数字化风电——数字孪生
◇◇◇◇这是千尧科技发布的第54篇文章◇◇◇◇
海上风电场的开发逐渐向深远海发展，通达条件的复杂性和环境的特殊性使得越来越多业主、制造商或EPC正在转向使用创新的数字工具来优化性能，解决设计和施工难题。在海上风电场数字化建设中，应用“数字孪生”提升海上风电发电量不是空谈。
数字孪生的发展
数字孪生工具（以下简称“数字孪生”）是一个技术体系，旨在为物理系统创造一个表达其所有知识的集合体或数字模型（也称为数字孪生体）。通过实时监测系统状态，动态更新数字模型，能够提升数字孪生体的诊断、评估与预测能力；同时在线优化实际系统的操作、运行与维护，减少结构设计冗余、避免频繁的周期性检修与维护并保证系统的安全性。风电场数字孪生是风场各设备的物理数据模型“双胞胎”，可用于协助实时监控海上风电项目。
美国加州西岸某漂浮式风电场项目首次采用数字孪生技术，该技术由挪威Aker Solutions公司提供，旨在研究应用数字孪生技术降低浮式海上风场的全生命周期成本。Aker Solutions已为许多行业建立数字孪生系统，如电力、公用事业、航运、石油和天然气以及制造业等。
该项目由挪威工程公司Aker Solutions和奥斯陆工业软件公司Cognite联合开发，并获得加州能源委员会的电力计划投资（EPIC）200万美元的支持。Aker Solutions和Cognite的NextWind实时状态监测平台将从主设备中获取有效数据，以制定实际项目的蓝图，生成数据和过滤分析，以在项目的整个生命周期内改善风场的建设、生产、运营和维护（O＆M）成本。
由EPIC支持的NextWind数字孪生研究项目将于今年6月开始，预计于2023年完成。
图1 NextWind效果图
数字孪生已帮助美国国家航空航天局（NASA）维持其设备在太空中的运行，智慧风场、数字双胞胎等概念已悄然掀起风电运营的革命。
数字孪生可视为一种物理资产的数字“镜像”， 包括风场设备和机械等，通过在各个模块布置传感器，收集海量实时数据并监测运行状态。再通过信号传输至云端，将信息以3D数字表现形式或原始数据的形式发送到用于分析和检查的层级。
应用数字孪生的真正的价值所在是项目开始收集数据，并对其进行处理的环节。虽然这不是一个新概念，但数字孪生在风能行业中的作用越来越大。
数字孪生的应用
数字孪生可以使项目工程师们的工作变得轻松、辅助解决复杂难题，利于节约项目成本，并可应用在风电场建设、运营等各个环节。
1风场全过程管理的协作
设计开发期——设计人员可以使用数字孪生模型模拟地质、海况进行深化和评估设计方案；可进行项目风险分析、运维成本评估、技术经济评价。
工程建设期——数字孪生模型可开展指导运维策略选择、运维装备配置、人员架构组织等海上风电场生产准备工作；帮助施工团队组织施工方案，精准地掌握现场环境。
运维期——可进行运维数据补充参考、智能出海运维安排、海上风电场后评估；检修工程师无需派遣人员诊断故障，而是可以远程分析和识别问题，仅在必要时派遣运维团队。通过设备中嵌入的传感器进行的实时监控有助于开发商避免昂贵的计划外建造、维护或修理。
在大数据中的支持下，设计、建造和运维人员将能够使用数字孪生模型将设备的理想化、工程化条件与实际项目的实际条件进行比较，不断调整和优化设计、建造和运营方式。
2新技术的应用
机器学习（ML）和人工智能（AI）也可以应用于识别模式，预测故障并突出肉眼可能会错过的重要变量。
具有AI和ML的数字孪生模型可以指导风机、基础、升压站、换流站，甚至海缆各模块的设计、安装和维护自动化，以实现高效率施工和运维。
将数字孪生与增强现实（AR），虚拟现实（VR）和混合现实（MR）结合使用，可以远程实现项目的管理。例如，与无人机、水下机器人（ROV）充分互动，在不同的位置看到对方、绘制、突出显示与故障相关的设备，并可视化机器如何一起运行。
机器学习可以识别模式，甚至在出现并发症时进行自我诊断，仅在需要关键人员注意时才对其发出警报。在这种环境中加强所谓的智力放大，应用技术来加快流程，使工程师可以使用更少的资源来加速决策。更深入的算法，可以经济有效地使用现有系统中的数据来经济评估、竞价发电。
3安全、培训的附加优势
数字孪生还可以为新工程师提供全面的培训，在数据中心建立知识库，帮助技术人员能力的学习。例如，数字孪生模型可以演示如何执行标准操作程序，如卸下涡轮叶片的一部分并准确安装替换件等。
多个受训者可以轻松地共同参加会议，甚至可以使用AR或VR交互式显示，降低技能难度，辅助初学者学习工作规程，并可根据高层反馈进行学习和决策。
4研发的基础
除了监视设备和机械带来的诸多好处外，数字孪生在研发方面也具有深远的优势。
从现有设备中收集的所有数据，都可以用于对未来的设计进行建模-改进流程，突出缺陷并解决过程中的低效率。这一切都需要大量数据，数字孪生的基础就是有效的数据。
数字孪生，这种在设备制造之前对机器进行准确建模的能力，有着巨大的节省成本的潜力，并且企业使用数字孪生双工技术的机会越多，随着投入使用时间的推移，需要处理的数据越来越多，数字孪生过滤、检查的功能愈发重要。
数字孪生技术在石油、天然气、汽车、生命科学和城市规划等许多行业中已得到了广泛的应用。在风能行业中，潜力巨大，有效地部署和集成是应用的关键。
图2 某数字孪生项目典型界面图
结语
千尧科技打造的“庄蝶”海上风电数字孪生系统，涵盖设计、EPCI、运维三大功能模块，旨在解决海上风电设计验证、优化改进、科学决策等关键问题，开发完成后，将实现海上风电，尤其是漂浮式风电的智能化、精细化发展，未来将具有良好的发展前景。
撰稿 | 千尧科技