數(shù)字孿生技術在電廠智慧化轉型中的應用意義與策略思考

［摘 要］數(shù)字孿生技術正成為推動電廠智慧化轉型的關鍵力量，通過集成物聯(lián)網、大數(shù)據(jù)與AI 算法，實現(xiàn)實時監(jiān)控、故障預測、運行效率優(yōu)化、資產智能管理及未來規(guī)劃創(chuàng)新。文章探討了數(shù)字孿生技術在電廠智慧化轉型中的應用意義，包括提升設備可用性與安全性、優(yōu)化能源效率、延長資產壽命及促進技術創(chuàng)新，并提出了涵蓋戰(zhàn)略規(guī)劃、技術實施、數(shù)據(jù)管理、組織優(yōu)化、人才培養(yǎng)及持續(xù)創(chuàng)新的綜合應用策略，旨在為電力企業(yè)的智慧轉型提供全面指導框架。

［關鍵詞］數(shù)字孿生技術；電廠；智慧化；轉型

［中圖分類號］TP399 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）09–0126–03

隨著全球能源體系向高效、清潔、智能的方向邁進，傳統(tǒng)電力行業(yè)正面臨前所未有的轉型壓力與機遇。數(shù)字孿生技術作為一種先進的數(shù)字化解決方案，使電廠能夠在不中斷生產的前提下，實現(xiàn)對系統(tǒng)的深度洞察與優(yōu)化。

1 數(shù)字孿生技術在電廠智慧化轉型中的應用意義

1.1 實時監(jiān)控與故障預測

在傳統(tǒng)的電力生產過程中，設備故障通常會導致非計劃停機，影響供電穩(wěn)定性并造成經濟損失。數(shù)字孿生技術通過集成物聯(lián)網傳感器、大數(shù)據(jù)分析和機器學習算法，實時收集并分析發(fā)電設備的運行數(shù)據(jù)，例如，溫度、振動、電流等關鍵參數(shù)。這種實時監(jiān)控能力使得操作人員能夠即時發(fā)現(xiàn)潛在問題，甚至在故障發(fā)生前進行預測性維護。例如，通過對歷史數(shù)據(jù)的學習，系統(tǒng)可以識別出特定故障模式的先兆，提前調度維修資源，避免突發(fā)故障造成的損失，顯著提高電廠的可用性和安全性。

1.2 優(yōu)化運行效率

數(shù)字孿生模型不僅能夠反映當前的設備狀態(tài)，還能模擬不同的運行策略和環(huán)境條件，為決策者提供直觀的對比分析。通過模擬不同的負荷分配、燃料使用方案或維護計劃，工程師可在不干擾實際生產的情況下，測試各種優(yōu)化方案的可行性，從而找到最優(yōu)的運營策略。隨著實踐的深入，不僅能提升能源轉換效率，減少能源浪費，還能降低排放，符合綠色低碳的發(fā)展趨勢。例如，智慧火電廠通過數(shù)字孿生系統(tǒng)調整燃燒參數(shù)，可更精確地控制燃燒過程，提高熱效率，同時減少污染物排放。

1.3 資產管理與壽命延長

在資產管理方面，數(shù)字孿生技術通過持續(xù)跟蹤資產狀態(tài)和性能衰減，支持精準的生命周期管理。其能夠根據(jù)設備的實際使用情況和健康狀況，預測其剩余使用壽命，指導維修和更換計劃，避免過度維護或維護不足。此外，通過分析歷史維護數(shù)據(jù)和性能指標，可發(fā)現(xiàn)設備設計或操作中的不足，反饋給產品設計階段，促進下一代設備的持續(xù)改進。這樣既保證了電廠資產的最大化利用，又延長了關鍵設備的服役壽命，降低了長期運營成本。

1.4 創(chuàng)新與未來規(guī)劃

數(shù)字孿生技術的引入，為電力行業(yè)的創(chuàng)新提供了無限可能，不僅是一種技術手段，更是一種思維方式的轉變，推動了從被動應對到主動預測、從局部優(yōu)化到全局協(xié)同的升級。在規(guī)劃層面，通過構建整個電網的數(shù)字孿生模型，可模擬不同能源結構下的系統(tǒng)表現(xiàn)，評估新能源接入的可行性和影響，為電網的靈活擴展和能源互聯(lián)網的構建提供科學依據(jù)。同時，數(shù)字孿生技術還促進了跨領域技術的融合，例如，與人工智能、區(qū)塊鏈的結合，進一步提升了電廠的智能化水平，為實現(xiàn)能源的智慧調度和個性化服務創(chuàng)造了條件[1]。

2 數(shù)字孿生技術在電廠智慧化轉型中的應用策略

2.1 戰(zhàn)略規(guī)劃與頂層設計理念

（1）明確轉型目標。明確總體目標（表1），應緊密結合企業(yè)現(xiàn)狀與未來發(fā)展規(guī)劃，確保數(shù)字孿生項目能夠與企業(yè)的長遠愿景相匹配。同時，這些目標的設定應充分考慮行業(yè)發(fā)展趨勢、政策導向、市場競爭態(tài)勢以及內部資源條件，確保既具有挑戰(zhàn)性又具備可行性[2]。

（2）頂層設計。構建全廠級的數(shù)字孿生體系架構是實現(xiàn)智慧化轉型的基礎，而這一架構應遵循“從微觀到宏觀，從局部到整體”的原則，確保數(shù)據(jù)在不同層級間的流動與整合。具體實施時，需要考慮以下幾個方面：①建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交換格式和通信協(xié)議，確保設備、系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)無縫對接。同時，將體系分為設備層、系統(tǒng)層、工廠層和企業(yè)層，每一層級聚焦于特定的管理與分析任務，形成逐級遞進的管理結構。②開發(fā)集成平臺作為數(shù)字孿生體系的“大腦”，負責數(shù)據(jù)的匯總、處理、分析和展示，支撐決策制訂。③設計完善的安全機制，包括數(shù)據(jù)加密、訪問控制、網絡安全等，確保數(shù)字孿生系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和數(shù)據(jù)隱私。

2.2 技術選型與系統(tǒng)集成

（1）選擇合適技術。技術選型需綜合考慮技術成熟度、成本效益、可維護性等因素。具體來說：①物聯(lián)網（IoT）設備，建議選擇高精度、低功耗的傳感器，覆蓋關鍵設備的各類監(jiān)測點，確保數(shù)據(jù)采集的全面性和準確性；②大數(shù)據(jù)處理平臺，通常是根據(jù)數(shù)據(jù)量級和處理需求，選擇支持大規(guī)模數(shù)據(jù)存儲、實時處理和分析的平臺，如Hadoop、Spark 等；③人工智能算法，例如，針對故障預測、效率優(yōu)化等場景，選擇或定制合適的機器學習算法，如深度學習、強化學習等，提高分析的準確性和自動化水平。

（2）系統(tǒng)集成。系統(tǒng)集成的目標是確保數(shù)字孿生系統(tǒng)與現(xiàn)有信息化系統(tǒng)（如SCADA、ERP）的無縫銜接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)流、信息流和工作流的統(tǒng)一管理。實現(xiàn)這一目標，需要開發(fā)標準化API 接口，實現(xiàn)新舊系統(tǒng)間的高效數(shù)據(jù)交換，減少數(shù)據(jù)孤島現(xiàn)象。同時，還需要使用中間件技術，如消息隊列、數(shù)據(jù)總線等，實現(xiàn)異構系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)同步和事件觸發(fā)。通常應重新設計工作流程，將數(shù)字孿生系統(tǒng)的分析結果融入日常運維決策中，實現(xiàn)決策的智能化和自動化。此外，開發(fā)統(tǒng)一的用戶界面，使操作人員能夠在一個平臺上完成監(jiān)控、分析、決策等全部操作，提升工作效率。

2.3 數(shù)據(jù)管理與分析

（1）選擇合適技術。技術選型需綜合考慮技術成熟度、成本效益、可維護性等因素。具體來說：①物聯(lián)網（IoT）設備，建議選擇高精度、低功耗的傳感器，覆蓋關鍵設備的各類監(jiān)測點，確保數(shù)據(jù)采集的全面性和準確性；②大數(shù)據(jù)處理平臺，通常是根據(jù)數(shù)據(jù)量級和處理需求，選擇支持大規(guī)模數(shù)據(jù)存儲、實時處理和分析的平臺，如Hadoop、Spark 等；③人工智能算法，例如，針對故障預測、效率優(yōu)化等場景，選擇或定制合適的機器學習算法，如深度學習、強化學習等，提高分析的準確性和自動化水平。

（2）系統(tǒng)集成。系統(tǒng)集成的目標是確保數(shù)字孿生系統(tǒng)與現(xiàn)有信息化系統(tǒng)（如SCADA、ERP）的無縫銜接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)流、信息流和工作流的統(tǒng)一管理。實現(xiàn)這一目標，需要開發(fā)標準化API 接口，實現(xiàn)新舊系統(tǒng)間的高效數(shù)據(jù)交換，減少數(shù)據(jù)孤島現(xiàn)象。同時，還需要使用中間件技術，如消息隊列、數(shù)據(jù)總線等，實現(xiàn)異構系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)同步和事件觸發(fā)。通常應重新設計工作流程，將數(shù)字孿生系統(tǒng)的分析結果融入日常運維決策中，實現(xiàn)決策的智能化和自動化。此外，開發(fā)統(tǒng)一的用戶界面，使操作人員能夠在一個平臺上完成監(jiān)控、分析、決策等全部操作，提升工作效率。

2.3 數(shù)據(jù)管理與分析

2.3.1 數(shù)據(jù)治理

有效的數(shù)據(jù)治理是數(shù)字孿生系統(tǒng)穩(wěn)定運行的前提，所以，應建立一套完整的數(shù)據(jù)管理體系，構建要素如下。

（1）數(shù)據(jù)標準化。①數(shù)據(jù)命名規(guī)則：確立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)元素命名規(guī)范，確保數(shù)據(jù)的唯一性和易于理解；②編碼規(guī)則：制訂數(shù)據(jù)編碼體系，確保數(shù)據(jù)分類、編碼的一致性與可比性。

（2）數(shù)據(jù)質量控制。①數(shù)據(jù)清洗：去除無效數(shù)據(jù)、糾正錯誤數(shù)據(jù)，如填補缺失值、修正格式錯誤等；②異常檢測：運用統(tǒng)計學或機器學習方法識別數(shù)據(jù)中的異常點，剔除或修正。

（3）數(shù)據(jù)安全保護。①加密技術：對敏感數(shù)據(jù)進行加密處理，確保數(shù)據(jù)在傳輸和存儲過程中的保密性；②訪問權限控制：根據(jù)用戶角色和職責，設置數(shù)據(jù)訪問權限，防止未授權訪問。

2.3.2 高級分析應用

大數(shù)據(jù)分析和機器學習技術的應用是數(shù)字孿生價值實現(xiàn)的核心，其主要應用包括：通過分析設備歷史運行數(shù)據(jù)，識別故障發(fā)生的早期征兆，提前發(fā)出預警，減少非計劃停機時間。運用算法模型（表2），對運行參數(shù)進行優(yōu)化配置，如負荷分配、燃料消耗等，以最小的投入獲取最大的輸出。分析能耗數(shù)據(jù)，識別能耗異常和浪費點，提出節(jié)能降耗的改進建議，助力能效提升?；谠O備狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，預測維護周期和所需資源，轉向更為經濟高效的維護策略。

2.4 組織與流程優(yōu)化

（1）組織結構調整。在推進數(shù)字孿生技術應用的過程中，組織結構的調整是確保項目成功落地的關鍵一環(huán)，因此，建議成立一個專門的數(shù)字化轉型小組，該小組應直接向高層匯報，以確保有足夠的決策權和資源調配能力。同時，其職責不僅包括數(shù)字孿生項目的規(guī)劃與執(zhí)行，還需負責項目的持續(xù)優(yōu)化，確保技術應用能夠隨業(yè)務發(fā)展和外部環(huán)境的變化而進化。值得注意的是，小組成員應來自不同部門，包括但不限于IT、運維、財務、安全等，以確保多角度、全方位的視角，促進跨部門間的溝通與協(xié)作，消除信息孤島，形成合力。

（2）流程優(yōu)化?；跀?shù)字孿生模型，企業(yè)可重新審視并設計運維、檢修、決策等關鍵業(yè)務流程，使之更加自動化、智能化。例如，通過集成實時數(shù)據(jù)和預測分析，運維流程可從被動響應轉變?yōu)榛跔顟B(tài)的主動干預，進而縮短響應時間；檢修流程可依據(jù)設備的健康狀況預測進行，避免過度或不足的維護，減少不必要的成本支出；決策流程可通過數(shù)字孿生提供的可視化決策支持系統(tǒng)，使管理層可更快地掌握全局信息，做出更加精準、迅速的決策，提高管理效率。

2.5 人才培養(yǎng)與文化塑造

（1）專業(yè)技能培訓。面對數(shù)字化轉型的挑戰(zhàn)，人才是核心競爭力。企業(yè)需投資于員工的數(shù)字技能培養(yǎng)，特別是數(shù)字孿生技術、數(shù)據(jù)分析、人工智能等相關領域的專業(yè)知識，包括定期舉辦內部培訓、在線課程學習、參加行業(yè)研討會等方式，使員工緊跟技術發(fā)展前沿，掌握最新工具和技術的應用方法。此外，鼓勵員工通過實際項目操作，將理論知識轉化為解決實際問題的能力，提升團隊整體的數(shù)字化素養(yǎng)和實踐能力。

（2）創(chuàng)新文化培育。構建鼓勵創(chuàng)新、擁抱變化的企業(yè)文化，推動數(shù)字孿生技術持續(xù)深入應用。企業(yè)應倡導“數(shù)據(jù)驅動決策”的理念，鼓勵員工在日常工作中積極利用數(shù)據(jù)進行分析和決策，而不是依賴經驗和直覺。同時，建立容錯機制，鼓勵員工大膽嘗試，即使失敗也能從中學習，以此激發(fā)員工利用數(shù)字孿生技術進行持續(xù)改進的積極性。此外，通過表彰創(chuàng)新成果、設立創(chuàng)新基金等激勵措施，營造一個充滿活力和創(chuàng)新氛圍的工作環(huán)境。

2.6 持續(xù)迭代與技術創(chuàng)新

（1）敏捷迭代。在快速變化的市場和技術環(huán)境中，采用敏捷開發(fā)模式對于數(shù)字孿生項目至關重要，也就意味著要快速響應業(yè)務需求變化，頻繁迭代，不斷優(yōu)化數(shù)字孿生模型和應用功能。通過短周期的“開發(fā)–測試– 反饋”循環(huán)，及時調整方向，確保項目始終與企業(yè)目標和市場需求保持一致。敏捷團隊需具備高度的自主性和靈活性，能夠快速適應變化，同時利用自動化工具提高開發(fā)效率，確保迭代速度的同時，保證產品質量。

（2）開放合作。開放合作，與科研機構、技術供應商、高校以及其他行業(yè)伙伴緊密合作，推動技術創(chuàng)新。通過合作，企業(yè)可獲取最前沿的技術動態(tài)，共同研發(fā)新的應用場景，如利用邊緣計算提升數(shù)據(jù)處理速度，借助5G 通訊實現(xiàn)遠程實時監(jiān)控與控制，探索區(qū)塊鏈技術在供應鏈透明化管理中的應用等。開放合作不僅能夠加速技術創(chuàng)新的進程，還有助于企業(yè)拓寬視野，把握行業(yè)趨勢，引領電力行業(yè)的智慧化轉型潮流。

3 結束語

數(shù)字孿生技術在電力行業(yè)中的深度應用，標志著傳統(tǒng)電力生產方式向智慧化、精細化管理的全面轉型。其不僅能夠有效提升電廠的運行效率和經濟性，還為實現(xiàn)能源綠色轉型、構建可持續(xù)的能源體系奠定了堅實的技術基礎。隨著技術的不斷成熟與應用的深化，數(shù)字孿生將引領電力行業(yè)邁入一個更加高效、安全、可持續(xù)發(fā)展的新篇章。

參考文獻

[1] 周璽西. 數(shù)字孿生技術在電網調峰調度自動控制中的應用[J]. 光源與照明，2023（11）：234-236.

[2] 呂凱. 基于數(shù)字孿生技術的電廠安全生產遠程監(jiān)測系統(tǒng)設計[J]. 自動化應用，2023（18）：216-218.