[發明專利]一種城軌供電系統數字孿生的多物理域仿真設計方法

在審

• 申請號: 202111004117.3
• 申請日: 2021-08-30
• 公開（公告）號: CN113805492A
• 公開（公告）日: 2021-12-17
• 發明（設計）人: 陳林;閆思玲;龔兆豐;俞屹;李晨旭;唐賡;張鋼;劉志剛;王運達;邱瑞昌;陳杰;金哲銘
• 申請（專利權）人: 北京市地鐵運營有限公司供電分公司;北京交通大學
• 主分類號: G05B17/02
• 分類號: G05B17/02
• 代理公司: 北京市商泰律師事務所 11255
• 代理人: 黃曉軍

本發明提供了一種城軌供電系統數字孿生的多物理域仿真設計方法。該方法包括：根據城軌供電系統各組成層級和各關鍵設備所涉及的物理域，分析設備的各物理域之間、組成層級的各物理域之間以及設備、層級之間的物理域的耦合特性，依據城軌供電系統多物理域建模的需求構建城軌供電系統多物理域的多層級模型；確定多層級模型的多物理域耦合仿真的輸入和輸出參數，利用輸入和輸出參數在各層級的仿真模型中分別進行多物理域耦合仿真，實現系統級的多物理域求解。本發明的方法能夠統一描述系統在多個物理域下的不同時間尺度及結構尺度特性，全面、充分地表征系統運行的實際物理過程，為推動城軌牽引供電系統數字孿生的建設發揮重要作用。

技術領域

本發明涉及城軌供電系統仿真技術領域，尤其涉及一種城軌供電系統數字孿生的多物理域仿真設計方法。

背景技術

數字孿生是指借助歷史數據、實時數據以及多物理域模型仿真等手段，以數字化方式創建虛擬孿生體，模擬、驗證、預測和控制物理實體全生命周期過程的技術手段。建設城軌供電系統數字孿生體，對于推動和加強牽引供電系統的智能化運維水平具有巨大的工程價值。多物理域模型與仿真是數字孿生的核心技術之一，是對實際系統多物理域特性模擬的關鍵手段。

城軌牽引供電系統采用直流供電制式，包含大量的電能轉換及電力電子變流裝置及器件，整流機組、牽引變壓器等關鍵設備，城軌牽引供電系統在運行時涉及電、磁、熱、力等多物理域之間復雜的耦合效應，具有明顯的多物理域耦合特性。

目前，現有技術中的城軌牽引供電系統多物理域仿真方法主要集中于設備或器件層級，對于系統級建模及仿真，仍然停留在電氣層面下的單一機理階段。器件級多物理域建模及仿真為系統層級提供了基礎的構建依據，但建立系統級高精度的多物理域模型及仿真，還需對各組成子層級之間的耦合機理，以及系統多物理域耦合仿真計算方法等方面展開深入研究。

因此，設計一種有效的適用于城軌供電系統的多物理域仿真方法是一個亟待解決的問題。

發明內容

本發明的實施例提供了一種城軌供電系統數字孿生的多物理域仿真設計方法，以實現對城軌供電系統數字孿生進行有效的耦合仿真。

為了實現上述目的，本發明采取了如下技術方案。

一種城軌供電系統數字孿生的多物理域仿真設計方法，包括：

根據城軌供電系統各組成層級和各關鍵設備所涉及的物理域，分析設備的各物理域之間、組成層級的各物理域之間以及設備、層級之間的物理域的耦合特性，依據城軌供電系統多物理域建模的需求構建城軌供電系統多物理域的多層級模型；

確定所述多層級模型的多物理域耦合仿真的輸入和輸出參數，利用所述輸入和輸出參數在各層級的仿真模型中分別進行多物理域耦合仿真，實現系統級的多物理域求解。

優選地，在所述城軌供電系統多物理域的多層級模型中，以器件級、設備級、站所級和系統級四個層級劃分多物理域建模仿真的對象，確定多物理域耦合仿真的輸入參數包括電氣參數、熱參數、幾何參數和控制參數，輸出狀態包括電氣狀態、溫度狀態、結構狀態和控制狀態。

優選地，所述的方法還包括：

根據設備或器件的自身特點確定多物理域耦合仿真所采用的模型類型，該模型類型包括：電氣模型、熱學模型、幾何模型和控制模型；

根據仿真軟件所提供的多物理域組件庫創建各層級多物理域組件和模型，根據實際城軌供電系統的結構利用多物理域組件庫的各層級組件，分別搭建器件級、設備級、站所級和系統級四個層級的仿真模型。

優選地，所述的方法還包括：

在各層級的仿真模型分別進行耦合仿真，在系統級的仿真模型中進行電氣仿真，在設備級的仿真模型中進行多物理域耦合仿真，若設備級多物理域耦合作用對電氣參數產生影響，則根據設備級多物理域仿真結果對系統級電氣仿真進行反饋和跟蹤，最終實現系統級的多物理域求解。