智慧风电场数字孪生全景运行监测系统

我国风力发电主要分布于我国的西北部地区，距离远、跨度大成为风电生产管理的一大痛点。结合“双碳”工作，实现数字化转型的重大目标，建立智慧风电场数字孪生全景运行监测系统具有重要的价值。通过可视的、交互的展示方式指向风电场的目标和阶段性问题。支持钻取式查询，实现对指标的逐层细化、深化分析，实现生产数据可视化、安全数据可视化、经营指标可视化。

智慧风电场数字孪生全景运行监测系统是风场各设备的物理数据模型“双胞胎”，通过实时监测系统状态，动态更新数字模型，能够提升数字孪生体的诊断、评估与预测能力；同时在线优化实际系统的操作、运行与维护，减少结构设计冗余、避免频繁的周期性检修与维护，并保证系统的安全性；还可用于风电场的设计验证、培训演练、智慧检修和决策诊断。

智慧风电场数字孪生全景运行监测系统利用最新的传感器检测、信号处理、GPS定位技术、物联网、三维仿真、云计算、大数据分析、人工智能等技术，针对风机的各项性能、振动及电量等参数进行实时在线/离线监测，在风机的运行过程中，自动判别风机性能劣化趋势，及时制定检修策略，系统具有监测参数设置、趋势曲线显示、远程报警、设备故障诊断和手自动控制、报警阀值设定、用户及权限管理、操作记录、数据汇总分析及检修策略制定等丰富功能。使运行、维护、管理人员对风机及风电场的运行维护达到安全高效智能的目的。

1.数字孪生系统架构

感知层：感知层主要包括物理实体中搭载先进物联网技术的各类新型基础设施。

数据层：数据层主要包括保证运算准确性的高精度的数据采集、保证交互实时性的高速率数据传输、保证存取可靠性的全生命周期数据管理。

运算层：运算层是数字孪生体的核心，其充分借助各项先进关键技术实现对下层数据的利用，以及对上层功能的支撑。

功能层：功能层是数字变生体的直接价值体现，实现系统认知、系统分析、故障诊断、预测推演功能，从而起到辅助决策作用。系统认知，数字孪生体能够真实描述及呈现物理实体的状态，它是实现数字孪生体其它高级和智能化功能的基础。系统分析可实现数字孪生体的状态监测功能，发挥对物理实体的早期预警作用。故障诊断，通过分析物理实体的运行状态，了解现象背后的原因。预测推演，是利用仿真技术来预见物理实体未来的状态演变，从而指导当前的运行决策。

应用层：应用层是面向各类场景的数字孪生体的最终价值体现，具体表现为不同行业的各种产品，能够明显推动各行各业的数字化转型。

2.数字孪生系统的典型特征

等价映射：数字孪生体是对物理实体的等价描述，是对物理实体进行数字化而松建的模型数字孪生体的变化能够真实反映现实世界中的物理实体的变化。数字孪生体能够实现双向映射、数据连接和状态交互，起到“数化”、“保真”效果。

实时交互：基于实时传感等多元数据的获取，孪生体可全面、精准、动态反映物理对象的状态变化，包括外观、性能、位置、异常等。“实时”体现数字孪生体所处状态是物理实体状态的实时虚拟映射;“交互”体现数字孪生体与物理实体间存在数据及指令互动。

共生演进：“共生”体现在数字孪生体与物理实体同步构建，在全生面周期中相互依存，孪生体随着孪生对象的生长而不断演变。共智体现在三个层面:孪生体与孪生对象间共享智慧(包括:数据、算法)、孪生体内部各种孪生模型间共享智慧、不同生命周期阶段的孪生体间共享智慧。

预测优化：根据物理实体的各项真实数据，通过数字孪生体进行仿真，实现对物理实体未来状态的预测，预先知晓未来状态能够辅助用户做出更合理的决策。根据物理实体的实时运行状态，通过数字孪生体进行监测，实现对系统不稳定状态的预测，预先觉察即将可能发生的不稳定状态，使用户更从容地处理该问题。

建立数字孪生体的最终目的，是通过描述物理实体集合内在机理，分析规律、洞察趋势，基于分析与仿真对物理世界形成优化指令或策略，实现对物理实体决策优化功能的闭坏。根据数字孪生的典型特征，可以得出数字孪生的体系架构。

3.智慧风电场数字孪生全景运行监测系统功能

全景漫游： 第一人称视角漫游，模拟在风电场内的巡视过程，带来沉浸式体验。对于可能存在危险的场地，可通过图扑软件提供的漫游功能进行风电场户外、室内巡检漫游，通过巡检模拟人或者巡检车巡检的过程，经过设备时可以停留查看设备信息。

生产监测：将环境参数、实时发电指标、节能减排信息等数据接入平台，便于运维人员对整个基地运行的有效掌控。

发电统计：平台可视化系统内统计风机日发电量、月发电量、以及累计发电量总和，并通过柱状图展示不同位置的风机发电量与发电差异。通过数据统一分析，保障风电机组发电的满发率和稳定性。

环境参数：将环境监测数据接入平台可视化系统，实时监控、风速，能见度、降水量、温度、湿度等数据，并同步运维人员，让他们在极端天气来临前做好防范，保护设备和自身安全。

机组状态：平台将风电场进行数字化建模，多维度实时监测风机运行状态，如并网、停机、待机、维护、离线、故障风机数量。加强机组运行管理，优化机组检修安排，加快故障机组消缺。确保发电机组顶得上、发得出、稳得住，杜绝各类事故事件发。

安全管理：安全管理围绕风机、海缆、电子围栏三个方面。以可视化平台为依托，将各项监控数据融合分析，变被动为主动，减少非法入侵的发生。

风机预警：设备预警能防范设备高温暴晒运行带来的爆炸、倾覆、滞留风险。相较于人工预警，通过可视化平台预警，精简流程，监测数据一旦触发设定的预警指标，集控中心运维可实时收到预警提示，为转移危险区域人员争取宝贵时间。同时，加强在役机组运行管理，减少非计划停机、受阻情况。

数据分析决策：支持对接电力行业既有海量业务数据，如环境参数、本体参数等综合运行数据，提供统计图表、分布图、关系图、空间统计图、空间分布图、空间关系图等多种数据可视分析图表，进行多维度分析预判，并支持组合为数据分析驾驶舱进行综合显示，实现多指标数据的并行监测分析，为管理者决策研判提供全面的数据支持。