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)
2020 年9 月,我國(guó)明確提出了碳達(dá)峰與碳中和的“雙碳”目標(biāo),加速了電力及能源產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型。在這個(gè)過程中以光伏發(fā)電為代表的新能源發(fā)展迅速,其裝機(jī)容量、發(fā)電量屢創(chuàng)新高。光伏場(chǎng)站的設(shè)備運(yùn)行安全越來越成為發(fā)電側(cè)保障電力供應(yīng)的一個(gè)重要因素,尤其是對(duì)于規(guī)模在100MW 以上的集中式光伏場(chǎng)站而言,光伏場(chǎng)設(shè)備數(shù)量眾多,升壓站內(nèi)設(shè)施繁雜,只有建立對(duì)相關(guān)設(shè)備全面精確的感知和及時(shí)有效的反饋,對(duì)于設(shè)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(duì)性的數(shù)據(jù)模型,才能從根本上實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行維護(hù)的智能化。要實(shí)現(xiàn)復(fù)雜條件下光伏場(chǎng)站設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)感知、精準(zhǔn)評(píng)估和故障排查等工作的績(jī)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(chǎng)站設(shè)備智能運(yùn)行維護(hù)平臺(tái),實(shí)現(xiàn)對(duì)各種設(shè)備的精益化管理和高效維護(hù),實(shí)現(xiàn)運(yùn)維管理過程的集中管控和少人值守,保障整個(gè)光伏場(chǎng)站電力系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行的安全性和可靠性。
數(shù)字孿生技術(shù)是由密歇根大學(xué)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(jià)的虛擬數(shù)字化的表現(xiàn)”,后來經(jīng)過美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)阿波羅項(xiàng)目的應(yīng)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(chǎng)站設(shè)備智能運(yùn)行維護(hù)平臺(tái),需要將光伏場(chǎng)站設(shè)備的物理世界與虛擬世界之間,精確地實(shí)現(xiàn)雙向的數(shù)字化鏡像,在這個(gè)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(chǔ)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(shí)體(如設(shè)備)、傳感器和執(zhí)行器3 個(gè)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(chǔ)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(duì)某一物理實(shí)體過去和目前的行為或流程進(jìn)行動(dòng)態(tài)呈現(xiàn),有助于提升企業(yè)績(jī)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(gè)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(gè)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(gè)從物理空間映射到虛擬空間,再?gòu)奶摂M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(chǔ)。
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(chǎng)站設(shè)備運(yùn)行維護(hù)工作中的需求和痛點(diǎn),可以將基于數(shù)字孿生技術(shù)的光伏場(chǎng)站設(shè)備智能運(yùn)行維護(hù)平臺(tái)設(shè)計(jì)為物理層、感知層、數(shù)據(jù)層、模型層、應(yīng)用層的多層架構(gòu)。物理層對(duì)應(yīng)光伏場(chǎng)站相關(guān)的各類設(shè)備的物理實(shí)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(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)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(shè)備的狀態(tài)評(píng)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(jī)理模型和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型,以及人工智能相關(guān)的開放模型,光伏場(chǎng)站設(shè)備運(yùn)行本身則涉及設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)模型、設(shè)備故障診斷模型、設(shè)備狀態(tài)預(yù)測(cè)模型。應(yīng)用層則提供了圍繞設(shè)備運(yùn)行維護(hù)的各類功能,這里邊也包括設(shè)備資產(chǎn)管理、任務(wù)調(diào)度、統(tǒng)計(jì)分析等輔助功能。
構(gòu)建高精度光伏場(chǎng)站設(shè)備三維數(shù)字化模型是運(yùn)行維護(hù)和精確定位故障的前提條件。運(yùn)用高保真數(shù)字化建模、渲染、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù),融合多時(shí)態(tài)空間信息,在設(shè)備狀態(tài)高逼真虛擬現(xiàn)實(shí)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(chǎng)站設(shè)備數(shù)字孿生體,以滿足設(shè)備運(yùn)行維護(hù)過程中對(duì)于設(shè)備狀態(tài)精準(zhǔn)分析的時(shí)間空間信息需求(如圖3、圖4 所示)。
圖3 設(shè)備(箱變)建模效果圖
圖4 光伏方陣建模效果圖
對(duì)于模型構(gòu)建方法而言,呈現(xiàn)多元化發(fā)展趨勢(shì)?,F(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(dǎo)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(jī)的傾斜攝影三維建模技術(shù),從垂直、傾斜等不同角度進(jìn)行影像采集后,再進(jìn)行解析空中三角測(cè)量、幾何校正、同名點(diǎn)匹配區(qū)域聯(lián)合平差,最終構(gòu)造出高精度三維實(shí)景模型,可以更加真實(shí)地將光伏場(chǎng)站的地形地貌以及各類構(gòu)筑物和設(shè)備在虛擬空間中展現(xiàn)出來,也可以很好地解決光伏場(chǎng)站面積大,建模工作量大的難點(diǎn),同時(shí)為以人工智能為基礎(chǔ)的無人機(jī)巡檢提供基礎(chǔ)條件。
對(duì)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(jī)理模型等,在不同層面模型構(gòu)建完成后進(jìn)行模型的整合,實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體統(tǒng)一刻畫。
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(chǎng)站數(shù)字孿生仿真技術(shù)更強(qiáng)調(diào)物理系統(tǒng)與信息系統(tǒng)間的實(shí)時(shí)交互,是貫穿光伏場(chǎng)站設(shè)備運(yùn)行維護(hù)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(yīng)用可以有效地降低測(cè)試成本。通過打造數(shù)字孿生,將仿真技術(shù)應(yīng)用在設(shè)備運(yùn)行管理過程中,能夠?qū)崿F(xiàn)涵蓋設(shè)備健康管理、遠(yuǎn)程診斷、智能維護(hù)、共享服務(wù)等應(yīng)用。通過對(duì)設(shè)備模型進(jìn)行分析、預(yù)測(cè)、診斷、訓(xùn)練等(即仿真),并將仿真結(jié)果高精度反饋,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)行及維護(hù)需求的優(yōu)化和決策。因此,對(duì)于光伏場(chǎng)站設(shè)備運(yùn)行維護(hù)而言,仿真技術(shù)是保證數(shù)字孿生體與設(shè)備運(yùn)行維護(hù)實(shí)現(xiàn)有效閉環(huán)的核心技術(shù)。
利用數(shù)字孿生模型對(duì)光伏場(chǎng)站不同狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行多參數(shù)推演分析,建立針對(duì)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(jī)理,以掌握其內(nèi)在聯(lián)系,為設(shè)備檢修和維持長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行提供依據(jù)。目前,基于熱力學(xué)模型的逆變器、開關(guān)柜、電氣電纜等設(shè)施工作溫度的演算、發(fā)熱狀態(tài)評(píng)估等備受關(guān)注。同時(shí),通過對(duì)設(shè)備異常工況、異常參數(shù)信息等加以模擬仿真計(jì)算,實(shí)現(xiàn)不同工況下光伏設(shè)備不同物理故障的仿真重現(xiàn)與問題反饋,為設(shè)備異常信息診斷提供不同案例樣本和應(yīng)對(duì)依據(jù)。因光伏場(chǎng)站設(shè)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(chǎng)站設(shè)備故障演化機(jī)理,方可掌握光伏場(chǎng)站設(shè)備在微觀工作狀態(tài)。
基于光伏場(chǎng)站設(shè)備運(yùn)行管理、維護(hù)作業(yè)管理和光伏場(chǎng)站設(shè)備備品備件全生命周期管理,通過對(duì)光伏場(chǎng)站及配套升壓站的各類設(shè)備的集中監(jiān)視,匯總設(shè)備實(shí)時(shí)狀況,形成設(shè)備運(yùn)行和管理情況統(tǒng)計(jì)、設(shè)備運(yùn)維知識(shí)庫(kù),結(jié)合實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與歷史大數(shù)據(jù)的智能比對(duì),實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障的告警和預(yù)警,為合理安排光伏場(chǎng)站設(shè)備運(yùn)行維護(hù),充分發(fā)揮光伏場(chǎng)站設(shè)備的利用率,為設(shè)備日常檢修、場(chǎng)站運(yùn)營(yíng)維護(hù)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(jī)器學(xué)習(xí)等先進(jìn)技術(shù)已逐漸應(yīng)用于光伏場(chǎng)站設(shè)備運(yùn)營(yíng)維護(hù)評(píng)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(píng)估光伏場(chǎng)站設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的準(zhǔn)確性,在提取歷史檢修數(shù)據(jù)、針對(duì)性評(píng)價(jià)、快速預(yù)檢測(cè)、智能化故障診斷等應(yīng)用中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。在實(shí)際應(yīng)用中,光伏場(chǎng)站設(shè)備故障案例樣本相對(duì)較少,不足以滿足集中式光伏場(chǎng)站設(shè)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(tái)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(jì)算模型,構(gòu)建全生命周期的不同故障類型的多物理場(chǎng)耦合仿真,進(jìn)而得到不同部位、不同構(gòu)件、不同程度的設(shè)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(chǎng)站設(shè)備狀態(tài)智能化辨識(shí)模型,獲取不同監(jiān)測(cè)參量與故障映射關(guān)系,實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障全壽命周期的診斷、預(yù)警、定位、評(píng)估、修復(fù)。
目前,在光伏場(chǎng)站設(shè)備運(yùn)行維護(hù)過程中管理、安全、工作效率等多方面仍然存在很多痛點(diǎn)。如管理流程復(fù)雜,無法直觀實(shí)現(xiàn)所有數(shù)據(jù)的分類整合;光伏場(chǎng)站升壓站工作環(huán)境危險(xiǎn),高壓設(shè)備對(duì)人員的場(chǎng)內(nèi)巡視、故障排查等均存在較多安全隱患,場(chǎng)站內(nèi)設(shè)備數(shù)量眾多,普通檢修維護(hù)人員難以深入檢測(cè)所有設(shè)備,造成一些故障無法及時(shí)響應(yīng)和處理;光伏場(chǎng)站多位于偏遠(yuǎn)地區(qū),設(shè)備檢修維護(hù)的及時(shí)性無法得到有力保障;場(chǎng)站設(shè)備故障難以及時(shí)地準(zhǔn)確定位,并觸發(fā)應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)。
為解決這些行業(yè)痛點(diǎn),基于物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)構(gòu)建數(shù)字孿生技術(shù)平臺(tái),通過各種物理模型、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)和運(yùn)行大數(shù)據(jù),構(gòu)建多時(shí)空尺度、多概率的光伏場(chǎng)站設(shè)備運(yùn)行體系,實(shí)現(xiàn)光伏場(chǎng)站全生命周期物理設(shè)備的運(yùn)營(yíng)和維護(hù);通過對(duì)光伏場(chǎng)站內(nèi)所有設(shè)備的真實(shí)物理場(chǎng)景進(jìn)行高精度還原,實(shí)現(xiàn)可視化的光伏場(chǎng)站設(shè)備運(yùn)行維護(hù)網(wǎng)絡(luò),構(gòu)建整個(gè)場(chǎng)站的智能巡檢、設(shè)備管理、生產(chǎn)管理、線路巡檢等業(yè)務(wù)邏輯,實(shí)現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實(shí)世界的互通;通過大數(shù)據(jù)集成打破原有光伏場(chǎng)站設(shè)備因數(shù)據(jù)不連通導(dǎo)致的數(shù)據(jù)孤島,達(dá)到安全高效的設(shè)備運(yùn)行維護(hù)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(shí)延、廣連接的特點(diǎn),萬物互聯(lián)已具備條件,依托智慧城市建設(shè)背景,基于數(shù)字孿生技術(shù)可將光伏場(chǎng)站設(shè)備系統(tǒng)與相關(guān)區(qū)域電力網(wǎng)絡(luò)有機(jī)融合,實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)和問題預(yù)判,實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行維護(hù)信息動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)和運(yùn)維工作的科學(xué)高效規(guī)劃;通過構(gòu)建關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行維護(hù)樣板工程,可實(shí)現(xiàn)設(shè)備重復(fù)運(yùn)行維護(hù)工作的準(zhǔn)確定位和高效運(yùn)維;通過打通光伏場(chǎng)站設(shè)備與整個(gè)光伏場(chǎng)站數(shù)字孿生平臺(tái)數(shù)據(jù)接口,可實(shí)現(xiàn)光伏場(chǎng)站設(shè)備管理維護(hù)與整個(gè)光伏場(chǎng)站安全運(yùn)行的有機(jī)統(tǒng)一。