智慧光伏电场数字孪生全景运行监测系统

我国的光伏电站多数建在人烟稀少的沙漠地带,且电站的规模较大，给日常的设备看守、巡查、检修带来不少压力。智慧光伏电场数字孪生全景运行监测系统不仅能更清晰地展示含太阳能等新能源微电网的运维，还能够降本增效，实现设备的智能监测。这样，光伏电站无需技术人员每日巡视和维护，只需要在室内对设备的运营状态进行网络上的实时监控与故障检测，极大地节省了人力、物力的投入，大大降低了运营的成本与难度。

数字孪生光伏主站按照全生命周期的理念来搭建，它通过统一信息的数据模型，构建协同的云平台作为支撑。它是 BIM 技术、传感器技术、通讯技术、仿真软件技术的系统集成。利用智慧光伏电场数字孪生全景运行监测系统，再结合新兴的AR、VR可穿戴设备，可以帮助运维人员更加方便地进行系统学习与维护操作。对于城市的自然资源管理部门来说，光伏电站的数字孪生可视化模型也可以集成到地理信息系统(GIS)中，实现对光伏资源的统一管理和环境可协调性分析。

智慧光伏电场数字孪生全景运行监测系统利用物联网技术，通过部署传感器对光伏电池阵列、汇流箱、低压直流柜、逆变柜、交流低压柜、升压变压器等设备，以及环境情况进行实时监控，并对异常情况实时报警，保障电站安全运行，满足电站运行人员日常操作及上级系统或调度的监控需求，同时采用大数据技术，对电站数据进行统计分析，监测电站数据指标的当前情况以及未来趋势。

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.系统特点

• 远程实时在线监控，无需到现场查看状况，提高维护效率，减少人员成本。

• 故障设备实时报警，及时有效发现异常，快速处理异常。

• 图形化组态在线监控，对电站可视化实时监控。

• 大数据统计分析，掌握历史发电数据，预测未来趋势。

• 通过数据对比分析，辅助决策。

• 平台化多用户模式，可进行权限管理，总管理员对各供应商权限自由设置。

• 硬件产品标准化，结构简洁，实施方便、稳定可靠。

• 数据接口开放，扩展灵活，方便工程师进行功能的二次开发。

• 支持多种标准电力通讯规约、工业自动化通讯规约，方便灵活地与第三方系统进行高效数据交互。

• 监控及分析软件功能强劲、全面，可靠性高。

• 系统兼容性强，既支持户用式电站的接入，也支持大型集中式电站的接入。

4.系统功能

（1）光伏发电场站全景展现

系统可按照1:1的比例，利用虚拟仿真技术构建高度逼真的光伏电站装备三维模型。每一个光伏装备均包括完整零部件和机械结构，每一个零部件均按照虚拟现实技术要求进行层次节点关系分类，按照实时交互要求，进行“属性编辑”，即定义各个零部件的组织结构、层级关系 装配关系。每一个光伏模型均为可编辑、可交互、可编程控制的矢量模型，具备接受外部数据实时驱动和交互控制的属性。同时按照实际规则进行系统的命名、编号，为后期的系统展示、电站操作、运维仿真和智能巡检提供一套完整的、精确的、可交互的三维模型数据库。

在此基础上实现的光伏电站运维虚拟仿真与数据可视化系统，可真实模拟光伏发电装备的运维操作过程和电站动态工作流程，为光伏电站装备与系统展示、运维操作、智能巡检、可视化管理等运维任务提供一个高度逼真的三维可视化虚拟仿真环境和技术支撑平台。

（2）光伏发电故障过程实时跟踪

在电网发生故障时，智慧光伏电场数字孪生全景运行监测系统根据触发条件计算规定的时间窗口内光伏发电由于脱网导致的有功功率损失量，安全稳定控制层装置将此有功功率损失量上送至电网稳控系统，用于电网紧急控制。

（3）光伏发电精益控制

光伏发电精益控制主要包括光伏发电场站发电信息精细化上送、精细化切机以及光伏电站功率快速调节：

光伏发电发电信息精细化上送：智慧光伏电场数字孪生全景运行监测系统实时监测场站内各发电单元及馈线的运行与可切状态，通过光伏发电场站安全稳定控制层装置汇总后上送至电网稳控系统，用于在电网故障时电网稳控系统对光伏发电紧急控制资源的分层、分区及公平调用。

精细化切机：智慧光伏电场数字孪生全景运行监测系统在接收到切机容量命令后，通过优化场站内部切机策略，以单个发电单元为最小执行单元，执行控制命令，避免直接切除线路或馈线导致的过电压等次生问题。

光伏电站功率快速调节：光伏发电站的全景监控系统在接收到功率调节（提升或回降）命令后，通过向光伏逆变器发出功率调节指令，实现光伏电站功率的快速调节。

（4）可控资源监视

智慧光伏电场数字孪生全景运行监测系统应能够满足调度主站可控资源监视的功能要求，包括可控资源实时展示和事故追忆反演等。

智慧光伏电场数字孪生全景运行监测系统应具备通过响应数据召唤命令或主动上送的方式向调度主站上送新能源场站发电单元以及系统运行工况等信息的功能，信息内容包括但不限于光伏发电场站当前并网机组数量、并网总功率、事故过程中脱网机组数量及脱网功率等，用于调度主站可控资源实时展示。

在电网发生故障时，光伏发电场站安全稳定控制层装置应具有动态录波功能，记录光伏发电场站发电单元在事故前后的运行状况，并可响应调度主站召唤命令上送录波文件。

（5）次/超同步振荡监视

智慧光伏电场数字孪生全景运行监测系统通过源控终端及紧急态监控层的振荡监视子站装置实现对发电单元的次/超同步振荡监视。

源控终端对发电单元的三相电压、三相电流进行高频采样并连续录波，基于原始采样数据进行次/超同步振荡分析，并将分析结果和告警信息等实时上送至紧急态监控层装置；紧急态监控层装置实时接收源控终端上送的实时数据、事件信息并转发至调度主站。同时，紧急态监控层装置可向源控终端召唤录波文件，并可响应调度主站召唤命令上传录波文件。

（6）紧急控制通信

智慧光伏电场数字孪生全景运行监测系统应具备在电网紧急情况下对光伏逆变器的毫秒级监视与控制功能。