光伏电站的数字化双胞胎

全球最具权威的IT研究与顾问咨询公司Gartner曾预测，到2021年，全球50％的大型工业公司将使用数字双胞胎（Digital Twin），尤其是制造业和工程行业的公司，如果想要在竞争中保持领先地位，就需要考虑实施数字双胞胎。

 

一.什么是数字双胞胎呢？

数字双胞胎（Digital Twin）也被翻译成数字孪生，维基百科对其的解释为“Digital twin refers to computerized companions of physical assets that can be used for various purposes.A digital twin uses data from sensors installed on physical objects to represent their near real-time status，working condition or position.”翻译为“数字双胞胎是指对物理资产(对象)的数字化映射并且可用于各种目的。数字双胞胎使用安装在物理对象上的传感数据来表示它们的接近实时状态、工作状态或位置。”

 

二.数字双胞胎对传统企业有什么价值？

在这个数字化时代，对企业来说，在最基本的层面上，数字双胞胎使组织能够在他们所参与的环境或物联网生态系统的环境中，对其系统的运行进行可视化和洞察。从传感器收集的数据，结合分析软件工具，人工智能等技术使企业能够在问题成为问题之前进行反复试验和解决。

 

数字双胞胎有两个重要模型，一是实体的 物理模型 ，二是 虚拟模型 。虚拟模型是在计算机中，利用数学、统计、图形、逻辑规则等不同方式进行仿真得到的模型，并与物理模型之间通过通讯、感知，紧密地结合起来。因此，在Digital Twin里虚拟模型起到非常重要的作用。

数字胞胎的发展有四个层次，也体现了虚拟模型在Digital Twin中的作用。

第一层次是模型映射，即建立物理对象的虚拟映射；

第二层次是监控与操作，即在虚拟模型中反映物理对象的变化；

第三层次是诊断，即发生异常时寻找根本原因；

第四层次是预测，即预测潜在风险，合理规划设备的维护以及生产计划。

这四个层次应用的背后体现的是仿真的精度与效率，数字双胞胎层次越高，对其要求也就越高。

 

三.光伏电站的数字双胞胎

对于光伏行业来说，光伏电站是利用太阳光能、结合晶硅板、逆变器等光伏设备组成，与电网相连并向电网输送电力的光伏发电系统。也是一种“生产电量”的物理装置。

我们以某个光伏软件，如Archelios，为例，，可以构建光伏电站的数字化双胞胎体系。

首先，光伏电站也是一种工业建筑，在前期工程设计阶段，需要对整个电站做3D建模设计。

我们以建筑行业BIM理念为导向，采用SKetchup作为3D建模工具，实现对光伏电站的物理信息的模型搭建，通过定位的地理信息，结合archelios pro的3D控件，可以建立其气象数据:光照度，辐照度，反照率。以及根据I(V)曲线对光伏模板和阵列建模，精确计算附近阴影，进行可视化模拟以确立组件布置方案。并可以自动创建布线模型。

 

这样一来，我们就可以得到一个结合物理信息和电气特性的光伏电站模型。注意，这里只是作为设计的数字化模型。

在前期设计阶段，也可以基于这个3D模型通过archelios pro设计软件进行详细的组件/逆变器选型设计，以及进行发电产量计算，自消耗计算与经济效益分析。

根据前期选型设计和产量计算指导，进行光伏电站的施工建设和安装后，依照建成后的电站装置信息，对设计模型进行更新数据。就得到了真实完整的 虚拟映射 模型。

下一步则是通过数据采集器等检测传感器件和控制机构的部署，将采集到的光伏电站运行状态，环境数据等通过网络传输到云平台上。通过archelios O&M与之前所创建的虚拟3D模型结合，实现 可视化，实时动态的监控 。除了实现数据看板，报警提醒，缺陷检测功能外，还可以基于专家知识库甚至机器学习等AI技术进行系统的 诊断分析 ，基于实时环境数据对发电产量的 预测 。

可能有人看到这里会说，这不就是画个3D模型加上光伏电站监控系统吗？其实不然，这里主张使用的是一种全生命周期，统一信息的数据模型，并且需要可以方便交互，构建流程协同的云平台作为支撑。它其实是BIM理念和传感器，通讯技术，仿真软件的系统化集成。利用此光伏电站数字双胞胎，再结合新兴的AR/VR可穿戴设备和技术可帮助运维人员更方便的进行学习和维护操作；对于城市的自然资源管理部门来说，也可以集成到GIS（地理信息系统）中，实现对光伏电站的统一管理和环境资源可协调性分析和配合。

 

尾言

在智能制造领域，诸如西门子，GE，达索等工业巨头在构建工业互联网平台，已经有了数字化工厂，数字化飞机等数字化双胞胎的实施方案和成果案例。

在建筑工程领域，autodesk,bentley这些软件厂商也在积极布道BIM应用，大力向前推动数字化建造，智慧城市的发展脚步。

那么在光伏领域，可以制造绿色电能的太阳能发电系统装置。我相信，将BIM技术和物联网云平台相结合，能诞生你们想要的光伏电站数字双胞胎。

作者：秦凯，技术工程师，上海，逸莱轲软件贸易（上海）有限公司