一种面向直流GIL的数字孪生模型框架构建方法

一种面向直流gil的数字孪生模型框架构建方法
技术领域
1.本发明属于信息技术和计算机技术领域，涉及一种面向直流gil的数字孪生模型框架构建方法。


背景技术：

2.随着信息技术和计算机技术的进步，各行业数字化的进程不断加快，数字化转型已成为我国经济社会未来发展的必由之路。数字化电网已经成为近两年研究的热点，而数字孪生技术是实现数字电网的一种有效途径。
3.gil，英文全称是gas insulated transmission lines，中文名为“气体绝缘金属封闭输电线路”，常用于地下厂房输送到地面的电力输送通道。gil是输电线的一部分，为了便于在室内安装输电设备，gil是一节节管道连接起来的，设备制造、安装过程中若环境洁净度不够、清扫不干净，管道内有灰尘残留，会导致设备运行中出现放电故障；另外，外部环境造成gil震动也可能会在导体接头处产生摩擦出现导电颗粒；其次，为了保证导体母线处于管道中央，设备采用支撑绝缘子固定，如果绝缘子的质量稍有瑕疵(例如裂痕或气泡)，就很有可能降低其绝缘性能，引发放电，造成事故，因此需要实时监测gil的运行状态，保证电网的安全。
4.数字孪生技术充分利用物理模型、传感器数据、运行历史等数据，集成多物理量、多时间尺度、多物理尺度仿真过程，反应实际电力系统和设备的复杂运行状态，为电网运行提供更安全、准确、高效的计算分析技术支撑。
5.电力设备的数字孪生是实现电网数字化的一个重要前提，它的实现可大幅度提升设备全寿命周期的经济型和可靠性，因此深入开展电力设备数字孪生关键技术的研究是十分必要的。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种面向直流gil的数字孪生模型框架构建方法，构建的模型能够实时监测直流gil的复杂运行状态，为电网运行提供更安全、准确、高效的计算分析技术支撑，实现对直流gil的全寿命周期管理。
7.本发明所采用的技术方案是，一种面向直流gil的数字孪生模型框架构建方法，包括构建贯穿全寿命周期的跨时间阶段模型框架和基于“段”层的跨空间尺度设备数字模型框架，对构建的模型框架进行交融互联，即获得面向直流gil的数字孪生模型框架。
8.其中，构建贯穿全寿命周期的跨时间阶段模型框架包括分析设备寿命周期各阶段对模型的不同需求，提出各阶段物理实体和数字模型同时传递机制，建立生产-试验-运维的跨阶段体系，分析数字模型储存信息的内容和主要机制，研究在制造和试验过程中单一部件或单元的分离方式，以实现信息和数据的无障碍流通。
9.构建贯穿全寿命周期的跨时间阶段模型框架过程中，在时间尺度划分时，以自然的设备生产阶段为划分方式，即生产阶段-试验阶段-运维阶段三个部分。
10.构建贯穿全寿命周期的跨时间阶段模型框架过程中，在时间尺度划分完成后，以物理模型和数字模型同时传递完成不同阶段的信息传递，数字模型中包含众多现有体系中忽略的隐含信息，如盆式绝缘子的残余应力，试验过程中的局部微小缺陷。
11.生产阶段物理模型中的物理场包括化学计算、应力计算、电场计算和热场计算，试验阶段物理模型中的物理场包括电场计算、流场计算、应力计算和热场计算，运维阶段物理模型中的物理场包括电场计算、流场计算、应力计算、热场计算、设备表面电荷计算和老化计算。
12.构建贯穿全寿命周期的跨时间阶段模型框架过程中，在时间尺度划分完成后，以生死单元的方式完成不同阶段数字模型的装配，使模型可以贯穿生产-试验-运维三个阶段。
13.构建基于“段”层的跨空间尺度设备数字模型框架包括分析不同物理场对模型的需求，提出在单元和部件之间加入“段”层，建立设备-单元
‑“
段
”‑
部件四级模型，针对“段”层分析其划分尺度和方式，研究“段”层、单元和部件的关系与构建模式，构建不同层级之间载荷和计算结果的传递机制。
14.构建基于“段”层的跨空间尺度设备数字模型框架过程中，在空间尺度划分时，在原有的“设备-单元-部件”三个层次的基础上，提出单元和部件之间加入“段”层，以适应不同物理场的计算要求。
15.构建基于“段”层的跨空间尺度设备数字模型框架过程中，在空间尺度划分完成后，对于“段”层的划分尺度，充分考虑不同物理场对模型的需求，“段”层为部件级的装配体，部件级以盆式绝缘子或三支柱绝缘子为核心部件，还包括导电杆、壳体、绝缘气体、接地母线和微粒收集器。
16.构建基于“段”层的跨空间尺度设备数字模型框架过程中，在空间尺度划分完成后，以子模型技术为核心形成“树状”层次化的结构，部件为“段”层的子模型，而“段”结构为单元的子模型，单元以子模型方式互联形成设备。
17.本发明的有益效果是，通过构建贯穿全寿命周期的跨时间阶段模型框架和基于“段”层的跨空间尺度设备数字模型框架，对构建的两个模型框架进行交融互联，获得的面向直流gil的数字孪生模型能实时监测直流gil的复杂运行状态，实现电网数字化，为电网运行提供更安全、准确、高效的计算分析技术支撑，可大幅度提升直流gil全寿命周期的经济型和可靠性。
附图说明
18.图1是本发明一种面向直流gil的数字孪生模型框架构建方法中时间维度的阶段划分图；
19.图2是本发明一种面向直流gil的数字孪生模型框架构建方法中空间维度的尺度划分图；
20.图3是本发明一种面向直流gil的数字孪生模型框架构建方法中数据交互模式图。
具体实施方式
21.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
22.本发明一种面向直流gil的数字孪生模型框架构建方法，包括构建贯穿全寿命周期的跨时间阶段模型框架和基于“段”层的跨空间尺度设备数字模型框架，对构建的模型框架进行交融互联，然后进行模拟仿真和状态评估。
23.构建贯穿全寿命周期的跨时间阶段模型框架，参见图1，包括分析设备寿命周期各阶段对模型的不同需求，提出各阶段物理实体和数字模型同时传递机制，建立生产-试验-运维的跨阶段体系，分析数字模型储存信息的内容和主要机制，研究在制造和试验过程中单一部件或单元的分离方式，以实现信息和数据的无障碍流通。
24.构建贯穿全寿命周期的跨时间阶段模型框架过程中，在时间尺度划分时，以自然的设备生产阶段为划分方式，即生产阶段-试验阶段-运维阶段三个部分。
25.在时间尺度划分完成后，数据的传递存在两个难题，一个是需要不同阶段之间进行传递，另一个是装配过程的数据传递和反映，针对第一个问题，以物理模型和数字模型同时传递完成不同阶段的信息传递，数字模型中包含众多现有体系中忽略的隐含信息，如盆式绝缘子的残余应力，试验过程中的局部微小缺陷。针对第二个问题，以生死单元的方式完成不同阶段数字模型的装配，使模型可以贯穿生产-试验-运维三个阶段。
26.生产阶段物理模型中的物理场包括化学计算、应力计算、电场计算和热场计算，试验阶段物理模型中的物理场包括电场计算、流场计算、应力计算和热场计算，运维阶段物理模型中的物理场包括电场计算、流场计算、应力计算、热场计算、设备表面电荷计算和老化计算。
27.在三种模型中涉及到的计算使用comsol仿真软件进行计算，对各个阶段都构建降阶模型，所用的计算方法为有限元计算方法，模型建立，网格划分，边界条件设定，最后进行仿真计算。
28.构建基于“段”层的跨空间尺度设备数字模型框架，参见图2，包括分析不同物理场对模型的需求，提出在单元和部件之间加入“段”层，建立设备-单元
‑“
段
”‑
部件四级模型，针对“段”层分析其划分尺度和方式，研究“段”层、单元和部件的关系与构建模式，构建不同层级之间载荷和计算结果的传递机制。
29.构建基于“段”层的跨空间尺度设备数字模型框架过程中，在空间尺度划分时，在原有的“设备-单元-部件”三个层次的基础上，提出单元和部件之间加入“段”层，以适应不同物理场的计算要求。
30.在空间尺度划分完成后，设备划分为四层之后存在两个难题，一个是“段”层的划分尺度，另一个是不同层之间的从属关系如何实现。
31.针对第一个问题，充分考虑不同物理场对模型的需求，“段”层为部件级的装配体，部件级以盆式绝缘子或三支柱绝缘子为核心部件，还包括导电杆、壳体、绝缘气体、接地母线和微粒收集器，gil本身结构特点导致设备中存在大量相同的“段”结构，以“段”层为核心更利于实现多物理场计算。
32.针对第二个问题，以子模型技术为核心形成“树状”层次化的结构，部件为“段”层的子模型，而“段”结构为单元的子模型，单元以子模型方式互联形成设备，参见图3。
33.构建一种面向直流gil的数字孪生模型框架，具体包括构建基于设备时空拓扑结构的“设备一张图”模型，针对设备的层次化拓扑结构，研究设备空间层面的图数据结构表达方式，从而融入单元、部件和关键位置的状态，明晰它们之间的位置和从属关系。
34.分析设备运行过程中数据复杂的时空依赖关系，研究图结构数据中时序数据的存储和表达以实现数据的时空高效融合，建立反映直流gil全结构和全历史的“设备一张图”模型。
35.构建面向时空多维数据的图卷积神经网络模型，针对直流gil“设备一张图”模型，引入图卷积神经网络进行数据处理，研究使图拓扑结构具备平移不变性的方法，引入池化算子并研究其构建机制以降低模型复杂度。针对图数据的时空特性，研究卷积算子的构建机制，并结合池化算子建立图卷积神经网络模型，研究训练和验证模型的样本库构建模式，最终通过数据分析完成设备结构优化、状态评估和寿命预测，实现设备的全寿命周期管理。