基于全生命周期的新能源數字化系統及功能應用規劃研究

紀方旭 何堯璽 李雪松 曾戌運 楊奕帆

摘 要：針對大型清潔能源基地新能源場站在全生命周期業務管控的需求，基于物聯感知、大數據分析、AI診斷、三維可視化、智能圖像識別等先進技術，研究并提出了可涵蓋新能源場站—區域集控—公司總部的數字化系統建設藍圖和架構體系。通過規劃項目前期管理、工程建設管理、生產運營管理、業務支撐保障等四大領域的功能應用以及數字化平臺基礎設施的建設任務，為新能源發電企業提供可借鑒的數字化解決方案。

關鍵詞：新能源發電；全生命周期；數字化規劃

中圖分類號：TM71? 文獻標志碼：A

0 引 言

近年來，國內積極響應構建以新能源為主體的新型電力系統的倡議，推動可再生能源替代行動的實施計劃，加快推進清潔能源大基地建設[1]。2023年3月，國家能源局發布《關于加快推進能源數字化智能化發展的若干意見》，提出推動形成能源智能調控體系，推動數字化、智慧化技術在新能源行業全覆蓋應用[2]。工業和信息化部等五部門聯合印發《智能光伏產業創新發展行動計劃（2021—2025年）》，提出智能光伏系統要實現自感知、自診斷、自維護、自調控等技術和管理目標[3-4]。這些政策為新能源數字化轉型發展提供了重要的政策支持和指導。

當前，數字化技術的發展日新月異，各新能源發電企業數字化轉型及建設處在不同階段，在基礎設施支撐、系統功能架構、數據管理應用、網絡安全防護、新技術融合創新以及信息化運營保障等諸多方面都不同程度地存在一些問題，亟待優化提升。為加強數字化頂層設計，統籌場站—區域—總部各層級的數字化系統建設，消除數字化系統架構差異，避免數字化業務功能重疊、數據多源重復、數據標準不一致等問題，越來越多的新能源企業開始意識到數字化建設的重要性，并積極開展企業數字化轉型及建設工作，以提升生產效率、降低運營成本、優化管理模式[5-6]。

1 規劃藍圖

基于新能源建設和運營管理業務需求，提出企業新能源數字化的建設藍圖、總體架構和功能應用，助力新能源場站的標準化建設、智能化運維和一體化管理。基于全生命周期數字化管控平臺和信息化基礎設施，圍繞項目前期管理、建設期管理、運營期管理、業務保障支撐四大核心領域進行規劃建設，以實現多場景的數字化管理。業務藍圖如圖1所示。

1.1 項目前期管理

工程項目前期以科學規劃設計、全過程數字化管控為目標，通過建設市場開發項目管理、投資造價管理、投資經營性評估等系統，為項目的開發投資決策提供科學依據。通過對現場踏勘管理、項目管理信息、業務流程管理、項目風險、投資造價編制、投資經濟性評估等資料文件進行數字化歸集，構建全生命周期的資料庫。

1.2 工程建設管理

工程建設期聚焦于提升工程管理效率，通過建設工程控制臺、質量管理、進度管理、安全任務管理、技術管理和綜合管理等功能，實現工程項目總體態勢的監控、處置以及工程全要素的管理。其中，工程控制臺功能實現項目信息、人員、項目進度、安全檢查統計、質量檢查統計及重要公告展示等；進度管理功能幫助公司監控各個項目的工程目標與進度，及時發現所屬項目的進度風險點；質量管理功能實現對工程質量進行輔助診斷、流程驗收及質檢管理；安全任務管理功能實現對日常安全任務問題單的閉環管理，推動安全問題的快速解決；技術管理功能實現對各專業技術監督、技術支持和技術文檔資料的管控。

1.3 生產運營管理

在生產運營階段，重點圍繞如何實現電站的“無人化”管理，分別建設新能源集控系統和智慧生產運營管理平臺。新能源集控系統支撐生產業務系統運行監視、遠程調度控制和故障告警，實現對場站的遠程監視、集中控制，為場站的無人化提供基礎條件。智慧生產運營平臺業務分為運營業務和運維業務，運營業務以數字孿生等技術為依托，實現場站的三維可視化看板，基于多維數據的大數據分析平臺，實現對場站運行的總體態勢監控和關鍵對標指標、績效考核指標、發電計劃指標、發電量指標、發電效率指標、運營考核指標的分析呈現，輔助運營管理人員進行管理決策；運維業務則實現新能源場站的生產管理、智能診斷、智能裝備巡檢等核心業務功能，達到無人值班、少人值守的目標。

1.4 業務保障

保障業務主要包括智能安防、智能消防、智能物資和安全管理等。智能安防、消防系統通過高清視頻監控、AI、傳感、無人機等技術，提升新能源大基地安全等級，提高安保效率，降低安保成本，保障新能源場站安全運行。智能物資管控系統實現對物資的統一編碼及區域物資的聯儲聯備。安全管理系統對新能源場站建設及運營階段提供綜合人員、設備、環境等全方位的安全保障和對自然災害的監測預警。通過統一規劃，為新能源場站的安防、消防、物資倉儲和安全監測提供全生命周期一體化業務保障。

2 架構設計

2.1 業務架構

按照業務規劃的總體思路，業務架構設計實現從項目前期到運行期的全場景業務覆蓋、運營流程作業的全過程管理、管理過程全自動化和支撐運營決策過程的全可視化。通過對主要發電集團新能源公司數字化系統建設情況的調研和行業技術發展趨勢分析，結合公司各部門及場站新能源業務管控需求，業務架構主要圍繞項目前期管理業務、工程建設業務、生產運營業務、全生命周期保障業務四個領域進行規劃設計。業務架構如圖2所示。

2.2 應用架構

新能源信息化業務應用圍繞項目前期管理、工程建設管理、生產運營管理等四大領域進行平臺應用體系及功能建設。業務應用功能按照縱向管控、決策支撐、橫向協同、高效運營等目標進行設計，保障企業的業務系統共建共享、智能互聯。應用架構如圖3所示。

新能源信息化業務應用功能建設的任務，一是面向新能源企業項目前期新能源場站投資造價編制和規劃設計人員，對能源市場開發項目綜合分析和科學規劃設計，并對前期的資料進行數字化歸集管理。二是面向工程項目管理相關人員，對新能源場站建設過程中的質量、進度、安全、物資、人員、車輛等全要素進行高效管控。三是面向運營期相關人員實現新能源場站運行可視化監視、調度控制、故障告警、智能診斷、智能裝備巡檢、運營綜合指標分析等功能，為新能源場站的安全高效運營提供數字化手段。四是智能安防、智能消防、智能物資、安全管理等業務系統的建設，為業務支撐提供保障。

2.3 技術架構

按照業務及配套基礎設施需求，規劃建立“1+4+N”的新能源數字化業務應用體系，“1”為1個統一的數字化平臺，“4”為4個業務應用體系，“N”為各應用體系包含的若干應用。總體技術架構如圖4所示。

通過一體化的數據底座和集約化的平臺架構，實現數據共享、業務聯動和統籌管理。平臺提供統一、開放的標準接口，以支持多系統接入和擴展新的應用。數字平臺主要包括以下功能組件：

（1）物聯網平臺。負責各子系統設備狀態、告警收集及相關控制指令下發，支撐對末端設備的可視化運營，實時掌控設備狀態。

（2）視頻監控平臺。通過視頻云平臺視圖資源共享及智能圖像處理技術，提供豐富的智能算法，提升視頻圖像處理效率及業務協同能力。

（3）大數據平臺。通過對新能源場站相關數據的整合，向下提供全部子系統和其他平臺的數據集成接口，向上提供數據服務、計算能力接口給應用系統。

（4）三維可視化平臺。對新能源場站空間中的有關地理分布數據進行采集、儲存、管理、運算、分析、顯示和描述。

（5）人工智能平臺。對生產區場站監控數據以及管理區智能巡檢設備（如無人機、巡檢機器人、清掃機器人、攝像機、智能穿戴設備等）采集視頻圖像數據進行智能分析，識別設備缺陷，有助于設備預測性維護。

2.4 數據架構

數據架構主要對場站業務數據分層管理方案進行規劃，目標是實現公司數據的規范性、一致性、準確性和完整性，同時解決信息集成共享和資源的重復利用問題，并在此基礎上，充分挖掘數據的價值，有效支持業務數據管理和經營決策分析。總體數據架構如圖5所示。

數據架構包含數據源、采集交換層、存儲處理層、計算分析層、訪問使用層。數據來源于公司內外部，從空間維度看，主要產生于新能源場站、區域集控、總部管理部門；從時間維度看，主要產生于項目的工程建設期和生產運維期。根據不同的業務需求，采用實時和非實時兩種采集策略，在采集手段上分為拉取、推送和虛擬連接三種方式。

通過數據的采集進入數據倉庫，或通過數據交換實現信息系統間的數據交互、數據共享需求。對結構化數據及非結構化、半結構化數據類型，使用不同的數據存儲和處理策略形成混合式架構，使用可擴展的分布式存儲方式進行實時在線、批量數據處理計算與轉換，同時提供多種類型的數據服務，供業務人員開展嘗試性數據分析挖掘。

采用多種分析工具和手段構建統一的分析服務能力，實現查詢、分析、挖掘、預測等數據分析應用，并可以形成特定的數據產品服務用于智能決策、趨勢分析等應用場景。所有數據分析應用的結果，在統一架構下為公司內外部各個層級、各種類別的用戶提供多種業務支撐。

建設期中會產生設備資產數據、BIM數字化模型數據、圖紙數據、基建檔案數據、合同管理數據等，需要通過對這些數據進行治理，規范數據管理標準，從公司層面統一設備和物資編碼體系，實現從建設期到運維期的數據遷移和數據全生命周期管理。加強建設期與運維期的數據集成關聯，為運維期的設備維護檢修提供數據分析與決策支撐。

2.5 集成架構

按照“少人無人化運營管理”的建設理念，在區域側建設區域集控一體化管理平臺，實現對各個新能源場站的統一運營管理，將場站側各獨立的設備和業務子系統集成至區域側，通過一體化平臺拉通數據，實現業務接口標準化，各系統間信息共享和業務協同。集成架構如圖6所示。

新能源區域集控一體化管理平臺實現三個層級的集成。一是場站側生產區和管理區的集成，如實現基于管理區氣象系統的功率預測。二是區域側新能源集控中心和管理區智慧生產運營管理平臺的集成，實現區域側整體運營數據的打通。三是區域側和場站側的跨區域集成，實現在區域集控中心對新能源場站的運行監控和集控集維。

2.6 網絡安全架構

網絡安全架構設計以“安全第一、預防為主、管理與技術并重、綜合防范”為方針，以“安全分區、網絡專用、橫向隔離、縱向加密”為原則，滿足電力行業網絡安全等級保護體系（等保2.0）的“縱深防御、集中管控”要求，構建集識別、防護、檢測、響應于一體的防護能力。網絡安全架構如圖7所示。

區域集控側與新能源場站安全一區之間的數據通信線路為電力專線。安全二區之間為電力專線或運營商專線，配置縱向加密及防火墻設備保護數據傳輸安全。區域集控側與新能源場站管理信息大區（安全三區）之間的數據通信線路為運營商專線/互聯網專線，采用防火墻、VPN專線等方式保證邊界與數據傳輸的安全。

3 結束語

通過產業政策洞察、行業調研剖析及業務需求分析，對新能源發電企業全生命周期數字化系統建設進行了深入研究，提出了可涵蓋新能源場站—區域集控—公司總部的數字化系統建設藍圖和業務架構、應用架構、技術架構、數據架構、集成架構、網絡安全架構。規劃的項目前期管理、工程建設期管理、生產運營期管理和業務支撐保障等四大業務體系及功能應用等建設方案，對國內新能源企業數字化建設具有較強的指導意義，有助于提高企業生產運營管理水平和場站運維效率、降低運營成本和安全管理風險，促進企業數字化轉型和高質量發展。

參考文獻：

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A New Energy Digital System and Its Functional Application Planning Based on the Whole Life Cycle

JI Fangxu 1，HE Yaoxi 1，LI Xuesong2，ZENG Xuyun1，YANG Yifan1

（1. China Yangtze Power Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China；2. Southwest Electric Power Design Institute Co.，Ltd.，China Power Engineering Consulting Group，Chengdu 610056，China）

Abstract：To meet the operational needs throughout the entire life cycle of large-scale clean energy bases，we propose a comprehensive digital system blueprint and architecture encompassing new energy stations，regional centralized control，and corporate headquarters by employing advanced technologies such as IOT sensing，big data analysis，AI diagnosis，three-dimensional visualization，and intelligent image recognition. Functional applications are developed across four major domains：planning pre-production management，engineering construction management，production and operation management，and business support. Together with the construction of the digital platform infrastructure，these research findings provide digital solutions for new energy power generation enterprises.

Key words：new energy generation；the whole life cycle；digital planning

基金項目：長電新能有限責任公司項目（4223020049）

作者簡介：紀方旭，男，工程師，博士，主要研究方向為新能源業務數字化運營管理體系。E-mail：ji_fangxu@ctg.com.cn