对于光伏电站而言,数字孪生就是将物理世界真实存在的电站,在虚拟的数字世界搭建一套完整的镜像,并将实体电站与镜像出的虚拟电站建立关联。虚拟电站通过接收来自实体电站的数据而实时演化、为电站运维提供可视化赋能,可谓是光伏电站资产管理的“元宇宙”。
传统光伏电站监控及运维场景是基于电站本地的监控仪表盘,记录场站数据完成报表,当站内发生故障时,需要现场经验丰富的工程师通过数据的变化、不同数据之间的依赖关系等多维度分析后自主判断,定位具体问题设备并进行运维作业。对于大型电站,需要查找电站布局图确认设备位置,而布局图与实际安装位置之间存在差异是业内普遍问题,与真实空间位置的分离会导致运维效率降低。而电站运维人员的流动性和老电站标准资料的不完整性,又进一步加大了运维难度。
当现实中的电站映射到了数字世界中,电站运维人员将不再需要直面大量运行数据,而是通过可视化的虚拟电站远程监控全站运行状态。数据链路打通后,结合智能算法分析设备状态并同步到虚拟电站,虚拟电站接收状态分析结果,基于实际设备与虚拟设备的对应关系进行展示。运维人员通过页面内告警的触发直接定位实际设备位置及其对应的故障信息,运维完成后通过设备状态的变化即可完成闭环。
在此背景下,电站可视化的建模范围、场景以及技术方案可行性都是数字孪生技术应用的核心要素。为了实现实体电站到虚拟电站的精准映射关系及适配更多智能分析技术的应用,以远景智能EnOSTM光伏智能监控产品的设备分布模块(以下简称远景智能监控)为例,深入分析面临的难点挑战与解决方案。
远景智能监控基于卫星地图建立了二维光伏电站的数字孪生体,通过虚拟电站与实际地图上的地理位置精确匹配强化电站的可视化程度,辅助故障分析。主要解决了以下几个方面的难题:
· 电站信息获取·
在数字空间构建光伏电站的孪生体,要求建模能够高度还原电站内部结构和运行环境,对具体的设备分布位置进行精准复现。远景智能监控已实现从电站CAD设计图纸中自动提取组件、设备、区域三大电站核心要素的GIS信息,同时针对设计图纸与现场施工差异性问题支持快速调整。
其中,组件信息包括全站光伏组件的安装位置及连接线路,通过组串线建立组件之间的连接关系,还原真实电站中组串的概念,解决实际监控和运维场景中通常以组串级为单位而不是直接定位单个组件的问题。
对于设备信息,定义了逆变器、汇流箱、箱变、气象站等多种设备类型,涵盖典型光伏电站的所有核心设备,自动提取设备单元位置信息的同时,基于设备命名规范、所属图层等多个维度进行设备类型的自动映射,直接建立与数字化系统中设备对象的对应关系,实现从“在哪里”到“是什么”的智能化信息提取。
区域信息主要包含环境区域和设备区域两部分。环境区域即为光伏电站真实的地理位置分区,基于图纸所绘电站结构和边界信息进行提取,结合背景地图的缩放能力,清晰展示电站整体空间布局并支持较大范围内的相对位置洞察;此外,电站往往会根据建设时间做分期管理或是从职能上对运维责任做进一步划分,远景智能监控可通过设备定义区域并同步到虚拟电站中,实现超越真实电站地理分布的场景表达能力。
最后,标准化信息获取结果,通过ID匹配与数字系统建立关联,基于系统中预置的设备图元、组件图形等元素,快速建立起可视化的数字孪生模型,还原电站的物理构成。
· 设备拓扑关系建立·
光伏电站各设备单元之间的线路结构同样属于电站关键组成信息,是数据链路打通的必要条件。设备拓扑主要包括组件与设备、设备与设备之间的拓扑关系两部分。
远景智能监控通过分析组串线和组串接入设备之间的关联关系进行自动识别,基于组串线与组件的连接状态实现组件与设备之间的关联,同时提供可导出编辑的文件支持映射结果检查及手动调整。
· 显示性能提升·
高度智能化的电站数字孪生模型集成了海量分析数据,尤其对于大型电站而言,其本身完整的页面展示就需要大量的数据与图形加载,资源消耗极大。因此,想要真正意义上应用到日常运维管理中,就必须保证页面显示的流畅性与数据更新的及时性。
远景智能监控根据用户选择的设备类型动态展示符合条件的设备,动态渲染设备间的连接线,在不同的缩放等级地图支持动态展示相应类型的设备,避免因大量设备同时渲染产生的页面性能问题。
同时,对场站划分多个物理分区,采用并行请求数据的模式,避免一次请求量大出现的超时问题。根据请求结果组装渲染所需的设备树,更新设备状态,动态挂载可视范围内的组串信息,有效提升了前端页面的性能,支持高容量、多设备电站的实时监控及状态更新。
物理分区处理示例
Ø 采取CAD图纸提取的模式,保证信息准确性。同时由于设计图纸作为电站建设的必要材料广泛保存于项目资料中,避免了由于信息不足导致的模型难以创建,降低门槛;
Ø 从图纸提取、标准化处理到虚拟电站创建,通过经验累积与先进技术应用开发了一系列自动化能力,同时二维平面地图的技术方案省去了设备形状等复杂信息的收集与高难度建模,极大简化操作,实现了快速、低要求、低成本配置;
Ø 多图层提取、建模的模式使得设备图层切换、设备筛选变得可行且容易,方便监屏人员的筛选操作。
Ø 构建的数字孪生体不仅最大程度上还原了电站的物理构成,而且从管理体系、接线模式等多角度提供了更加细致的维度划分与拓扑关联,包含了极为丰富的信息;
Ø 经历多个大型项目验证,持续优化提升性能,使用效果得到保证。
随着技术的不断发展,基于数字孪生的虚拟光伏电站后续会持续吸收和结合先进技术并不断升级,进一步衍生出更多的应用模式和更高阶的“思考能力”,如组件红外图像分析结果的标定、组件积灰程度的可视化展现等等。在不久的将来,在光伏电站数字孪生的“元宇宙”中,光伏电站远程监控、分析和运维模式将实现最大程度的一体化,运维管理效率将得到大幅提升。
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