关于阿里云:快速开发光伏电站数字孪生运维系统实践类

我的项目背景

在碳达峰和碳中和的大背景下，寰球各个国家对可继续能源的器重，光伏发电以其散布广发、装置灵便、清洁可继续等长处，曾经成为次要的新能源生产方式之一。光伏电站一旦建设实现投入生产，就会进入长达 20 年以上的运维阶段，因而高效便捷的运维形式对于进步运维效率、升高运维过程中老本和危险就变得极为重要。

数字孪生技术通过各类传感器及联网设施，能够实时感知光伏电站的各项运行状态，通过教训规定及数据智能（大数据分析）形式及时检测出设施异样，第一工夫告诉运维人员进行故障解决以升高更大故障的产生，进步电站的发电效率，进而晋升电站整体收益。3D 全场景模型利用往往能够晋升大屏监控的效率及汇报展现的成果，因而 3D 利用零碎经常会作为数字孪生零碎的重要组成，与实时的外围数据联动，以清晰易懂的模式展现在 3D 模型上，帮忙客户更好了解以后零碎的运行状态。

在开发光伏电站数字孪生零碎过程中，须要波及物联网、孪生模型构建、实时数据计算、数据智能、3D 模型渲染及数据联动等多项简单的工作，阿里云物联网平台及其 IoT 孪生引擎增值服务提供了开发数字孪生零碎的多种外围性能，利用这些性能开发者可疾速构建出合乎本身业务个性的数字孪生零碎。本文重点介绍如何从零开始构建出光伏电站数字孪生零碎的具体步骤。

次要流程

筹备阶段

梳理业务流程

所有的数字化零碎都是为了特定业务目标而开发的，因而零碎全面地梳理整个业务零碎的运行流程、零碎形成及特定规定等是构建数字孪生零碎的外围根底。在此案例中，咱们整顿的业务架构图如下（发电阵列架构组成都一样，图上 B 区发电阵列省略了 PV 与组件）：

整个光伏电站由四大局部组成：
1. 光伏发电零碎：由两个发电阵列（A 和 B）及气象仪组成，次要将光能转化成电能，是整个运维系统监控的外围。发电阵列是一个逻辑治理单元，是由上面多个逆变器组合而成，每个逆变器下又由多个 PV 组串形成，每个 PV 组串上面连贯多个光伏组件；气象仪提供实时气象测量数据，辅助判断以后发电效率是否失常。
2. 电器自用：光伏发电零碎发的电首先给该团体外部的各种工厂设施及商用电器应用，优先保障电力的自力更生，这外面次要关怀每天、每月及年度的电力使用量，取计量电表的数据。
3. 电力储能站：光伏发电零碎发的电如果自用有亏损，白天的时候能够将多余电力存入储能站，以便早晨无奈发电时由储能站向自用的电器设备供电。储能站电表和多个主控组成，每个主控下又由多个电池堆组成，为了简化零碎阐明，咱们只关注储能站的电表数据。
4. 余电并网：光伏发电零碎供应电器自用及储能站之后，如果还有亏损，则能够通过并网柜将多余的电量输送到电网中售卖以取得额定支出，为了简化零碎阐明，咱们只关注余电并网中电表数据，以理解某个时间段内售卖给电网的电量。

确定零碎指标

在光伏电站数字孪生运维零碎建设实现之后，会通过实时采集各个设施上传的数据，并通过对历史数据比对、横向设施数据比对、数据实时计算、数据智能剖析等形式，能够向客户提供：
1. 零碎状态实时感知，这是最根底的能力。如组件级、组串级、逆变器级、阵列级、电站级的实时发电量，通过实时计算获取到当日、当月及年度累计发电量；团体内电量的应用状况、储能站的充放电及输出到并网零碎中的电量等。
2. 发电零碎异样及时感知及解决，以缩短故障解决工夫，进步整个零碎的发电效率。如逆变器过压过流异样、光伏组件的发电效率异样等，这里除了惯例的教训规定阈值办法，还能够通过深度学习算法对历史数据进行训练学习，生成光伏发电畛域的智能算法模型，通过对采集的数据进行智能剖析来判断异样状态，如 I - V 曲线算法。
3. 月度发电量预测，便于依据预测的发电量对用电进行正当布局。这个能够通过天气预报数据、历史发电数据、以后发电零碎的状态等多维度数据，应用智能算法进行预测。

为了简化阐明，本文只针对零碎状态实时感知异样感知进行演示，以此作为整个零碎建设实现后的指标。包含：
1. 零碎状态的实时数据通过 3D 模型中点击特定区域展现进去，包含：

• PV 组串：实时电流、实时电压、实时功率（实时计算而来）等时序数据，也包含厂商、型号、倾角、方位角等固定的静态数据。
• 逆变器：装置区域（静态数据）、型号（静态数据）、版本（静态数据）、实时电压（实时计算获取，各 PV 组串累加）、实时电流（实时计算获取，上司 PV 的最大电流值）、实时功率（实时计算获取，实时电压 实时电流）、交换电压（U、V、W）、交换电流（U、V、W）、交换功率（U、V、W，实时计算获取，实时电压 实时电流）、IGBT 内芯温度（时序数据）、当天发电量（实时计算，累加）、当月发电量（实时计算，累加）、年度发电量（实时计算，累加）。
• 发电阵列及发电零碎：当日、当月及年度累计发电量，这些都是通过上司的逆变器数据实时计算获取。
• 团体自用电表 / 储能站电表 / 余电并网电表 / 气象仪：为了简化阐明，全副采纳静态数据，理论构建零碎时须要获取实时数据。

2. 零碎异样剖析采纳简略的规定形式，对以下两种状况进行告警，并在 3D 模型上实时提醒：

• 逆变器 IGBT 温度过高，当温度大于 120°时进行告警，并提醒运维人员解决倡议：1. 查看装置地位是否符合要求。2. 尝试升高四周环境温度。3. 敞开逆变器 5 分钟后重新启动。
• 逆变器直流过压，当电流超过 16A 时进行告警，并提醒运维人员解决倡议：查看光伏组串的串联配置是否过多，导致开路电压高于逆变器最大输出电压。若属此状况，尝试缩小组串的数量，使组串开路电压降至逆变器规格范畴以内。

须要留神的是，零碎告警后除了在 3D 模型上进行展现揭示外，往往还会通过电话、短信或邮件等形式告诉到运维人员进行及时处理，对于告诉能力的集成能够通过物联网平台的事件响应服务（服务链接：https://help.aliyun.com/docum…）实现。

整顿各设施物模型

业务流程梳理实现，并且确定好了零碎指标，接下来须要对相干的设施进行物模型的定义，即每个设施的动态属性（属性值不会变动，如厂商、型号等）有哪些，会实时上报哪些数据及上报频率（这些为时序属性），还有哪些数据（这些数据成为虚构属性）是通过上报的数据进行实时计算获取到的，如果是通过实时计算，计算的规定是什么等等。本文中为了简化开发，咱们仅对光伏组件、逆变器、发电阵列、电站气象仪、光伏发电站 5 个局部进行物模型的梳理阐明，详情信息如下所示：

光伏组件

逆变器

发电阵列

电站气象仪

光伏发电站

制作 3D 模型

整个光伏电站的实时状态展现及告警展现咱们应用 IoT 孪生引擎的场景编辑器进行开发，须要依据电站的理论状况进行 3D 模型的制作，制作实现之后生成 GLB 或 GLTF 格局的文件导入到 IoT 孪生引擎中应用。咱们筹备的 3D 模型如下所示：

筹备好 3D 模型后，咱们就能够进入理论的零碎开发阶段了。

开发阶段

基本概念

孪生空间整体的开发步骤，大抵分成四步：创立孪生空间、构建孪生体、配置数据源、治理孪生场景。

上面是后续操作会波及到孪生引擎的一些外围概念。

前置筹备

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创立孪生空间

创立孪生空间

在空间治理页面，点击“创立空间”按钮，输出空间名称，空间形容、空间坐标创立孪生空间，该空间蕴含孪生体、数据源及孪生场景，一个孪生空间可对应一个理论的我的项目。

构建孪生节点

在“孪生实体图”页面，点击“编辑孪生体”进行孪生体编辑器，通过右键“新建节点”或拖拽左上角孪生节点来增加新节点，用于构建孪生体节点关系构造。构建实现的孪生体用于形容客户的业务模型，后续数据源配置，孪生场景的搭建都是基于该孪生体模型进行。其中的节点能够和实在设施绝对应，也能够是逻辑业务节点，咱们依照在筹备阶段梳理的业务流程创立对应的孪生节点。

添加物模型

咱们依照筹备阶段整顿的各个设施物模型（光伏组件、逆变器、发电阵列、电站气象仪、光伏发电站），在对应的孪生节点上顺次增加，如下图所示。

咱们具体以逆变器_A1 节点的实时发电量为例，依照以下形式创立属性，留神属性标识符咱们前面会在配置数据映射时用到，其它属性依照后面表格形容的设施物模型逐个录入即可。

增加虚构属性

对于各个设施虚构属性，须要通过其余属性数据的计算得来，在 IoT 孪生引擎中通过孪生规定来实现，咱们依据在筹备阶段梳理的设施物模型，顺次创立设施的孪生规定来构建虚构属性。
节点运算规定分成两种类型：

• 本身节点规定：本身节点物模型属性数据的计算规定
• 父子节点规定：父子节点间物模型属性数据的计算规定
  依然以后面在逆变器_A1 增加的 powerGeneration 属性为例，咱们当初要计算日累计发电量，应该如何去做？先在逆变器_A1 节点定义一个虚构属性 dayTotalPowerGeneration

  dayTotalPowerGeneration 的起源是本身规定，即 dayTotalPowerGeneration=powerGeneration+dayTotalPowerGeneration 本身发电量的累加，咱们依照如下的形式进行配置。即逆变器_A! 节点的属性 powerGeneration 变动时，会触发该规定，进行累加输入回 dayTotalPowerGeneration 属性。

孪生模版

为更不便构建孪生实体，可选中孪生实体图中的节点生成孪生模板，会把选中节点的关系、物模型和规定都拷贝到模板中，而后再通过援用、拷贝模板的形式来构建孪生实体图。
在光伏电站场景中，逆变器、光伏组件都是须要复用创立的，因而咱们都把第一个创立的孪生节点及其物模型通过创立模板的形式进行复用，以节俭整个开发工夫，操作步骤如下所述。

创立孪生模版
选中心愿复用孪生节点，比方抉择逆变器_A1 和它的子节点，点击右键生成孪生模板。

通过模板构建孪生体
通过拖拽孪生模版(将模板拖拽到响应的节点上面)，即可构建雷同物模型、阶段运算规定的孪生体节点，简化配置的过程。例如本次咱们通过模板导入的形式增加一组逆变器，将模板_逆变器拖拽到 A 区_发电阵列上即可，须要留神的是，拖拽后的节点名称须要按需金总从新编辑，比方逆变器_A2：

配置数据源

逆变器、光伏组件、电站气象仪三类设施实时上报的数据会先到物联网平台上，通过数据源配置将这三类设施的数据映射到孪生实体的具体节点属性上，以达到孪生实体实时感知物理设施状态的目标。

脚本配置

孪生实体与物理设施之间是解耦关系，可应用数据映射性能，将物理设施的原始数据映射到孪生实体的业务模型中，即孪生节点的物模型属性上。数据映射由以下 3 局部组成：

咱们依然以逆变器_A1 的 powerGeneration 为例，配置一个设施，通过数据映射将其属性映射到逆变器_A1 节点的 powerGeneration 属性，此处咱们抉择设施通过物模型上报，以及具体的设施和 topic，如下图所示。

而后通过上面的 destConfig 将设施属性映射到孪生节点的具体属性，其中配置如下，iotId 为逆变器_A1 节点的节点 id(点击节点详情即可看到)，identifier 为逆变器_A1 节点的属性标识符，key 为设施上报的物模型数据，设施上报的属性 key 为 powerGeneration，因为须要从物模型的规范流转数据格式中解析到该 key 的值，所以残缺的 key 为 items\.powerGeneration\.value。

[
    {
        "identifier": "powerGeneration",
        "iotId": "sGTmVQUGWJxSAb2hEI5Mg6pa00",
        "key": "items\\.powerGeneration\\.value",
        "name": "逆变器 A01"
    }
]

运行后果

咱们通过气筒模拟器设施来进行数据模仿上报，其中模拟器抉择的设施就是上一步咱们在数据映射配置的设施，具体操作如下：

而后能够通过查看孪生节点的快照、历史数据、运行日志等来察看孪生体的运行状况，下图为逆变器_A1 的实时发电量。

场景配置

场景是数字孪生计划中的展现及交互页面，以 3D 形式展现孪生模型中的实时数据、状态及告警信息。可在场景中关联孪生模型中的数据源，配置状态及告警，实现配置后可预览并发布页面，页面公布实现后可嵌入至业务零碎中进行展现，咱们这里新建一个光伏商业电站的场景进行配置。

场景治理

点击“场景治理”页面，创立一个名称为“光伏商业电站”的场景，形容可选填。

若敞开提醒面板，可在场景列表，单击场景卡片，或单击卡片右下角的更多图标后单击 进入编辑工作台，进入场景编辑工作台。

3D 资源管理

场景当中依赖的 3D 资源在此处进行上传和治理，将筹备阶段制作的光伏电站 3D 模型（gltf/glb 类型）文件进行上传。

场景编辑器

进入场景编辑器后将前一步上传的模型拖拽到场景中，本模型不做款式调整，仅调整角度及缩放比例。

场景数据配置

在场景编辑器中，点击“数据配置”TAB，再点击组件面板“+”增加一个组件，在右侧面板中顺次对组件进行命名（抉择一个有业务含意的名字，如本图中“A 区电站 - 1 号逆变器”），抉择该组件对应的 3D 文件 MESH（可抉择多个），再抉择该组件关联的孪生节点，之后该孪生节点的物模型属性数据可作为根底数据配置不同的数据看板，如下图所示配置了 5 个数据看板（可依据看板偏好抉择仪表盘、趋势图、水位图等款式）。

以后面演示的实时发电量和当日累计发电量为例，看一下这两个数据面板和趋势图的配置，针对实时发电量，咱们抉择逆变器_A1 节点的 powerGeneration 属性，而后款式抉择仪表盘，别离再填写展现名称和展现单位，最初抉择不同数据范畴对应的色彩款式即可。

同理依照如下形式构建趋势面板，当月累计发电量。

告警配置：如下图所示，点击编辑组件面板告警标示，新建一个告警，告警内容为在“筹备阶段 - 确定零碎指标”章节定义的告警内容，即 IGBT 心田片温度大于 120 度，触发告警，此处能够应用简略的条件表达式，也能够自定义简单表达式。

这样当关联的数据超过所设定的阈值后就能够以告警图标显示进去，点击告警图标后能够显示具体的告警内容及培修倡议。

依照上述数据配置步骤将其余须要在 3D 模型上展现的数据及告警顺次进行配置实现即可。

场景分享 & 预览

在所有数据配置实现之后，点击场景编辑器右上角“预览”图标，查看配置是否失常。若所有配置合乎预期，点击场景编辑器右上角“分享”图标将页面分享给其余用户，其余用户可间接通过链接 URL 和明码查看曾经配置好的光伏电站数字孪生运维零碎，比方接入到监控大屏或在展会时间接通过 URL 拜访向客户进行演示。

结语

通过浏览本文，置信您曾经理解了构建数字孪生零碎的根本步骤以及如何应用阿里云 IoT 孪生引擎来开发数字孪生零碎。如果您后续想要进一步理解 IoT 孪生引擎能够通过咱们的官方网站进行查看，或者间接通过上面的钉钉二维码分割咱们单干。

物联网平台产品介绍详情：https://www.aliyun.com/produc…

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