一种分布式能源资源的通用数字孪生体构建方法技术

本发明专利技术涉及电气工程及其自动化技术领域，提出了一种分布式能源资源的通用数字孪生体构建方法；能够对常见的DER进行建模，准确模拟DER的运行规律，并能够利用大数据对DER进行长期预测，由于DER的稳态参数反映了DER稳态内部的功率变化特性，利用稳态模型参数可以实现DER的功率短期预测、DER的状态识别、异常状态监测、用电数据压缩和运行模拟等功能；而DER的暂态模型参数反映了DER的运行模式和用户的使用习惯，利用这些参数可以实现DER功率的长期预测、用户用电行为分析等功能，本方法能够对海量复杂的DER进行并网前的预测试，并对已并网的DER做平行测试及预测，通过对DER高效模拟，有利于挖掘其最经济性或最安全性的运行模式，进而提升电网整体的运行效率。进而提升电网整体的运行效率。进而提升电网整体的运行效率。

【技术实现步骤摘要】
一种分布式能源资源的通用数字孪生体构建方法


[0001]本专利技术涉及电气工程及其自动化
，具体涉及一种分布式能源资源的通用数字孪生体构建方法。

技术介绍

[0002]自适应频率控制(adaptive control of frequency)，指以优化电力系统某些运行状态为目标的二次频率调节。自适应频率控制系统能够根据运行条件的变化自动地调整本身的结构或参数(如自行改变各反馈量的增益)使其运行在最优工况下。
[0003]现有的自适应频率控制方法主要存在以下不足：(1)只考虑了分布式能源资源(DER)的运行特性，没有考虑用户的行为习惯；(2)只针对几种特定的分布式能源资源进行建模，缺乏适用于海量、复杂、多元、异构的各种分布式资源的通用模型构建方法。
[0004]基于上述问题的存在，本方案建立一种分布式能源资源的通用数字孪生体构建方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种分布式能源资源的通用数字孪生体构建方法，基于该方法能够对海量复杂的DER进行并网前的预测试，并对已并网的DER做平行测试及预测，通过对DER高效模拟，有利于挖掘其最经济性或最安全性的运行模式，进而提升电网整体的运行效率。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种分布式能源资源的通用数字孪生体构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0007]步骤一：构建DER数字孪生体的通用稳态模型；
[0008]在相对稳定的运行状态及正常的环境条件下，DER运行功率趋于恒定或变化缓慢的状态。DER运行功率随着时间会不断变化，其变化源于两个方面：DER内在运行模式的影响，如冰箱开启后功率缓缓地降低、处于加热状态的热水器功率平稳运行、电池在接近充满时充电功率逐渐衰减等，这一类功率变化具有明显的规律和趋势，可以通过合理的解析模型进行表达，因而可将这类变化认为是DER功率的规律成分；另一方面，由于DER与电网相连，其功率会受到电网的电压、频率、谐波等电能质量有关因素影响而产生波动，DER还会受自身电源供电电路设计因素影响而产生功率波动。此外，由于误差的绝对性，测得的DER功率波动中也包含量测设备的量测误差，这一类功率的变化规律变化不明显，也较难找到规律性方法对其进行描述，因而需要通过概率模型对这部分因素进行量化，这类功率的波动可以被看做DER功率的噪声成分。因此，对于DER的功率曲线P(t)，其可以写成：
[0009]P(t)＝S(t)+e(t)
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(1)
[0010]式中，S(t)为功率的规律成分，e(t)为功率的噪声成分。
[0011]基于功率分解思想，本专利将DER稳态功率定义为规律成分和噪声成分的叠加结果。两种成分的形成原因和表现特点不相同，因而应当对这两种成分区别建模。
[0012]DER功率的规律成分变化形式多样，本专利将其统一建模为如下几类通用的规律成分的解析模型。
[0013](1)线性规律模型
[0014]线性规律模型在DER的稳态和暂态中均会出现，DER线性规律模型的表达式如下：
[0015]S(t)＝k
·
t+b
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(2)
[0016]式中，k为直线斜率，表示单位时间内功率变化量，b为状态初始功率。
[0017](2)指数规律模型
[0018]指数型规律通常出现在DER的稳态中出现，如手机、平板等电子设备电池充电过程。指数规律的功率一般呈指数衰减趋势增加或者减少，指数规律模型的表达式如下：
[0019]S(t)＝a+be-t/t
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(3)
[0020]式中，a为状态最终功率，t为衰减时间常数，b为功率衰减量。根据DER的特性不同，其衰减时间常数t有明显区别。
[0021](3)傅里叶规律模型
[0022]傅里叶级数由于其完备性可以用于表达任意复杂的连续函数，因而理论上将任意规律都可以用无穷级的傅里叶型进行表达。但由于过高的级数会增加模型复杂性，同时会有过拟合的可能，因而本专利用不超过5级的傅里叶级数对过程较为复杂的DER稳态进行表达。傅里叶规律模型的表达式如下：
[0023][0024]目前多数研究中，DER通常被认为具有有限个状态，在每个状态下，DER的功率保持恒定，即前述线性规律模型。但为了考量功率波动及采样误差的影响，研究者通常认为DER的每个状态的功率服从高斯分布。然而，由于DER的稳态多数情况下功率会呈现趋势变化，此时若将该稳态功率考虑为服从高斯分布，则会导致功率模型出现较大误差。相反，基于本专利功率分解模型，若将DER功率的规律成分分离，噪声成分变化缺乏规律性，具备高斯分布特征，因此便可以用高斯分布对其进行建模，从而避免了简单认为功率状态服从高斯分布情况下的误差激增，有利于实现数字孪生的精准镜像映射。
[0025]DER稳态功率的噪声成分模型的表达式如下：
[0026]e(t)～N(m,s2)
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(5)
[0027]需要指出的是，由于规律成分是DER功率样本的回归模型，噪声为回归模型的偏差，在一般情况下，噪声的均值m应当接近零。
[0028]步骤二：构建DER数字孪生体的通用暂态模型
[0029]DER从一个稳态经过某一中间过渡态过程快速转移至某一新稳态的过程。DER的运行是稳态与暂态交替出现的，通常暂态过程持续时间很短，DER绝大部分时间处于稳态运行。因此，暂态主要指DER的稳态间的转移，同时包含了其间的过渡态过程。在某些情况下，DER的暂态经历的过渡态过程非常短暂，在秒级采样频率下可能无法被采样到，此时可以近似的认为DER由某一稳态直接跃迁至另一稳态。
[0030]由于稳态是DER运行及产生使用效果的基本状态，其持续时间很长，较暂态过程而言情况也比较重要，因此本专利将重点研究暂态与稳态的变换规律，约定：下文所述“暂态”均简化为指代“稳态之间的转移”。例如，对于一个具有N个稳态的DER而言，其暂态的最大数
量为2
N-1
个。
[0031]暂态概率矩阵T＝[t
ij
,1≤i,j≤N]刻画了DER在暂态过程中转向各种稳态的转移概率。不同于传统HMM中的转移矩阵，在本暂态模型中，暂态概率矩阵T的对角元均为0，即不考虑DER的自身向自身稳态的转移(即不转移)的情况，因为已经发生了暂态是T的前提。
[0032]暂态概率t
ij
表示DER在稳态i且需要发生暂态时，转移至稳态j的概率。由于DER一定会发生暂态，因此T的每一行对应一个必然事件，其概率和为1，于是有
[0033]若对于某个DER的稳态，其发生暂态的条件是当前稳态的结束，因而可以从稳态持续时长的角度描述这个DER发生暂态的条件。考虑到DER运行规律性和运行模式的固定性，稳态持续时间的变化将保持在一定范围内。本专利提出时长型暂态概率矩阵T
l
，以描述DER暂态转移的持续时间概本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种分布式能源资源的通用数字孪生体构建方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：构建DER数字孪生体的通用稳态模型；步骤二：构建DER数字孪生体的通用暂态模型。2.根据权利要求1所述的一种分布式能源资源的通用数字孪生体构建方法，其特征在于，步骤一中，稳态模型构建过程具体如下：确定对于DER的功率曲线P(t)，其可以写成：P(t)＝S(t)+e(t)
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(1)式中，S(t)为功率的规律成分，e(t)为功率的噪声成分；基于功率分解思想，将DER稳态功率定义为规律成分和噪声成分的叠加结果，两种成分的形成原因和表现特点不相同，因而应当对这两种成分区别建模。3.根据权利要求2所述的一种分布式能源资源的通用数字孪生体构建方法，其特征在于：关于DER稳态功率的规律成分的建模，由于DER稳态功率的规律成分变化形式多样，将其统一建模为如下三类通用的规律成分的解析模型；a、线性规律模型线性规律模型在DER的稳态和暂态中均会出现，DER线性规律模型的表达式如下：S(t)＝k
·
t+b
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(2)式中，k为直线斜率，表示单位时间内功率变化量，b为状态初始功率；b、指数规律模型指数型规律通常出现在DER的稳态中出现，如手机、平板等电子设备电池充电过程；指数规律的功率一般呈指数衰减趋势增加或者减少，指数规律模型的表达式如下：S(t)＝a+be-t/t
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(3)式中，a为状态最终功率，t为衰减时间常数，b为功率衰减量；根据DER的特性不同，其衰减时间常数t有明显区别；c、傅里叶规律模型傅里叶级数由于其完备性可以用于表达任意复杂的连续函数，因而理论上将任意规律都可以用无穷级的傅里叶型进行表达；傅里叶规律模型的表达式如下：但由于过高的级数会增加模型复杂性，同时会有过拟合的可能，因而上述模型的傅里叶级数不超过5级。4.根据权利要求3所述的一种分布式能源资源的通用数字孪生体构建方法，其特征在于，关于DER稳态功率的噪声成分的建模，利用高斯分布对DER稳态功率的噪声成分进行建模，噪声成分模型的表达式如下：e(t)～N(m,s2)
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【专利技术属性】
技术研发人员：吴清，李志勇，庞松岭，方连航，钟准，何光宇，原启涛，唐春梅，李川江，
申请(专利权)人：上海交通大学上海千贯节能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：