數(shù)字孿生技術(shù)在光伏場站設備運行維護關(guān)鍵技術(shù)及其應用展望

李磊，賈真山

（1.北京中電匯智科技有限公司，北京 100080；2.大同中電光伏發(fā)電有限公司，山西 大同 037000）

1 引言

2020 年9 月，我國明確提出了碳達峰與碳中和的“雙碳”目標，加速了電力及能源產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型。在這個過程中以光伏發(fā)電為代表的新能源發(fā)展迅速，其裝機容量、發(fā)電量屢創(chuàng)新高。光伏場站的設備運行安全越來越成為發(fā)電側(cè)保障電力供應的一個重要因素，尤其是對于規(guī)模在100MW 以上的集中式光伏場站而言，光伏場設備數(shù)量眾多，升壓站內(nèi)設施繁雜，只有建立對相關(guān)設備全面精確的感知和及時有效的反饋，對于設備的各種狀態(tài)，尤其是微觀狀態(tài)，通過數(shù)據(jù)積累，形成有針對性的數(shù)據(jù)模型，才能從根本上實現(xiàn)設備運行維護的智能化。要實現(xiàn)復雜條件下光伏場站設備運行狀態(tài)感知、精準評估和故障排查等工作的績效提升，有必要構(gòu)建基于數(shù)字孿生（Digital Twin，DT）技術(shù)的光伏場站設備智能運行維護平臺，實現(xiàn)對各種設備的精益化管理和高效維護，實現(xiàn)運維管理過程的集中管控和少人值守，保障整個光伏場站電力系統(tǒng)長期運行的安全性和可靠性。

2 數(shù)字孿生技術(shù)

數(shù)字孿生技術(shù)是由密歇根大學的邁克爾. 格里夫（Michael Grieves）在2003 年提出的，最初的定義為“與物理產(chǎn)品等價的虛擬數(shù)字化的表現(xiàn)”，后來經(jīng)過美國國家航空航天局（NASA）阿波羅項目的應用，形成了完整且明確的概念模型。根據(jù)數(shù)字孿生的定義，構(gòu)建基于數(shù)字孿生技術(shù)的光伏場站設備智能運行維護平臺，需要將光伏場站設備的物理世界與虛擬世界之間，精確地實現(xiàn)雙向的數(shù)字化鏡像，在這個過程中，通常需要參考幾種常見的數(shù)字孿生架構(gòu)。

一種為基礎數(shù)字孿生架構(gòu)，主要包括物理空間、虛擬空間以及這些空間之間的連接部分（如圖1 所示）。物理空間由物理實體（如設備）、傳感器和執(zhí)行器3 個部分組成，虛擬空間則包含了虛擬模型和數(shù)據(jù)分析，物理空間和虛擬空間之間通過數(shù)據(jù)和指令雙向連通。

圖1 基礎數(shù)字孿生架構(gòu)

而德勤提出，從根本上講，數(shù)字孿生是以數(shù)字化的形式對某一物理實體過去和目前的行為或流程進行動態(tài)呈現(xiàn)，有助于提升企業(yè)績效。德勤的面向工業(yè) 4.0 的數(shù)字孿生架構(gòu)主要包含5 個部分，即傳感器、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析、執(zhí)行器、集成模型，以及這5 個部分之間的6步過程，即生成、通信、聚合、分析、決策、執(zhí)行（如圖2 所示）。這是一個從物理空間映射到虛擬空間，再從虛擬空間返饋到物理空間的雙向過程，這一雙向循環(huán)構(gòu)成了德勤數(shù)字孿生的基礎。

圖2 面向工業(yè)4.0 數(shù)字孿生架構(gòu)

參考上文的數(shù)字孿生架構(gòu)，結(jié)合光伏場站設備運行維護工作中的需求和痛點，可以將基于數(shù)字孿生技術(shù)的光伏場站設備智能運行維護平臺設計為物理層、感知層、數(shù)據(jù)層、模型層、應用層的多層架構(gòu)。物理層對應光伏場站相關(guān)的各類設備的物理實體，如光伏板、光伏矩陣、逆變器、電纜等。感知層包括各類的傳感裝置，可以獲取到設備的實時運行數(shù)據(jù)，包括結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，為設備的狀態(tài)評估提供數(shù)據(jù)保障。數(shù)據(jù)層包括數(shù)據(jù)的采集、處理、傳輸、匯聚以及清洗等，依托近年來已經(jīng)發(fā)展成熟的大數(shù)據(jù)處理框架，完成各類數(shù)據(jù)的治理。模型層則包含了機理模型和數(shù)據(jù)驅(qū)動模型，以及人工智能相關(guān)的開放模型，光伏場站設備運行本身則涉及設備狀態(tài)評價模型、設備故障診斷模型、設備狀態(tài)預測模型。應用層則提供了圍繞設備運行維護的各類功能，這里邊也包括設備資產(chǎn)管理、任務調(diào)度、統(tǒng)計分析等輔助功能。

3 數(shù)字孿生技術(shù)在光伏場站設備運行維護中關(guān)鍵技術(shù)應用

3.1 關(guān)鍵技術(shù)：建模技術(shù)

構(gòu)建高精度光伏場站設備三維數(shù)字化模型是運行維護和精確定位故障的前提條件。運用高保真數(shù)字化建模、渲染、虛擬現(xiàn)實等技術(shù)，融合多時態(tài)空間信息，在設備狀態(tài)高逼真虛擬現(xiàn)實條件下展現(xiàn)多維狀態(tài)感知效果，構(gòu)建高精度定位、多維度展示的光伏場站設備數(shù)字孿生體，以滿足設備運行維護過程中對于設備狀態(tài)精準分析的時間空間信息需求（如圖3、圖4 所示）。

圖3 設備（箱變）建模效果圖

圖4 光伏方陣建模效果圖

對于模型構(gòu)建方法而言，呈現(xiàn)多元化發(fā)展趨勢。現(xiàn)階段，數(shù)字孿生建模語言主要有AutomationML、Modelica、SysML、UML、XML 等。一些模型采用CAD 等通用軟件開發(fā)，這些模型可直接通過導入方式建模，也有很多模型是基于FlexSim、Qfsm 等專用建模工具開發(fā)。結(jié)合近年來高速發(fā)展的無人機的傾斜攝影三維建模技術(shù)，從垂直、傾斜等不同角度進行影像采集后，再進行解析空中三角測量、幾何校正、同名點匹配區(qū)域聯(lián)合平差，最終構(gòu)造出高精度三維實景模型，可以更加真實地將光伏場站的地形地貌以及各類構(gòu)筑物和設備在虛擬空間中展現(xiàn)出來，也可以很好地解決光伏場站面積大，建模工作量大的難點，同時為以人工智能為基礎的無人機巡檢提供基礎條件。

對于不同層面的建模而言，可將模型分為幾何模型、信息模型、機理模型等，在不同層面模型構(gòu)建完成后進行模型的整合，實現(xiàn)物理實體統(tǒng)一刻畫。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)：仿真技術(shù)

從仿真的視角，數(shù)字孿生技術(shù)中的仿真技術(shù)是一種在線數(shù)字仿真技術(shù)。與傳統(tǒng)仿真技術(shù)比較，光伏場站數(shù)字孿生仿真技術(shù)更強調(diào)物理系統(tǒng)與信息系統(tǒng)間的實時交互，是貫穿光伏場站設備運行維護的不間斷全周期循環(huán)迭代的仿真過程。因此，仿真技術(shù)的應用可以有效地降低測試成本。通過打造數(shù)字孿生，將仿真技術(shù)應用在設備運行管理過程中，能夠?qū)崿F(xiàn)涵蓋設備健康管理、遠程診斷、智能維護、共享服務等應用。通過對設備模型進行分析、預測、診斷、訓練等（即仿真），并將仿真結(jié)果高精度反饋，從而實現(xiàn)對設備運行及維護需求的優(yōu)化和決策。因此，對于光伏場站設備運行維護而言，仿真技術(shù)是保證數(shù)字孿生體與設備運行維護實現(xiàn)有效閉環(huán)的核心技術(shù)。

利用數(shù)字孿生模型對光伏場站不同狀態(tài)數(shù)據(jù)進行多參數(shù)推演分析，建立針對內(nèi)部狀態(tài)特征參數(shù)的映射關(guān)系，獲取關(guān)鍵參數(shù)值，掌握常態(tài)、特殊以及極端條件下的失效機理，以掌握其內(nèi)在聯(lián)系，為設備檢修和維持長期穩(wěn)定運行提供依據(jù)。目前，基于熱力學模型的逆變器、開關(guān)柜、電氣電纜等設施工作溫度的演算、發(fā)熱狀態(tài)評估等備受關(guān)注。同時，通過對設備異常工況、異常參數(shù)信息等加以模擬仿真計算，實現(xiàn)不同工況下光伏設備不同物理故障的仿真重現(xiàn)與問題反饋，為設備異常信息診斷提供不同案例樣本和應對依據(jù)。因光伏場站設備故障微觀過程模擬難度較大，需明確不同條件及因素作用下的光伏場站設備故障演化機理，方可掌握光伏場站設備在微觀工作狀態(tài)。

3.3 全生命周期管理技術(shù)

基于光伏場站設備運行管理、維護作業(yè)管理和光伏場站設備備品備件全生命周期管理，通過對光伏場站及配套升壓站的各類設備的集中監(jiān)視，匯總設備實時狀況，形成設備運行和管理情況統(tǒng)計、設備運維知識庫，結(jié)合實時數(shù)據(jù)與歷史大數(shù)據(jù)的智能比對，實現(xiàn)設備故障的告警和預警，為合理安排光伏場站設備運行維護，充分發(fā)揮光伏場站設備的利用率，為設備日常檢修、場站運營維護和區(qū)域維檢等不同的層次工作需求提供支撐。

近年來，大數(shù)據(jù)分析、機器學習等先進技術(shù)已逐漸應用于光伏場站設備運營維護評估工作，并取得了良好成效。相關(guān)研究表明，通過分析大數(shù)據(jù)能夠提升評估光伏場站設備運行狀態(tài)的準確性，在提取歷史檢修數(shù)據(jù)、針對性評價、快速預檢測、智能化故障診斷等應用中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。在實際應用中，光伏場站設備故障案例樣本相對較少，不足以滿足集中式光伏場站設備狀態(tài)大數(shù)據(jù)分析和人工智能算法要求。在工業(yè)4.0 數(shù)字孿生平臺架構(gòu)下，可以利用數(shù)字孿生體的故障模擬仿真及數(shù)值計算模型，構(gòu)建全生命周期的不同故障類型的多物理場耦合仿真，進而得到不同部位、不同構(gòu)件、不同程度的設備故障數(shù)據(jù)樣本，從而建立以大數(shù)據(jù)樣本為依托的持續(xù)迭代、不斷豐富完善的全壽命周期集中式光伏場站設備狀態(tài)智能化辨識模型，獲取不同監(jiān)測參量與故障映射關(guān)系，實現(xiàn)設備故障全壽命周期的診斷、預警、定位、評估、修復。

4 數(shù)字孿生技術(shù)在光伏場站設備運行維護的應用展望

目前，在光伏場站設備運行維護過程中管理、安全、工作效率等多方面仍然存在很多痛點。如管理流程復雜，無法直觀實現(xiàn)所有數(shù)據(jù)的分類整合；光伏場站升壓站工作環(huán)境危險，高壓設備對人員的場內(nèi)巡視、故障排查等均存在較多安全隱患，場站內(nèi)設備數(shù)量眾多，普通檢修維護人員難以深入檢測所有設備，造成一些故障無法及時響應和處理；光伏場站多位于偏遠地區(qū)，設備檢修維護的及時性無法得到有力保障；場站設備故障難以及時地準確定位，并觸發(fā)應急響應系統(tǒng)。

為解決這些行業(yè)痛點，基于物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)構(gòu)建數(shù)字孿生技術(shù)平臺，通過各種物理模型、動態(tài)數(shù)據(jù)和運行大數(shù)據(jù)，構(gòu)建多時空尺度、多概率的光伏場站設備運行體系，實現(xiàn)光伏場站全生命周期物理設備的運營和維護；通過對光伏場站內(nèi)所有設備的真實物理場景進行高精度還原，實現(xiàn)可視化的光伏場站設備運行維護網(wǎng)絡，構(gòu)建整個場站的智能巡檢、設備管理、生產(chǎn)管理、線路巡檢等業(yè)務邏輯，實現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實世界的互通；通過大數(shù)據(jù)集成打破原有光伏場站設備因數(shù)據(jù)不連通導致的數(shù)據(jù)孤島，達到安全高效的設備運行維護管理。

隨著新一代通信技術(shù)的發(fā)展，特別是5G 技術(shù)帶來的高速率、低時延、廣連接的特點，萬物互聯(lián)已具備條件，依托智慧城市建設背景，基于數(shù)字孿生技術(shù)可將光伏場站設備系統(tǒng)與相關(guān)區(qū)域電力網(wǎng)絡有機融合，實現(xiàn)風險和問題預判，實現(xiàn)設備運行維護信息動態(tài)預測和運維工作的科學高效規(guī)劃；通過構(gòu)建關(guān)鍵設備運行維護樣板工程，可實現(xiàn)設備重復運行維護工作的準確定位和高效運維；通過打通光伏場站設備與整個光伏場站數(shù)字孿生平臺數(shù)據(jù)接口，可實現(xiàn)光伏場站設備管理維護與整個光伏場站安全運行的有機統(tǒng)一。