数字孪生in电力终端：高效虚拟环境实现测试“左移”

电力资源是现代社会发展必不可少的清洁型可再生资源，在清洁性、高效性、便捷性和适用性等方面优于传统化石能源，是如期实现2030年前碳达峰、2060年前碳中和的“双碳”目标的关键。2006至2019年前，电力行业累计为全社会减少了约159.4亿吨的碳排放，是终端能源消费中最有增长潜力的能源品种。

电力终端指电力系统中用于测量、监控、控制与通信的设备，常见于配电系统与智能电网，主要用于电力设备和数据的管理与控制，常见的有智能电表、智能电动汽车充电桩等。

近年来，由于嵌入式组件有着功能齐全、运算速度快等优势，电力终端对于嵌入式组件的应用已越来越广泛。为避免应用嵌入式组件带来的信息来源安全问题对电力终端运行稳定性的影响，对信息源数据进行安全监测成为相关领域专家逐渐关注的问题。现有的检测系统普遍存在检测结果输出稳定性不高、特征识别能力不理想等缺陷，为此，深圳供电局与南方电网合作研发了一套基于传感器定位技术的电力终端嵌入式组件信息源数据安全监测系统，主控芯片为英飞凌ASP2100集成信息处理芯片。其组网模型如下图所示：

▲电力终端嵌入式组件信息源数据监测系统的组网模型

根据上述组网模型，系统使用ISA/EISA/Micro Channel扩充总线进行系统的开机引导控制，主要由信息采集模块、稳压控制模块、传感信息控制模块及人机交互模块组成。系统采用三维正交低频天线作为监测系统的信息传输端，在数据接收端实现电源供应端口的耦合控制。

▲电力终端嵌入式组件信息源数据监测系统的总体结构设计

随着信息技术的快速发展和“中国制造2025”国家战略的实施，嵌入式系统的数字孪生技术正在广泛被航空航天、汽车等各行各业所接受，在电力行业中也有一定的应用背景。在本文所涉及的电力终端嵌入式组件信息源数据监测系统案例中，使用国产自主可控的天目全数字实时仿真软件SkyEye，可以对其主控芯片进行仿真，从而为电力终端嵌入式组件的软件提供虚拟化运行环境；使用多领域分布式协同仿真平台DigiThread，可通过协同仿真总线的模型适配层实现SkyEye与Simulink的联合，完成多模型之间的协同仿真。具体的仿真架构如下图所示：

▲基于SkyEye与DigiThread的虚拟电力终端架构图

基于SkyEye与DigiThread搭建的嵌入式虚拟化运行环境能够很好解决目前电力终端软件开发和验证存在的技术挑战，有着如下优势：

1. 支持协同仿真，构建复杂系统

复杂系统中通常涵盖多个不同学科、分工明确的子系统，模型之间的协同与联合对打造安全可靠的电力系统仿真环境至关重要。基于复杂系统多仿真模型的协同仿真，用户可通过可视化的参数监控界面，更快获取反馈，有助于后续决策并优化终端实体。

2. 优化开发周期，缩短上市时间

在虚拟环境中开发软件，能够满足DevOps和持续集成实践对访问、自动化和协作等方面的要求。通过虚拟平台和开发模拟，用户在电力终端软件开发过程中无需关注物理硬件及其限制，快速进行设计、开发和测试，在降低成本的同时提升产品开发速度。

▲利用虚拟原型来降低产品的周期和成本