[发明专利]一种城轨供电系统数字孪生的多物理域仿真设计方法

说明书

本发明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。该方法包括：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；确定多层级模型的多物理域耦合仿真的输入和输出参数，利用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。本发明的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。

技术领域

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

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。

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。

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。

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。

发明内容

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。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

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：

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；

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。

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。

优选地，所述的方法还包括：

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；

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。

优选地，所述的方法还包括：

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。