(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210959309.8 (22)申请日 2022.08.10 (71)申请人 北京四方继保工程 技术有限公司 地址 100085 北京市海淀区上地四街9号 (四方大厦6层) 申请人 北京四方继保自动化股份有限公司 (72)发明人 房同忠　宋小舟　肖正强　 (74)专利代理 机构 北京智绘未来专利代理事务 所(普通合伙) 11689 专利代理师 赵卿 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) H02H 7/00(2006.01) H02J 13/00(2006.01) G06F 111/10(2020.01) (54)发明名称 一种继电保护装置的数字孪生设计方法和 系统 (57)摘要 本发明公开了一种继电保护装置的数字孪 生设计方法和系统， 基于继电保护装置实体结构 和功能， 设计继电保护装置数字孪生模型； 使用 继电保护装置数字孪生模型， 在设计阶段仿真预 测继电保护装置在不同应用场景下的产品性能， 并根据仿真预测结果优化继电保护装置数字孪 生模型。 本发明无需先制造出继电保护实体装 置， 就能对设计方案的质量和可制造性进行评 估， 可降低继电保护装置的研发成本和产品研发 周期。 权利要求书2页 说明书8页 附图2页 CN 115358057 A 2022.11.18 CN 115358057 A 1.一种继电保护装置的数字 孪生设计方法， 其特 征在于： 基于继电保护装置实体结构和功能， 设计继电保护装置数字 孪生模型； 使用继电保护装置数字孪生模型， 在 设计阶段仿真预测继电保护装置在不同应用场景 下的产品性能， 并根据仿真预测结果优化继电保护装置数字 孪生模型。 2.根据权利要求1所述的一种继电保护装置的数字 孪生设计方法， 其特 征在于： 所述继电保护装置数字孪生模型包括硬件虚拟层、 数据形成层、 仿真分析层、 表现层和 交互层； 其中， 硬件虚拟层， 用于根据继电保护装置实体板卡参数和属性， 对实体板卡数字化描 述， 形成对应的虚拟板卡数字模型； 数据形成层， 用于按硬件和 功能数据关系形成标准化的继电保护装置电力二 次数据和 电气数据， 实现继电保护装置数据建模与管理； 仿真分析层， 用于根据继电保护装置实体功能描述， 下载最新的保护 逻辑软件， 接收数 据形成层的数据， 进行仿真预测， 并根据仿真预测信息更新和迭代保护逻辑； 表现层， 用于展示仿真 分析的结果； 交互层， 用于人机交互， 通过交互指令实现硬件虚拟层虚拟板卡改进以及仿真分析层 保护逻辑的更新和迭代生长 。 3.根据权利要求2所述的一种继电保护装置的数字 孪生设计方法， 其特 征在于： 所述硬件虚拟层构建实现如下功能模块的虚拟板卡： 电源模块、 通信及管理模块、 交流 变换器、 模数转换器、 保护CPU模块、 SV模块、 G OOSE模块、 开入 模块、 开出模块和总线模拟器； 其中， 电源模块， 用于向通信及 管理模块、 保护CPU模块、 SV模块、 GOOSE模块、 开入模块、 开出模块供电； 通信及管理模块， 内置MASTER插件， 并连接人机接口， 用于通讯模型和规约转换， 实现 数据通信及管理， 以及基于人机 接口实现液晶显示和界面键盘操作； 交流变换器， 用于对引入继电保护装置的交流电流和交流电压进行变换后 通过模数转 换器转化为和交流 量对应的数字量， 输入保护CPU模块； 开入模块， 用于 接收硬压 板和其他外部开入信号， 并将接收信号传输给保护CPU模块； 保护CPU模块， 用于根据开入量和交流量， 采用预先下装的保护逻辑软件进行保护逻辑 判别， 并在保护逻辑软件判断出电网故障发生后， 根据保护预先设定的跳闸范围给开出模 块发送管理指令； 开出模块， 用于 接收保护CPU模块的管理指令， 发送跳合闸信号； SV模块、 G OOSE模块分别用于交流 量的数字化接收处 理、 开入量 开出量的数字化收发； 总线模拟器， 用于管理硬件虚拟卡总线数据， 模拟各总 线优先级、 实时性和数据交换能 力。 4.根据权利要求3所述的一种继电保护装置的数字 孪生设计方法， 其特 征在于： 所述总线包括以太网、 PCIe和CAN总线， 用于通信及管理模块、 处理器模块、 SV模块、 GOOSE模块、 开入 模块、 开出模块之间的实现信息交 互； 所述跳合闸信号包括跳闸开出和信号 开出； 其中， 跳闸开出， 用于保护跳闸切除故障； 信号开出， 用于告警和启动变电站故障录波；权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115358057 A 2所述保护包括母线保护、 线路 保护、 变压器保护、 电抗器保护。 5.根据权利要求3所述的一种继电保护装置的数字 孪生设计方法， 其特 征在于： 所述虚拟板卡各自为独立智能模拟器， 与实体板卡一一对应， 能够分别下载和运行对 应实体板卡的软件版本， 其构成的继电保护装置数字孪生模型最 终为实体装置的一对一数 字化描述， 功 能实现覆盖实体装置的所有功 能， 且继电保护装置数字孪生模型可通过下载 不同板卡的软件升级实现功能的更新迭代。 6.根据权利要求2所述的一种继电保护装置的数字 孪生设计方法， 其特 征在于： 所述仿真分析层中， 若仿真的保护逻辑的动作行为符合功能描述预期， 则保护逻辑软 件定型发布应用； 若数据仿真结果不及预期， 则重新进行虚拟板卡软件、 保护逻辑软件和数据模型的设 计， 设计完成后， 重新下载最新版本保护逻辑软件， 再次仿真和判断， 直至仿真的保护逻辑 的动作行为符合预期。 7.根据权利要求2所述的一种继电保护装置的数字 孪生设计方法， 其特 征在于： 对仿真分析层的结果通过专家系统或自动诊断系统进行分析和判断， 若仿真结果存在 不确定性或不完全性， 或继电保护装置数字孪生模型需要升级改进时， 则交互层将交互指 令反馈至硬件虚拟层进行虚拟板卡改进或增删， 作用于仿 真分析层保护逻辑的更新和迭代 生长， 直至满足 继电保护装置数字 孪生模型性能测试要求。 8.根据权利要求1所述的一种继电保护装置的数字 孪生设计方法， 其特 征在于： 所述使用继电保护装置数字孪生模型， 在设计阶段仿真预测继电保护装置在不同应用 场景下的产品性能， 并根据仿真预测结果优化继电保护装置数字 孪生模型， 具体包括： 使用继电保护装置数字孪生模型， 在 设计阶段进行电力系统正常运行状态、 告警状态、 故障状态下进 行性能测试与性能参数记录， 根据 记录的性能参数差异对继电保护装置数字 孪生模型进行保护原理、 算法、 逻辑、 接口或继电器性能的改进。 9.根据权利要求1所述的一种继电保护装置的数字 孪生设计方法， 其特 征在于： 所述继电保护性能采用数据回放、 静态测试或动态测试的方式预测； 数据回放是指采用电力系统现场事故的故障录波数据测试继电保护的特定状态下性 能； 静态测试是指利用测试仪器输入稳定的 电压、 电流、 频率数据测试继电保护的精度和 动作稳定性； 动态测试是指利用物理搭建的模型模拟实际状态测试继电保护装置在不同状态下的 性能。 10.一种继电保护装置的数字孪生设计系统， 包括设计模块和仿真与优化模块， 其特征 在于： 所述设计模块， 用于基于继电保护装置实体结构和功能， 设计继电保护装置数字孪生 模型； 所述仿真与优化模块， 用于使用继电保护装置数字孪生模型， 在设计阶段仿真预测继 电保护装置在不同应用场景下的产品性能， 并根据仿真预测结果优化继电保护装置数字孪 生模型。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115358057 A 3