量、材料属性及边界类型等，建立包含传导换热、对流换热等多种传热方式下的三维热模型。
[0049]
其中传导换热模型为
[0050][0051]
其中：u＝u(t,x,y,z)表示温度，它是时间变量t与空间变量(x,y,z)的函数；δu/δt是空间中温度对时间的变化率；uxx,uyy与uzz是温度对三个空间坐标轴的二次导数；k是热扩散率，决定于材料的热传导率、密度与热容。通过联合几何模型。
[0052]
对流换热模型为
[0053][0054]
其中，λ为换热系数(w/(m
·
℃))，ρ为物质密度，c
p
为定压比热容，φ为对流传热速率，q
v
为内部热源强度。
[0055]
求得设备温度后，根据热电性关系反校正电气参数，对电气计算进行迭代更新，最后得到多物理域下的稳态解。最终实现系统级的多物理域求解。城轨牵引供电系统的多物理域求解过程考虑电气、温度变化的实际物理过程、数字系统的控制输出以及设备的几何形状。仿真结果主要为电气域各层级的电压、电流、功率、相角等电气状态，数字信号控制域下的控制信号及调制信号量、温度域下的二维或三维温度场分布以及几何域下的外观形状。
[0056]
综上所述，本发明实施例提出的基于数字孪生的城轨供电系统多尺度模型仿真设计方法，一方面提供了系统多物理域模型的层级化、组件化、融合化构建思想，有助于提升系统模型的构建与管理效率，增强多物理域仿真；另一方面提出了基于并行协同交互策略的自适应的多物理域仿真方法，能够减小模型的冗余计算，提升仿真效率。
[0057]
本发明提出的基于数字孪生的城轨供电系统多物理域模型仿真设计方法，能够统一描述系统在多个物理域下的不同时间尺度及结构尺度特性，全面、充分地表征系统运行的实际物理过程，为推动城轨牵引供电系统数字孪生的建设发挥重要作用。
[0058]
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
[0059]
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中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模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
[0060]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。