本發(fā)明涉及風(fēng)力發(fā)電，尤其是一種考慮平行控制的風(fēng)電場數(shù)字孿生系統(tǒng)的構(gòu)建方法。

背景技術(shù)：

1、隨著全球能源需求的增加以及可再生能源政策的推動，風(fēng)電作為一種清潔、可再生的能源形式，其開發(fā)和利用受到了廣泛關(guān)注，逐漸發(fā)展出了一套基于風(fēng)機(jī)、葉片、變槳、傳動和控制等技術(shù)的產(chǎn)業(yè)鏈。雖然風(fēng)力發(fā)電技術(shù)相對較為成熟且成本較低，但也有自身的劣勢：風(fēng)電機(jī)組一般分布面積廣、數(shù)量多，并且遠(yuǎn)離監(jiān)控中心，工作環(huán)境惡劣，給風(fēng)電場的管理和運(yùn)維帶來了巨大困難。

2、數(shù)字孿生技術(shù)依靠模擬、測量和數(shù)據(jù)分析來實(shí)現(xiàn)實(shí)時虛擬-現(xiàn)實(shí)交互、閉環(huán)感知、診斷和預(yù)測。通過數(shù)字孿生技術(shù)創(chuàng)建與物理風(fēng)力渦輪機(jī)相連的風(fēng)電場虛擬副本，使得可以在虛擬環(huán)境中模擬、分析和優(yōu)化風(fēng)電場的運(yùn)行狀態(tài)。這不僅可以提高風(fēng)電場的運(yùn)維效率，還可以降低運(yùn)維成本。

3、基于人工系統(tǒng)(artificial?system，a)、計算實(shí)驗(yàn)(computational?experiments，c)和并行執(zhí)行(parallel?execution，p)(簡稱acp)的平行控制思想最早由王飛躍教授提出，首先構(gòu)造人工系統(tǒng)來逼近實(shí)際系統(tǒng)的動態(tài)特性，然后對實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的情況和狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測和判斷，最后依托上述兩個系統(tǒng)間的虛實(shí)互動，使實(shí)際系統(tǒng)趨近人工系統(tǒng)，借助人工系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對實(shí)際復(fù)雜系統(tǒng)的有效管理和控制。

4、在以王飛躍教授為代表的世界各地專家和學(xué)者的努力下，目前數(shù)字孿生技術(shù)和平行控制的思想已應(yīng)用于許多研究領(lǐng)域和復(fù)雜系統(tǒng)。例如在智能制造領(lǐng)域，數(shù)字孿生與平行控制的結(jié)合可以用于優(yōu)化生產(chǎn)流程，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。通過在數(shù)字孿生模型中實(shí)施平行控制，可以在不干擾實(shí)際生產(chǎn)的情況下，對生產(chǎn)過程進(jìn)行模擬、預(yù)測和調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)更高水平的自動化和智能化，但至今尚未發(fā)現(xiàn)考慮平行控制的風(fēng)電場數(shù)字孿生系統(tǒng)構(gòu)建方法的公開報道。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明需要解決的技術(shù)問題是提供一種考慮平行控制的風(fēng)電場數(shù)字孿生系統(tǒng)的構(gòu)建方法，通過結(jié)合平行控制和數(shù)字孿生實(shí)現(xiàn)對風(fēng)電場的智能化運(yùn)維。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

3、一種考慮平行控制的風(fēng)電場數(shù)字孿生系統(tǒng)的構(gòu)建方法，包括以下步驟：

4、采用5d建模方法對風(fēng)電場進(jìn)行建模，構(gòu)建的風(fēng)電場數(shù)字孿生系統(tǒng)的公式描述如下：

5、wtdt＝{wpe,wve,wdc,wss,wpc}

6、式中，wtdt是風(fēng)電場數(shù)字孿生系統(tǒng)，wpe是物理風(fēng)電場，wve是虛擬風(fēng)電場，wdc是數(shù)據(jù)中心，wss是服務(wù)，wpc是平行控制；

7、從物理風(fēng)電場收集構(gòu)建風(fēng)電場數(shù)字孿生系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和信息；

8、搭建包括風(fēng)電場的虛擬場景和人工系統(tǒng)模型的虛擬風(fēng)電場；

9、利用數(shù)據(jù)中心消除信息孤島，實(shí)現(xiàn)數(shù)字和虛擬空間的閉環(huán)交互；

10、通過對物理風(fēng)電場和風(fēng)電場數(shù)字孿生系統(tǒng)所產(chǎn)生數(shù)據(jù)的深度挖掘與特征提取，從而實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)控、故障預(yù)警、人機(jī)交互和風(fēng)力預(yù)測服務(wù)；

11、基于acp理論，通過平行控制技術(shù)模擬和管理物理風(fēng)電場的運(yùn)行狀態(tài)，優(yōu)化管理。

12、本發(fā)明技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)在于：所述物理風(fēng)電場用于收集構(gòu)建風(fēng)電場數(shù)字孿生系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和信息，為風(fēng)電場數(shù)字孿生系統(tǒng)提供現(xiàn)實(shí)驅(qū)動；所述物理風(fēng)電場包括若干個風(fēng)電機(jī)組和scada系統(tǒng)；所述風(fēng)電機(jī)組至少包括塔筒、機(jī)艙、輪轂、葉片、齒輪箱和發(fā)電機(jī)；所述scada系統(tǒng)是物理風(fēng)電場中廣泛使用的實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)，能夠從風(fēng)電機(jī)組收集運(yùn)行數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組的監(jiān)測控制以及風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時采集和傳輸；所述運(yùn)行數(shù)據(jù)至少包括環(huán)境數(shù)據(jù)、傳輸數(shù)據(jù)、電氣數(shù)據(jù)、感知數(shù)據(jù)。

13、本發(fā)明技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)在于：所述風(fēng)電場的虛擬場景的具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

14、s1，確定建模的范圍為風(fēng)電機(jī)組和風(fēng)電場場景；

15、s2，參考物理風(fēng)電場設(shè)計文件或相關(guān)資料獲得風(fēng)電機(jī)組的標(biāo)準(zhǔn)尺寸和參數(shù)；

16、s3,使用3d?max軟件建立風(fēng)電機(jī)組的三維模型，并添加材質(zhì)和渲染，完成風(fēng)電機(jī)組的幾何建模；

17、s4，進(jìn)一步優(yōu)化模型的面數(shù)，對模型進(jìn)行輕量化處理，并導(dǎo)出為fbx格式的文件；

18、s5，將fbx文件導(dǎo)入unity中，編寫c#腳本安裝到模型上實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組的行為建模；

19、s6，在unity中通過添加環(huán)境光照、紋理素材、添加背景，搭建風(fēng)電場的虛擬場景。

20、本發(fā)明技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)在于：所述人工系統(tǒng)模型在matlab/simulink平臺上建立，利用simulink中的各種模塊搭建風(fēng)力發(fā)電機(jī)的動態(tài)模型，至少包括風(fēng)速模型、電機(jī)模型和控制系統(tǒng)模型。

21、本發(fā)明技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)在于：所述數(shù)據(jù)中心涵蓋了各種基本功能，包括數(shù)據(jù)采集與處理、數(shù)據(jù)集成與存儲、數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用；數(shù)據(jù)中心利用tcp/ip、mqtt通信方式，從物理風(fēng)電場的scada系統(tǒng)中實(shí)時獲得風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)以及相關(guān)運(yùn)行參數(shù)和控制指令，并將數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中，通過實(shí)時數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)的對比來識別物理風(fēng)電場運(yùn)行過程中的異常情況，并為風(fēng)電場數(shù)字孿生系統(tǒng)中的服務(wù)提供數(shù)據(jù)支持。

22、本發(fā)明技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)在于：所述服務(wù)是各種算法和模型的綜合封裝，有助于風(fēng)電場數(shù)字孿生系統(tǒng)內(nèi)部功能的運(yùn)行和實(shí)現(xiàn)；通過對風(fēng)電場和孿生模型所產(chǎn)生數(shù)據(jù)的深度挖掘與特征提取，從而實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)控、故障預(yù)警、人機(jī)交互和風(fēng)力預(yù)測服務(wù)。

23、本發(fā)明技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)在于：所述狀態(tài)監(jiān)控和所述故障預(yù)警都能夠從數(shù)據(jù)中心實(shí)時獲取物理風(fēng)電場的各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和可視化展示，幫助管理人員及時發(fā)現(xiàn)問題并采取應(yīng)對措施；具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

24、(1)確定需要監(jiān)控的數(shù)據(jù)；

25、(2)在unity中建立與數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)庫的連接，實(shí)時獲取所需要監(jiān)控數(shù)據(jù)；

26、(3)解析接收到的數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)換成可用的數(shù)據(jù)格式；

27、(4)編寫異常檢測算法，監(jiān)測物理風(fēng)電場狀態(tài)是否異常或接近異常；

28、(5)利用unity的ui系統(tǒng)，設(shè)計用戶界面，包括實(shí)時數(shù)據(jù)展示和物理風(fēng)電場狀態(tài)監(jiān)控；

29、(6)當(dāng)檢測到異常情況時，觸發(fā)預(yù)警提示機(jī)制，彈出警告框、改變ui元素顏色、播放聲音。

30、本發(fā)明技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)在于：所述風(fēng)力預(yù)測服務(wù)是基于歷史數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測未來物理風(fēng)電場的運(yùn)行狀態(tài)和發(fā)展趨勢，為決策制定提供科學(xué)依據(jù)；實(shí)現(xiàn)風(fēng)力預(yù)測服務(wù)的方式是將unity和python進(jìn)行整合，其中python用于依托機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)進(jìn)行風(fēng)力預(yù)測模型的開發(fā)和訓(xùn)練，而unity用于實(shí)時數(shù)據(jù)的獲取和預(yù)測結(jié)果的展示；使用tcp/ipsocket技術(shù)實(shí)現(xiàn)unity和python之間的通信，python端代碼作為socket服務(wù)端，unity端c#代碼作為socket客戶端。

31、本發(fā)明技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)在于：所述人機(jī)交互服務(wù)基于unity進(jìn)行設(shè)計；可視化界面是人機(jī)交互的第一接口；unity中內(nèi)置的ugui工具為用戶提供了強(qiáng)大的用戶圖形界面解決方案，gui系統(tǒng)通過圖形界面在屏幕上成為用戶與計算機(jī)交流的連接口；在gameobject列表中找到ui選項(xiàng)，將ui對象添加到canvas場景中，然后將對應(yīng)腳本關(guān)聯(lián)到ui對象上產(chǎn)生響應(yīng)事件和檢測觸發(fā)方式，從而實(shí)現(xiàn)用戶與ui元素的交互操作。

32、本發(fā)明技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)在于：所述平行控制是基于acp理論，通過對真實(shí)物理風(fēng)電場的參數(shù)進(jìn)行計算實(shí)驗(yàn)來獲得優(yōu)化控制策略，不斷修正人工系統(tǒng)模型的結(jié)構(gòu)與參數(shù)，使人工系統(tǒng)模型趨近真實(shí)物理風(fēng)電場，進(jìn)行人工系統(tǒng)模型的培育；根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果生成決策，進(jìn)行并行執(zhí)行，使實(shí)際的物理風(fēng)電場控制策略趨近人工系統(tǒng)模型的優(yōu)化控制策略。

33、由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明取得的技術(shù)進(jìn)步是：

34、1、本發(fā)明考慮平行控制后，采用5d建模方法對風(fēng)電場進(jìn)行建模，構(gòu)建的風(fēng)電場數(shù)字孿生系統(tǒng)包括物理風(fēng)電場、虛擬風(fēng)電場、數(shù)據(jù)中心、服務(wù)以及平行控制，通過結(jié)合平行控制和數(shù)字孿生實(shí)現(xiàn)了對風(fēng)電場的智能化運(yùn)維。

35、2、本發(fā)明中平行控制通過對數(shù)字孿生系統(tǒng)中的模型與物理風(fēng)電場的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行對比和校準(zhǔn)，確保系統(tǒng)模擬的準(zhǔn)確性和可信度；這種平行控制機(jī)制使得數(shù)字孿生系統(tǒng)能夠在虛擬環(huán)境中進(jìn)行各種模擬試驗(yàn)、優(yōu)化方案驗(yàn)證等操作，并將結(jié)果準(zhǔn)確地映射到物理風(fēng)電場的運(yùn)行中，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生系統(tǒng)對風(fēng)電場運(yùn)行的優(yōu)化管理。

36、3、本發(fā)明建立的風(fēng)電場數(shù)字孿生系統(tǒng)，通過對物理風(fēng)電場進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，提供建立數(shù)字孿生系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和信息需求；通過數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理，構(gòu)建了基于混合建模的風(fēng)電場虛擬孿生模型；通過平行控制技術(shù)模擬和管理風(fēng)電場的運(yùn)行狀態(tài)，使得物理風(fēng)電場能夠及時響應(yīng)外部環(huán)境變化和內(nèi)部工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)最佳運(yùn)行狀態(tài)。

37、4、本發(fā)明構(gòu)建的風(fēng)電場數(shù)字孿生系統(tǒng)還提供可視化監(jiān)控、故障預(yù)警、人機(jī)交互和風(fēng)力預(yù)測等服務(wù)，為風(fēng)電場的智能化運(yùn)營和管理提供全方位支持。