我國(guó)的光伏電站多數(shù)建在人煙稀少的沙漠地帶,且電站的規(guī)模較大，給日常的設(shè)備看守、巡查、檢修帶來不少壓力。智慧光伏電場(chǎng)數(shù)字孿生全景運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不僅能更清晰地展示含太陽能等新能源微電網(wǎng)的運(yùn)維，還能夠降本增效，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的智能監(jiān)測(cè)。這樣，光伏電站無需技術(shù)人員每日巡視和維護(hù)，只需要在室內(nèi)對(duì)設(shè)備的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)上的實(shí)時(shí)監(jiān)控與故障檢測(cè)，極大地節(jié)省了人力、物力的投入，大大降低了運(yùn)營(yíng)的成本與難度。

數(shù)字孿生光伏主站按照全生命周期的理念來搭建，它通過統(tǒng)一信息的數(shù)據(jù)模型，構(gòu)建協(xié)同的云平臺(tái)作為支撐。它是 BIM 技術(shù)、傳感器技術(shù)、通訊技術(shù)、仿真軟件技術(shù)的系統(tǒng)集成。利用智慧光伏電場(chǎng)數(shù)字孿生全景運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，再結(jié)合新興的AR、VR可穿戴設(shè)備，可以幫助運(yùn)維人員更加方便地進(jìn)行系統(tǒng)學(xué)習(xí)與維護(hù)操作。對(duì)于城市的自然資源管理部門來說，光伏電站的數(shù)字孿生可視化模型也可以集成到地理信息系統(tǒng)(GIS)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏資源的統(tǒng)一管理和環(huán)境可協(xié)調(diào)性分析。

智慧光伏電場(chǎng)數(shù)字孿生全景運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過部署傳感器對(duì)光伏電池陣列、匯流箱、低壓直流柜、逆變柜、交流低壓柜、升壓變壓器等設(shè)備，以及環(huán)境情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并對(duì)異常情況實(shí)時(shí)報(bào)警，保障電站安全運(yùn)行，滿足電站運(yùn)行人員日常操作及上級(jí)系統(tǒng)或調(diào)度的監(jiān)控需求，同時(shí)采用大數(shù)據(jù)技術(shù)，對(duì)電站數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，監(jiān)測(cè)電站數(shù)據(jù)指標(biāo)的當(dāng)前情況以及未來趨勢(shì)。

1.數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)

感知層：感知層主要包括物理實(shí)體中搭載先進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的各類新型基礎(chǔ)設(shè)施。

數(shù)據(jù)層：數(shù)據(jù)層主要包括保證運(yùn)算準(zhǔn)確性的高精度的數(shù)據(jù)采集、保證交互實(shí)時(shí)性的高速率數(shù)據(jù)傳輸、保證存取可靠性的全生命周期數(shù)據(jù)管理。

運(yùn)算層：運(yùn)算層是數(shù)字孿生體的核心，其充分借助各項(xiàng)先進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)下層數(shù)據(jù)的利用，以及對(duì)上層功能的支撐。

功能層：功能層是數(shù)字變生體的直接價(jià)值體現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)認(rèn)知、系統(tǒng)分析、故障診斷、預(yù)測(cè)推演功能，從而起到輔助決策作用。系統(tǒng)認(rèn)知，數(shù)字孿生體能夠真實(shí)描述及呈現(xiàn)物理實(shí)體的狀態(tài)，它是實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生體其它高級(jí)和智能化功能的基礎(chǔ)。系統(tǒng)分析可實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生體的狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能，發(fā)揮對(duì)物理實(shí)體的早期預(yù)警作用。故障診斷，通過分析物理實(shí)體的運(yùn)行狀態(tài)，了解現(xiàn)象背后的原因。預(yù)測(cè)推演，是利用仿真技術(shù)來預(yù)見物理實(shí)體未來的狀態(tài)演變，從而指導(dǎo)當(dāng)前的運(yùn)行決策。

應(yīng)用層：應(yīng)用層是面向各類場(chǎng)景的數(shù)字孿生體的最終價(jià)值體現(xiàn)，具體表現(xiàn)為不同行業(yè)的各種產(chǎn)品，能夠明顯推動(dòng)各行各業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

2.數(shù)字孿生系統(tǒng)的典型特征

等價(jià)映射：數(shù)字孿生體是對(duì)物理實(shí)體的等價(jià)描述，是對(duì)物理實(shí)體進(jìn)行數(shù)字化而松建的模型數(shù)字孿生體的變化能夠真實(shí)反映現(xiàn)實(shí)世界中的物理實(shí)體的變化。數(shù)字孿生體能夠?qū)崿F(xiàn)雙向映射、數(shù)據(jù)連接和狀態(tài)交互，起到“數(shù)化”、“保真”效果。

實(shí)時(shí)交互：基于實(shí)時(shí)傳感等多元數(shù)據(jù)的獲取，孿生體可全面、精準(zhǔn)、動(dòng)態(tài)反映物理對(duì)象的狀態(tài)變化，包括外觀、性能、位置、異常等?！皩?shí)時(shí)”體現(xiàn)數(shù)字孿生體所處狀態(tài)是物理實(shí)體狀態(tài)的實(shí)時(shí)虛擬映射;“交互”體現(xiàn)數(shù)字孿生體與物理實(shí)體間存在數(shù)據(jù)及指令互動(dòng)。

共生演進(jìn)：“共生”體現(xiàn)在數(shù)字孿生體與物理實(shí)體同步構(gòu)建，在全生面周期中相互依存，孿生體隨著孿生對(duì)象的生長(zhǎng)而不斷演變。共智體現(xiàn)在三個(gè)層面:孿生體與孿生對(duì)象間共享智慧(包括:數(shù)據(jù)、算法)、孿生體內(nèi)部各種孿生模型間共享智慧、不同生命周期階段的孿生體間共享智慧。

預(yù)測(cè)優(yōu)化：根據(jù)物理實(shí)體的各項(xiàng)真實(shí)數(shù)據(jù)，通過數(shù)字孿生體進(jìn)行仿真，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)體未來狀態(tài)的預(yù)測(cè)，預(yù)先知曉未來狀態(tài)能夠輔助用戶做出更合理的決策。根據(jù)物理實(shí)體的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，通過數(shù)字孿生體進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)不穩(wěn)定狀態(tài)的預(yù)測(cè)，預(yù)先覺察即將可能發(fā)生的不穩(wěn)定狀態(tài)，使用戶更從容地處理該問題。

建立數(shù)字孿生體的最終目的，是通過描述物理實(shí)體集合內(nèi)在機(jī)理，分析規(guī)律、洞察趨勢(shì)，基于分析與仿真對(duì)物理世界形成優(yōu)化指令或策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)體決策優(yōu)化功能的閉壞。根據(jù)數(shù)字孿生的典型特征，可以得出數(shù)字孿生的體系架構(gòu)。

3.系統(tǒng)特點(diǎn)

• 遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)在線監(jiān)控，無需到現(xiàn)場(chǎng)查看狀況，提高維護(hù)效率，減少人員成本。

• 故障設(shè)備實(shí)時(shí)報(bào)警，及時(shí)有效發(fā)現(xiàn)異常，快速處理異常。

• 圖形化組態(tài)在線監(jiān)控，對(duì)電站可視化實(shí)時(shí)監(jiān)控。

• 大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，掌握歷史發(fā)電數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)未來趨勢(shì)。

• 通過數(shù)據(jù)對(duì)比分析，輔助決策。

• 平臺(tái)化多用戶模式，可進(jìn)行權(quán)限管理，總管理員對(duì)各供應(yīng)商權(quán)限自由設(shè)置。

• 硬件產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，實(shí)施方便、穩(wěn)定可靠。

• 數(shù)據(jù)接口開放，擴(kuò)展靈活，方便工程師進(jìn)行功能的二次開發(fā)。

• 支持多種標(biāo)準(zhǔn)電力通訊規(guī)約、工業(yè)自動(dòng)化通訊規(guī)約，方便靈活地與第三方系統(tǒng)進(jìn)行高效數(shù)據(jù)交互。

• 監(jiān)控及分析軟件功能強(qiáng)勁、全面，可靠性高。

• 系統(tǒng)兼容性強(qiáng)，既支持戶用式電站的接入，也支持大型集中式電站的接入。

4.系統(tǒng)功能

（1）光伏發(fā)電場(chǎng)站全景展現(xiàn)

系統(tǒng)可按照1:1的比例，利用虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建高度逼真的光伏電站裝備三維模型。每一個(gè)光伏裝備均包括完整零部件和機(jī)械結(jié)構(gòu)，每一個(gè)零部件均按照虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)要求進(jìn)行層次節(jié)點(diǎn)關(guān)系分類，按照實(shí)時(shí)交互要求，進(jìn)行“屬性編輯”，即定義各個(gè)零部件的組織結(jié)構(gòu)、層級(jí)關(guān)系 裝配關(guān)系。每一個(gè)光伏模型均為可編輯、可交互、可編程控制的矢量模型，具備接受外部數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)和交互控制的屬性。同時(shí)按照實(shí)際規(guī)則進(jìn)行系統(tǒng)的命名、編號(hào)，為后期的系統(tǒng)展示、電站操作、運(yùn)維仿真和智能巡檢提供一套完整的、精確的、可交互的三維模型數(shù)據(jù)庫。

在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的光伏電站運(yùn)維虛擬仿真與數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)，可真實(shí)模擬光伏發(fā)電裝備的運(yùn)維操作過程和電站動(dòng)態(tài)工作流程，為光伏電站裝備與系統(tǒng)展示、運(yùn)維操作、智能巡檢、可視化管理等運(yùn)維任務(wù)提供一個(gè)高度逼真的三維可視化虛擬仿真環(huán)境和技術(shù)支撐平臺(tái)。

（2）光伏發(fā)電故障過程實(shí)時(shí)跟蹤

在電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，智慧光伏電場(chǎng)數(shù)字孿生全景運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)根據(jù)觸發(fā)條件計(jì)算規(guī)定的時(shí)間窗口內(nèi)光伏發(fā)電由于脫網(wǎng)導(dǎo)致的有功功率損失量，安全穩(wěn)定控制層裝置將此有功功率損失量上送至電網(wǎng)穩(wěn)控系統(tǒng)，用于電網(wǎng)緊急控制。

（3）光伏發(fā)電精益控制

光伏發(fā)電精益控制主要包括光伏發(fā)電場(chǎng)站發(fā)電信息精細(xì)化上送、精細(xì)化切機(jī)以及光伏電站功率快速調(diào)節(jié)：

光伏發(fā)電發(fā)電信息精細(xì)化上送：智慧光伏電場(chǎng)數(shù)字孿生全景運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)場(chǎng)站內(nèi)各發(fā)電單元及饋線的運(yùn)行與可切狀態(tài)，通過光伏發(fā)電場(chǎng)站安全穩(wěn)定控制層裝置匯總后上送至電網(wǎng)穩(wěn)控系統(tǒng)，用于在電網(wǎng)故障時(shí)電網(wǎng)穩(wěn)控系統(tǒng)對(duì)光伏發(fā)電緊急控制資源的分層、分區(qū)及公平調(diào)用。

精細(xì)化切機(jī)：智慧光伏電場(chǎng)數(shù)字孿生全景運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在接收到切機(jī)容量命令后，通過優(yōu)化場(chǎng)站內(nèi)部切機(jī)策略，以單個(gè)發(fā)電單元為最小執(zhí)行單元，執(zhí)行控制命令，避免直接切除線路或饋線導(dǎo)致的過電壓等次生問題。

光伏電站功率快速調(diào)節(jié)：光伏發(fā)電站的全景監(jiān)控系統(tǒng)在接收到功率調(diào)節(jié)（提升或回降）命令后，通過向光伏逆變器發(fā)出功率調(diào)節(jié)指令，實(shí)現(xiàn)光伏電站功率的快速調(diào)節(jié)。

（4）可控資源監(jiān)視

智慧光伏電場(chǎng)數(shù)字孿生全景運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)能夠滿足調(diào)度主站可控資源監(jiān)視的功能要求，包括可控資源實(shí)時(shí)展示和事故追憶反演等。

智慧光伏電場(chǎng)數(shù)字孿生全景運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)具備通過響應(yīng)數(shù)據(jù)召喚命令或主動(dòng)上送的方式向調(diào)度主站上送新能源場(chǎng)站發(fā)電單元以及系統(tǒng)運(yùn)行工況等信息的功能，信息內(nèi)容包括但不限于光伏發(fā)電場(chǎng)站當(dāng)前并網(wǎng)機(jī)組數(shù)量、并網(wǎng)總功率、事故過程中脫網(wǎng)機(jī)組數(shù)量及脫網(wǎng)功率等，用于調(diào)度主站可控資源實(shí)時(shí)展示。

在電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，光伏發(fā)電場(chǎng)站安全穩(wěn)定控制層裝置應(yīng)具有動(dòng)態(tài)錄波功能，記錄光伏發(fā)電場(chǎng)站發(fā)電單元在事故前后的運(yùn)行狀況，并可響應(yīng)調(diào)度主站召喚命令上送錄波文件。

（5）次/超同步振蕩監(jiān)視

智慧光伏電場(chǎng)數(shù)字孿生全景運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過源控終端及緊急態(tài)監(jiān)控層的振蕩監(jiān)視子站裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電單元的次/超同步振蕩監(jiān)視。

源控終端對(duì)發(fā)電單元的三相電壓、三相電流進(jìn)行高頻采樣并連續(xù)錄波，基于原始采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行次/超同步振蕩分析，并將分析結(jié)果和告警信息等實(shí)時(shí)上送至緊急態(tài)監(jiān)控層裝置；緊急態(tài)監(jiān)控層裝置實(shí)時(shí)接收源控終端上送的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、事件信息并轉(zhuǎn)發(fā)至調(diào)度主站。同時(shí)，緊急態(tài)監(jiān)控層裝置可向源控終端召喚錄波文件，并可響應(yīng)調(diào)度主站召喚命令上傳錄波文件。

（6）緊急控制通信

智慧光伏電場(chǎng)數(shù)字孿生全景運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)具備在電網(wǎng)緊急情況下對(duì)光伏逆變器的毫秒級(jí)監(jiān)視與控制功能。