🚀前言

在全球能源转型与可持续发展的背景下，风能作为清洁能源的重要组成部分，正越来越受到重视。随着风电装机容量的不断增加，如何高效、安全地运营与管理风电场，成为了行业面临的重要挑战。数字孪生技术的崛起，为风电行业的数字化运营与监管提供了全新的解决方案，使得实时监控与数据分析成为可能。

本期文章将围绕“数字孪生助力智慧风电数字化运营监管”的案例展开，深入探讨这一前沿技术在风电场管理中的应用。通过创建风电设备与运行状态的虚拟模型，数字孪生能够实现对风力发电机组的全面监测，提供实时数据分析和预测功能，有效提升设备的运行效率和维护管理水平。

🚀一、案例：数字孪生助力智慧风电数字化运营监管

🔎1.项目说明

该项目由分布在山区的各个风力发电机和用于风电设备监管与电能储备的风电场两部分组成。风能发电设备通常设立在地势崎岖、人口稀少的偏远地区，这带来了风电机组分布远、运维人员劳动强度大的挑战。项目通过SCADA系统汇聚并监管各个风机的运行数据及参数，实时监控设备的运行状态并自动预警。然而，SCADA系统存在信息量小、传输距离有限的问题，难以支撑精细化管理。此外，风电场的在线监测手段相对单一，无法实现远程巡检，也无法预判风机关键部件的健康状况。与此同时，风电场站各类监管系统种类繁多，各平台之间存在数据孤岛，导致风机缺陷和预警信息的实时性差，易产生误检。因此，打通数据壁垒、实现数据共享成为当务之急，推动风电行业与数字孪生技术深度融合，打造智慧风电管理中心显得尤为重要。

🔎2.行业背景

我国风电行业持续发展，并且国家不断对风电等可再生能源提出建设要求。在“十二五”时期，国家目标是风电并网装机容量达到1亿千瓦；到“十三五”时期，该目标提高到2.1亿千瓦；而在“十四五”规划中，国家明确目标是到2030年，风电和太阳能发电总装机容量需超过12亿千瓦。

在空间布局上，重点建设沙漠、戈壁、荒漠等地区的大型风电基地，同时稳步推进海上风电基地的建设。国家通过发布风力发电政策、条例和指导意见，进一步明确风电行业发展方向。比如，2018年国家能源局要求稳步推进风电项目建设，并规划年度新开工建设规模；2019年国家发改委发布《绿色产业指导目录》，明确风电设施建设的标准；而2020年，国家能源局进一步推动清洁能源利用，要求提升风电、光伏发电的比重。

🔎3.行业现状

随着“双碳”目标的提出，能源利用效率和碳排放的降低成为关键目标，风电行业逐渐成为可再生能源的重要组成部分。2022年我国新增风电装机量达到790万千瓦，占可再生能源新增装机的31%。然而，风电行业也面临一些挑战：

1. 数据监管难：风量不稳定，导致风电的发电量稳定性差，且难以对电力系统的运行提供足够的支撑。因此，风电设备的数据监测要求时效性更高。
2. 电能转化难：风力发电的电能转化效率较低，且存在电能损失难以追溯的问题，造成提升电能转化效能的难度。
3. 故障难预测：缺乏有效的预测机制，导致风电设备可能存在安全隐患，并且发生故障后难以及时处理。
4. 人效产出低：风电行业运维工作量大，任务分散，知识沉淀困难，导致人均产出低，运维成本高。
5. 数据分析难：风电场产生的数据繁杂且分散，且部分数据需要手工计算或存在缺失，造成数据分析和决策困难。

🔎4.数字孪生应用优势

数字孪生技术为风力发电场的运营和监管提供了全新的解决方案。通过对风力发电场及每一台风电设备的实时监测和数据分析，数字孪生可以实现对风机运行状态的精准捕捉，并利用大数据技术进行故障预测，及时发现问题，提高风电场的运行效率。此外，数字孪生技术还可优化风电场布局，提升发电能力。通过对风资源的定量分析，确定风机的最佳安装位置以提高风速和发电效率。

数字孪生还可以为运维团队提供有价值的决策支持，提升运维效率。通过对日常运营数据的分析，优化运维管理，确保风电场的长期稳定运行。

🔎5.项目需求

1. 全景展示
   该项目需要构建一个风电三维可视化全景展示图，具体要求包括：

   • 使用交互式地图展示电力系统的全景图；
   • 在地图上标注风电设备位置，并使用不同颜色表示设备运行状态；
   • 通过环形图、饼图等展示各设备的能效转化情况；
   • 使用颜色渐变表示不同设备的发电量情况；
   • 单击或悬停设备标记时，弹出信息框显示设备详细信息；
   • 提供趋势分析图表、时间轴和过滤器，以便回溯历史数据；
   • 提供地图缩放、平移和定位等交互功能。

2. 过程监控
   该项目需要对风电设备各项关键参数和指标进行实时监测，具体包括：

   • 监测风电设备的运行状态（启动、停机、故障、维护等）；
   • 实时监控温度、风速、功率输出等关键数据；
   • 通过数据分析和算法识别异常情况，如过温、振动过大、发电量异常等。

3. 诊断预测
   基于风机组的运行数据，项目需要实施多维度数据分析方案，进行核心元器件的故障诊断与预测。对于设备故障，系统应能提供及时的预警，并为运维人员提供建议，帮助实现故障的预防与及时修复。

🔎6.项目规划

1. 项目架构
   • 风电设备数据采集管理流程如图所示。风力发电设备的运行状态和发电量数据通过边缘网关采集并上传至“智慧风电数字化管理平台”。该平台用于风电发电机组的实时监控和故障诊断，并帮助风电企业进行风力发电效率评估及决策制定。
   • 平台提供多种前端应用选择，包括计算机端、手机App、其他移动终端和监管大屏等，以便用户使用。

2. 项目功能
   • 通过数字孪生技术和智慧风电数字化管理平台，构建风电数字孪生监管体系。项目规划了以下功能：
     • 数字风电全景图
     • 风机设备可视化监管
     • 风电场站可视化监管
     • 风机远程可视化控制
     • 风机故障可视化诊断
     • 风机故障可视化恢复
     • 场站人效可视化分析
     • 场站电效率可视化分析
     • 储能电站可视化监控
   • 通过采集汇聚风机运行数据、环境气象数据、电力监控数据和风场资产数据，利用数字孪生虚拟模型为各应用功能赋能。
   • 项目整体功能构成及业务逻辑如图所示。

🔎7.功能设计

🦋7.1 构建数字风电全景图

• 目标：数字风电全景图展示各风电设备的位置、运行状态、能耗转化情况和发电量情况，帮助企业更好地掌握电力系统的运行情况，控制电力质量，提高系统可靠性和安全性，实现节能减排。
• 技术：
  • 数字孪生技术：线上三维虚拟再现风电场景和设备。
  • GIS技术：收集、管理和分析电力系统的地理信息。
  • 物联网技术：实时监测电力系统的运行状态。
  • 大数据技术：分析电力系统的运行数据。
• 具体展示功能：
  • 电力全景地图：使用交互式地图展示电力系统的全景图，标注风电设备位置。
  • 设备标记：在地图上标注各风电设备位置，使用不同图标或符号表示设备类型。
  • 颜色表示状态：不同颜色表示设备运行状态（绿色为正常，黄色为异常，红色为故障）。
  • 能耗转化情况：使用环形图、饼图等展示各风电设备的能耗转化情况。
  • 发电量显示：通过颜色渐变表示设备发电量，颜色越深表示发电量越高。
  • 信息弹窗：单击或悬停设备标记时弹出信息框，显示设备详细信息（名称、型号、状态、能耗数据、实时发电量）。
  • 趋势分析：提供趋势分析图表（柱状图、折线图），展示设备历史发电量和能耗数据。
  • 时间轴和过滤器：提供时间轴和过滤器，用户可回溯历史数据，并按时间范围、设备类型筛选数据。
  • 可交互功能：提供地图缩放、平移、定位等交互功能，用户可在电力全景图上自由导航和浏览。

🦋7.2 风电设备可视化管理

该系统面向大型风力发电机的管理，采用数字孪生技术实现风电设备全生命周期的可视化管理，帮助客户降低成本、提升管理效率。用户可以通过线上平台实现对风电设备的全方位监控，进行数据查看与场景操作（放大、缩小、平移等）。系统的功能包括：

• 实时数据监测：实时监控风电设备的关键参数，如温度、风速、功率输出等，及时报警并提示异常情况。
• 运行状态监控：实时反馈风电设备的运行状态，如启动、停机、故障、维护等。
• 异常检测与预警：通过数据分析和算法，检测风电设备的异常，如过温、振动过大、发电量异常等，并及时发出预警通知，便于采取措施。

🦋7.3 风电设备报警可视化监管

该功能通过1:1还原风机的外部结构和主要部件，并对接物理传感器的实时数据，精确呈现设备的运行状态、环境、电量和性能等信息。功能如下：

• 异常检测与预警：通过对风机各个部件进行可视化监管，精准识别报警设备和位置，并利用多种分析方法（如时序分析法、频谱分析法等）推断报警的原因和时间，及时发出预警通知。
• 故障诊断与远程支持：系统提供故障诊断功能，帮助快速定位问题并提供远程支持，如远程查询设备状态、远程操作、设备控制等。

🦋7.4 风速与风向监测

数字孪生技术通过模拟风场的运行情况，并结合风速和风向预测，提供对风电机组的能量管理、电力交易、健康趋势分析和故障预警等支持。功能包括：

• 实时显示：以图表、曲线等形式实时显示风速和风向的变化。
• 数据记录与历史查询：长期存储风速和风向数据，便于用户查询分析。
• 统计图表生成：生成风速和风向的统计图表，如平均风速、最大风速、风向频率等。
• 报警和预警：当风速或风向超出设定范围时，自动触发报警或预警机制。

🦋7.5 风电储能电站可视化管理

通过可视化界面监测、控制和管理风电储能电站的运行状态。功能包括：

• 实时监测：监控风电储能电站的运行状态，如风速、功率输出、储能系统的充放电量等。
• 故障预警与诊断：快速诊断故障并发送报警信息，帮助快速解决问题。
• 运行数据记录：记录电站的运行数据，便于后续分析和报告。
• 预测与优化：结合实时数据和历史数据，优化发电效率和储能利用率。
• 数据展示：通过图表、曲线等方式展示电站的运行数据。
• 远程监控和控制：实现远程开关机、调整发电功率及储能系统的充放电策略。
• 设备管理：管理设备状态、维护计划、维修记录等。

🦋7.6 远程实景巡查

数字孪生应用使得用户能够在数字风电全景图中进行对风电机组、升压站、配电室的漫游巡检。功能包括：

• 第一人称视角与无人机视角：提供不同的视角进行巡检，第一人称视角带来沉浸式体验，无人机视角可从空中察看风电场全貌。
• 场景控制：支持放大、缩小、平移等操作，便于查看设备状态和监控效果。

🦋7.7 三维虚拟空间监管视频实时浏览

通过虚拟现实或增强现实技术，实时查看和监控三维空间特征的监管视频，提供更直观的监视体验。功能包括：

• 沉浸式体验：让用户仿佛身临其境，提供更真实的监视体验。
• 多维视角：用户可以自由选择观察位置和角度，实现全方位监控。
• 实时互动：与监管视频实时同步，支持缩放、旋转、标记等操作。
• 远程监控：通过网络实现远程查看和管理，随时了解监管区域的情况。

🦋7.8 告警数据三维空间联动

数字孪生技术应用于告警系统，能够通过三维场景联动，快速定位告警事件并查看监控视频，及时发现并解决问题，确保供电安全。功能包括：

• 多种告警信息联动：如周界告警、设备监测告警、消防告警等。
• 实时查看监控视频：通过点击报警点位，实时查看相关监控视频，辅助定位问题并采取措施。

🦋7.9 快速掌控应急资源

数字孪生技术在电力应急抢修中的应用，提供三维可视化管理，帮助进行实时抢修。功能包括：

• 应急资源整合：整合抢修队伍、设备、车辆等资源的部署信息。
• 跨系统调度：支持跨通信系统调度不同部门的资源，提高协作效率。
• 精准指挥与决策：实时监控和调度资源，辅助精准指挥与决策，提升应急响应效率。

🔎8.实施过程

🦋8.1 需求调研阶段

需求调研是实施过程中至关重要的第一步，主要通过以下几个步骤进行：

• 现场调研：首先到客户的风电发电场站进行调研，了解场站的整体物理空间结构、风电设备（电机）单体结构及其分布情况。
• 全面需求调研：根据客户的需求进行全面调研。调研方式包括与业务人员、外部相关单位、专题项等进行深入交流，收集原始需求。
• 平台功能转化：将调研得到的需求转化为平台功能设计、业务流程等内容，为后续的系统开发奠定基础。
• 需求报告输出与讨论：完成需求调研报告，并与项目经理、项目设计人员、测试人员等协同讨论，调整和完善需求。

🦋8.2 架构设计阶段

• 输入需求报告：以需求调研阶段的报告为基础，设计平台的架构。
• 技术方案设计：设计多个技术解决方案，充分考虑平台的稳定性、易用性、合理性和完善性，最终确定可行的实施方案。
• 评审：通过行业专家对技术方案进行评审，确保方案的可操作性和可靠性。

🦋8.3 业务流程设计阶段

• 业务流程分析：以风力发电、储电、巡检等实际业务流程为基础，进行详细规划。
• 流程设计：设计各业务在平台中所要固化的流程，并完成相关部分的设计文档。
• 评审：通过行业专家评审，确保业务流程设计的合理性和执行性。

🦋8.4 三维可视化建模

• 建模方式：采用无人机航拍和3D扫描建模结合的方式，对风电设备、电机的物理实体、风电场站、风能储电站等进行1:1的可视化建模。
• 建模内容：包括风电设备及其周围环境、相关设备等，提供直观的三维视图。

🦋8.5 数据接入

• 数据对接：通过API接口对接风电设备各项数据及相关业务系统的数据，将其与风电数字孪生体结合，实时展示各项数据、参数，进行预警监管等。
• 实时监控：实现数据实时展示，监控系统性能和运行状态。

🦋8.6 软件测试

• 测试阶段：在项目交付前进行全面的软件测试，确保平台的稳定性和性能。
• 测试内容：包括环境软件部署测试、数据库搭建测试、功能性测试等，以确保所有系统模块的正常运作。
• 最后准备：完成测试后为项目交付做好最后准备。

🦋8.7 项目交付

项目交付包含以下内容：

• 开发文档：提供完整的开发文档，包括系统架构、模块功能、接口定义等信息。文档应清晰且完整，帮助客户理解和使用系统。
• 测试文档：详细的测试文档，包括单元测试、集成测试和系统测试等，描述测试过程和预期结果。
• 操作手册：包括安装、部署、配置和常见操作的详细步骤。提供图文并茂的操作指导，帮助用户快速上手。
• 用户培训：如果需要，还可以组织用户培训会议，解答客户疑问，并提供技术支持。

🦋8.8 项目培训

针对不同层级的用户，提供线上、线下多种形式的培训，确保用户能够熟练使用系统。培训形式包括：

1. 线上培训：

   • 利用视频会议或在线平台进行培训，按用户层级分配培训内容和时间。
   • 提供预录制的培训视频和在线教程，方便学员随时回顾。

2. 线下培训：

   • 安排面对面的培训会议，可分为小组培训或个别培训，确保互动性和实用性。
   • 提供实际操作机会，确保学员能亲自操作系统。

3. 互动学习：

   • 设计实际操作练习和案例，鼓励学员通过动手解决问题。
   • 提供问答环节和讨论会，让学员互相交流经验。

4. 文档和教材：

   • 提供详细的操作手册、用户指南及培训材料，创建常见问题解答（FAQ）文档供学员参考。

5. 后续支持：

   • 提供技术支持和咨询服务，确保用户能够及时解决在使用过程中遇到的问题。
   • 定期举办系统更新的培训和研讨会，帮助学员了解系统的新特性和最佳实践。