我國的光伏電站多數建在人煙稀少的沙漠地帶,且電站的規模較大，給日常的設備看守、巡查、檢修帶來(lái)不少壓力。智慧光伏電場(chǎng)數字孿生全景運行監測系統不僅能更清晰地展示含太陽(yáng)能等新能源微電網(wǎng)的運維，還能夠降本增效，實(shí)現設備的智能監測。這樣，光伏電站無(wú)需技術(shù)人員每日巡視和維護，只需要在室內對設備的運營(yíng)狀態(tài)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )上的實(shí)時(shí)監控與故障檢測，極大地節省了人力、物力的投入，大大降低了運營(yíng)的成本與難度。
數字孿生光伏主站按照全生命周期的理念來(lái)搭建，它通過(guò)統一信息的數據模型，構建協(xié)同的云平臺作為支撐。它是 BIM 技術(shù)、傳感器技術(shù)、通訊技術(shù)、仿真軟件技術(shù)的系統集成。利用智慧光伏電場(chǎng)數字孿生全景運行監測系統，再結合新興的AR、VR可穿戴設備，可以幫助運維人員更加方便地進(jìn)行系統學(xué)習與維護操作。對于城市的自然資源管理部門(mén)來(lái)說(shuō)，光伏電站的數字孿生可視化模型也可以集成到地理信息系統(GIS)中，實(shí)現對光伏資源的統一管理和環(huán)境可協(xié)調性分析。
智慧光伏電場(chǎng)數字孿生全景運行監測系統利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過(guò)部署傳感器對光伏電池陣列、匯流箱、低壓直流柜、逆變柜、交流低壓柜、升壓變壓器等設備，以及環(huán)境情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監控，并對異常情況實(shí)時(shí)報警，保障電站安全運行，滿(mǎn)足電站運行人員日常操作及上級系統或調度的監控需求，同時(shí)采用大數據技術(shù)，對電站數據進(jìn)行統計分析，監測電站數據指標的當前情況以及未來(lái)趨勢。
1.數字孿生系統架構
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(lèi)新型基礎設施。
數據層：數據層主要包括保證運算準確性的高精度的數據采集、保證交互實(shí)時(shí)性的高速率數據傳輸、保證存取可靠性的全生命周期數據管理。
運算層：運算層是數字孿生體的核心，其充分借助各項先進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現對下層數據的利用，以及對上層功能的支撐。
功能層：功能層是數字變生體的直接價(jià)值體現，實(shí)現系統認知、系統分析、故障診斷、預測推演功能，從而起到輔助決策作用。系統認知，數字孿生體能夠真實(shí)描述及呈現物理實(shí)體的狀態(tài)，它是實(shí)現數字孿生體其它高級和智能化功能的基礎。系統分析可實(shí)現數字孿生體的狀態(tài)監測功能，發(fā)揮對物理實(shí)體的早期預警作用。故障診斷，通過(guò)分析物理實(shí)體的運行狀態(tài)，了解現象背后的原因。預測推演，是利用仿真技術(shù)來(lái)預見(jiàn)物理實(shí)體未來(lái)的狀態(tài)演變，從而指導當前的運行決策。
應用層：應用層是面向各類(lèi)場(chǎng)景的數字孿生體的最終價(jià)值體現，具體表現為不同行業(yè)的各種產(chǎn)品，能夠明顯推動(dòng)各行各業(yè)的數字化轉型。
2.數字孿生系統的典型特征
等價(jià)映射：數字孿生體是對物理實(shí)體的等價(jià)描述，是對物理實(shí)體進(jìn)行數字化而松建的模型數字孿生體的變化能夠真實(shí)反映現實(shí)世界中的物理實(shí)體的變化。數字孿生體能夠實(shí)現雙向映射、數據連接和狀態(tài)交互，起到“數化”、“保真”效果。
實(shí)時(shí)交互：基于實(shí)時(shí)傳感等多元數據的獲取，孿生體可全面、精準、動(dòng)態(tài)反映物理對象的狀態(tài)變化，包括外觀(guān)、性能、位置、異常等?！皩?shí)時(shí)”體現數字孿生體所處狀態(tài)是物理實(shí)體狀態(tài)的實(shí)時(shí)虛擬映射;“交互”體現數字孿生體與物理實(shí)體間存在數據及指令互動(dòng)。
共生演進(jìn)：“共生”體現在數字孿生體與物理實(shí)體同步構建，在全生面周期中相互依存，孿生體隨著(zhù)孿生對象的生長(cháng)而不斷演變。共智體現在三個(gè)層面:孿生體與孿生對象間共享智慧(包括:數據、算法)、孿生體內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。
預測優(yōu)化：根據物理實(shí)體的各項真實(shí)數據，通過(guò)數字孿生體進(jìn)行仿真，實(shí)現對物理實(shí)體未來(lái)狀態(tài)的預測，預先知曉未來(lái)狀態(tài)能夠輔助用戶(hù)做出更合理的決策。根據物理實(shí)體的實(shí)時(shí)運行狀態(tài)，通過(guò)數字孿生體進(jìn)行監測，實(shí)現對系統不穩定狀態(tài)的預測，預先覺(jué)察即將可能發(fā)生的不穩定狀態(tài)，使用戶(hù)更從容地處理該問(wèn)題。
建立數字孿生體的最終目的，是通過(guò)描述物理實(shí)體集合內在機理，分析規律、洞察趨勢，基于分析與仿真對物理世界形成優(yōu)化指令或策略，實(shí)現對物理實(shí)體決策優(yōu)化功能的閉壞。根據數字孿生的典型特征，可以得出數字孿生的體系架構。
3.系統特點(diǎn)
遠程實(shí)時(shí)在線(xiàn)監控，無(wú)需到現場(chǎng)查看狀況，提高維護效率，減少人員成本。
故障設備實(shí)時(shí)報警，及時(shí)有效發(fā)現異常，快速處理異常。
圖形化組態(tài)在線(xiàn)監控，對電站可視化實(shí)時(shí)監控。
大數據統計分析，掌握歷史發(fā)電數據，預測未來(lái)趨勢。
通過(guò)數據對比分析，輔助決策。
平臺化多用戶(hù)模式，可進(jìn)行權限管理，總管理員對各供應商權限自由設置。
硬件產(chǎn)品標準化，結構簡(jiǎn)潔，實(shí)施方便、穩定可靠。
數據接口開(kāi)放，擴展靈活，方便工程師進(jìn)行功能的二次開(kāi)發(fā)。
支持多種標準電力通訊規約、工業(yè)自動(dòng)化通訊規約，方便靈活地與第三方系統進(jìn)行高效數據交互。
監控及分析軟件功能強勁、全面，可靠性高。
系統兼容性強，既支持戶(hù)用式電站的接入，也支持大型集中式電站的接入。
4.系統功能
（1）光伏發(fā)電場(chǎng)站全景展現
系統可按照1:1的比例，利用虛擬仿真技術(shù)構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械結構，每一個(gè)零部件均按照虛擬現實(shí)技術(shù)要求進(jìn)行層次節點(diǎn)關(guān)系分類(lèi)，按照實(shí)時(shí)交互要求，進(jìn)行“屬性編輯”，即定義各個(gè)零部件的組織結構、層級關(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，具備接受外部數據實(shí)時(shí)驅動(dòng)和交互控制的屬性。同時(shí)按照實(shí)際規則進(jìn)行系統的命名、編號，為后期的系統展示、電站操作、運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據庫。
在此基礎上實(shí)現的光伏電站運維虛擬仿真與數據可視化系統，可真實(shí)模擬光伏發(fā)電裝備的運維操作過(guò)程和電站動(dòng)態(tài)工作流程，為光伏電站裝備與系統展示、運維操作、智能巡檢、可視化管理等運維任務(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。
（2）光伏發(fā)電故障過(guò)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)數字孿生全景運行監測系統根據觸發(fā)條件計算規定的時(shí)間窗口內光伏發(fā)電由于脫網(wǎng)導致的有功功率損失量，安全穩定控制層裝置將此有功功率損失量上送至電網(wǎng)穩控系統，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)電信息精細化上送、精細化切機以及光伏電站功率快速調節：
光伏發(fā)電發(fā)電信息精細化上送：智慧光伏電場(chǎng)數字孿生全景運行監測系統實(shí)時(shí)監測場(chǎng)站內各發(fā)電單元及饋線(xiàn)的運行與可切狀態(tài)，通過(guò)光伏發(fā)電場(chǎng)站安全穩定控制層裝置匯總后上送至電網(wǎng)穩控系統，用于在電網(wǎng)故障時(shí)電網(wǎng)穩控系統對光伏發(fā)電緊急控制資源的分層、分區及公平調用。
精細化切機：智慧光伏電場(chǎng)數字孿生全景運行監測系統在接收到切機容量命令后，通過(guò)優(yōu)化場(chǎng)站內部切機策略，以單個(gè)發(fā)電單元為最小執行單元，執行控制命令，避免直接切除線(xiàn)路或饋線(xiàn)導致的過(guò)電壓等次生問(wèn)題。
光伏電站功率快速調節：光伏發(fā)電站的全景監控系統在接收到功率調節（提升或回降）命令后，通過(guò)向光伏逆變器發(fā)出功率調節指令，實(shí)現光伏電站功率的快速調節。
（4）可控資源監視
智慧光伏電場(chǎng)數字孿生全景運行監測系統應能夠滿(mǎn)足調度主站可控資源監視的功能要求，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)數字孿生全景運行監測系統應具備通過(guò)響應數據召喚命令或主動(dòng)上送的方式向調度主站上送新能源場(chǎng)站發(fā)電單元以及系統運行工況等信息的功能，信息內容包括但不限于光伏發(fā)電場(chǎng)站當前并網(wǎng)機組數量、并網(wǎng)總功率、事故過(guò)程中脫網(wǎng)機組數量及脫網(wǎng)功率等，用于調度主站可控資源實(shí)時(shí)展示。
在電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，光伏發(fā)電場(chǎng)站安全穩定控制層裝置應具有動(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行狀況，并可響應調度主站召喚命令上送錄波文件。
（5）次/超同步振蕩監視
智慧光伏電場(chǎng)數字孿生全景運行監測系統通過(guò)源控終端及緊急態(tài)監控層的振蕩監視子站裝置實(shí)現對發(fā)電單元的次/超同步振蕩監視。
源控終端對發(fā)電單元的三相電壓、三相電流進(jìn)行高頻采樣并連續錄波，基于原始采樣數據進(jìn)行次/超同步振蕩分析，并將分析結果和告警信息等實(shí)時(shí)上送至緊急態(tài)監控層裝置；緊急態(tài)監控層裝置實(shí)時(shí)接收源控終端上送的實(shí)時(shí)數據、事件信息并轉發(fā)至調度主站。同時(shí)，緊急態(tài)監控層裝置可向源控終端召喚錄波文件，并可響應調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)數字孿生全景運行監測系統應具備在電網(wǎng)緊急情況下對光伏逆變器的毫秒級監視與控制功能。
