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、檢修帶來不少壓力。智慧光伏電場數字孿生全景運行監測系統不僅能更清晰地展示含太陽能等新能源微電網的運維，還能夠降本增效，實現設備的智能監測。這樣，光伏電站無需技術人員每日巡視和維護，只需要在室內對設備的運營狀態進行網絡上的實時監控與故障檢測，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搭建，它通過統一信息的數據模型，構建協同的云平臺作為支撐。它是 BIM 技術、傳感器技術、通訊技術、仿真軟件技術的系統集成。利用智慧光伏電場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行系統學習與維護操作。對于城市的自然資源管理部門來說，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，實現對光伏資源的統一管理和環境可協調性分析。

智慧光伏電場數字孿生全景運行監測系統利用物聯網技術，通過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，以及環境情況進行實時監控，并對異常情況實時報警，保障電站安全運行，滿足電站運行人員日常操作及上級系統或調度的監控需求，同時采用大數據技術，對電站數據進行統計分析，監測電站數據指標的當前情況以及未來趨勢。

1.數字孿生系統架構

感知層：感知層主要包括物理實體中搭載先進物聯網技術的各類新型基礎設施。

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、保證交互實時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關鍵技術實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值體現，實現系統認知、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描述及呈現物理實體的狀態，它是實現數字孿生體其它高級和智能化功能的基礎。系統分析可實現數字孿生體的狀態監測功能，發揮對物理實體的早期預警作用。故障診斷，通過分析物理實體的運行狀態，了解現象背后的原因。預測推演，是利用仿真技術來預見物理實體未來的狀態演變，從而指導當前的運行決策。

應用層：應用層是面向各類場景的數字孿生體的最終價值體現，具體表現為不同行業的各種產品，能夠明顯推動各行各業的數字化轉型。

2.數字孿生系統的典型特征

等價映射：數字孿生體是對物理實體的等價描述，是對物理實體進行數字化而松建的模型數字孿生體的變化能夠真實反映現實世界中的物理實體的變化。數字孿生體能夠實現雙向映射、數據連接和狀態交互，起到“數化”、“保真”效果。

實時交互：基于實時傳感等多元數據的獲取，孿生體可全面、精準、動態反映物理對象的狀態變化，包括外觀、性能、位置、異常等。“實時”體現數字孿生體所處狀態是物理實體狀態的實時虛擬映射;“交互”體現數字孿生體與物理實體間存在數據及指令互動。

共生演進：“共生”體現在數字孿生體與物理實體同步構建，在全生面周期中相互依存，孿生體隨著孿生對象的生長而不斷演變。共智體現在三個層面: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。

預測優化：根據物理實體的各項真實數據，通過數字孿生體進行仿真，實現對物理實體未來狀態的預測，預先知曉未來狀態能夠輔助用戶做出更合理的決策。根據物理實體的實時運行狀態，通過數字孿生體進行監測，實現對系統不穩定狀態的預測，預先覺察即將可能發生的不穩定狀態，使用戶更從容地處理該問題。

建立數字孿生體的最終目的，是通過描述物理實體集合內在機理，分析規律、洞察趨勢，基于分析與仿真對物理世界形成優化指令或策略，實現對物理實體決策優化功能的閉壞。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

• 遠程實時在線監控，無需到現場查看狀況，提高維護效率，減少人員成本。

• 故障設備實時報警，及時有效發現異常，快速處理異常。

• 圖形化組態在線監控，對電站可視化實時監控。

• 大數據統計分析，掌握歷史發電數據，預測未來趨勢。

• 通過數據對比分析，輔助決策。

• 平臺化多用戶模式，可進行權限管理，總管理員對各供應商權限自由設置。

• 硬件產品標準化，結構簡潔，實施方便、穩定可靠。

• 數據接口開放，擴展靈活，方便工程師進行功能的二次開發。

• 支持多種標準電力通訊規約、工業自動化通訊規約，方便靈活地與第三方系統進行高效數據交互。

• 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）光伏發電場站全景展現

系統可按照1:1的比例，利用虛擬仿真技術構建高度逼真的光伏電站裝備三維模型。每一個光伏裝備均包括完整零部件和機械結構，每一個零部件均按照虛擬現實技術要求進行層次節點關系分類，按照實時交互要求，進行“屬性編輯”，即定義各個零部件的組織結構、層級關系 裝配關系。每一個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時驅動和交互控制的屬性。同時按照實際規則進行系統的命名、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。

在此基礎上實現的光伏電站運維虛擬仿真與數據可視化系統，可真實模擬光伏發電裝備的運維操作過程和電站動態工作流程，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提供一個高度逼真的三維可視化虛擬仿真環境和技術支撐平臺。

（2）光伏發電故障過程實時跟蹤

在電網發生故障時，智慧光伏電場數字孿生全景運行監測系統根據觸發條件計算規定的時間窗口內光伏發電由于脫網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穩控系統，用于電網緊急控制。

（3）光伏發電精益控制

光伏發電精益控制主要包括光伏發電場站發電信息精細化上送、精細化切機以及光伏電站功率快速調節：

光伏發電發電信息精細化上送：智慧光伏電場數字孿生全景運行監測系統實時監測場站內各發電單元及饋線的運行與可切狀態，通過光伏發電場站安全穩定控制層裝置匯總后上送至電網穩控系統，用于在電網故障時電網穩控系統對光伏發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，通過優化場站內部切機策略，以單個發電單元為最小執行單元，執行控制命令，避免直接切除線路或饋線導致的過電壓等次生問題。

光伏電站功率快速調節：光伏發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，通過向光伏逆變器發出功率調節指令，實現光伏電站功率的快速調節。

（4）可控資源監視

智慧光伏電場數字孿生全景運行監測系統應能夠滿足調度主站可控資源監視的功能要求，包括可控資源實時展示和事故追憶反演等。

智慧光伏電場數字孿生全景運行監測系統應具備通過響應數據召喚命令或主動上送的方式向調度主站上送新能源場站發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電場站當前并網機組數量、并網總功率、事故過程中脫網機組數量及脫網功率等，用于調度主站可控資源實時展示。

在電網發生故障時，光伏發電場站安全穩定控制層裝置應具有動態錄波功能，記錄光伏發電場站發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

智慧光伏電場數字孿生全景運行監測系統通過源控終端及緊急態監控層的振蕩監視子站裝置實現對發電單元的次/超同步振蕩監視。

源控終端對發電單元的三相電壓、三相電流進行高頻采樣并連續錄波，基于原始采樣數據進行次/超同步振蕩分析，并將分析結果和告警信息等實時上送至緊急態監控層裝置；緊急態監控層裝置實時接收源控終端上送的實時數據、事件信息并轉發至調度主站。同時，緊急態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

智慧光伏電場數字孿生全景運行監測系統應具備在電網緊急情況下對光伏逆變器的毫秒級監視與控制功能。