数字孪生技术在塔山智慧电厂的应用
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
在研究人员以数字孪生为中心进行深入研究的过程中，美 国通用电气、德国西门子等企业慢慢地接受了数字孪生概念， 并将其运用在技术开发和生产过程中，推出了一系列的数字 孪生技术开发软件工具，如 Predix、Simcenter 3D 等，引起了 国内外相关领域的广泛关注。
与此同时，很多行业对数字孪生技术的应用进行了实践。 如 ：在 B MW 丁格芬智能工厂，基于数字孪生技术的智能资 料分析系统已经取代了传统的手动监控。美国空军将数字孪 生技术应用于预测飞机的结构寿命。中石油集团将数字孪生 技术与智慧管网管理系统相结合。也有研究人员提出了基于 数字孪生概念的发电厂发电机智能健康管理系统。 2 数字孪生在塔山智慧电厂中的应用 2.1 塔山电厂现状
综上所述，为响应集团公司战略发展要求，结合集团公
2021.2 电力系统装备丨71
2021年第2期
2021 No.2
电力系统
Electric System
电力系统装备
Electric Power System Equipment
司安全生产环保工作新要求，利用信息领域中云计算、大数据、 物联网、移动应用、人工智能等主流技术，开展塔山电厂数 字化转型建设，支撑企业生产管控、业务运营的安全、高效、 集约、规范和智能运作，提升企业的科学分析、决策和预判 能力，增强设备可靠性，使机组运行更加安全、经济。 2.2 系统架构
信息融合及服务应用，重点分析数字孪生与相关产业的联系， 构建虚拟模型，孪生信息融合分析，服务应用指南等。数字 的孪生意义就是构造数字的孪生体。最终表示是对物理实体 完整精确的数字描述，可用于模拟，监控，诊断，预测和控 制物理实体的模拟，监测和控制。随着人工智能应用技术的 不断发展，人工智能应用技术也得到了深入的研究。在孪生 体深化应用领域结合并行控制理论，形成了伴随现实系统的 并行建模、并行预测、并行执行数字四胞胎并行演变。 1.2 数字孪生应用实践
基于电厂模型构建全厂工艺流程、业务模型与规则，用 于辅助不同生产管理活动。 2.3.3 可视化
基于设计图纸建立三维可视化模型，与生产流程、设备 管理、两票、应急、安全管理等模块进行集成。 2.3.4 自动化
建设覆盖全厂的 DCS、SIS 等系统，对全厂所有工艺流程 进行实时监控。 2.3.5 决策科学化
参考文献 [1] 于勇，范胜廷，彭关伟，等 . 数字孪生模型在产品构型管理中应用
探讨 [J]. 航空制造技术，2017（7）：41-45. [2] 范海东 . 基于数字孪生的智能电厂体系架构及系统部署研究 [J]. 智
能科学与技术学报，2019（8）：52-53. [3] 潘保林，邹金强，毛志新，等 . 数字孪生技术在核电站的应用分析
近年来，随着智能化进程的加快，为了实现物理世界和信 息世界的相互作用和融合，出现了“数字孪生”的概念，并 且不断地快速发展，对许多行业智能化发展起到了巨大的推 动作用。数字孪生目前在电力行业的应用较少，但在航空航天、 汽车制造、石油天然气等行业的应用提供了借鉴，有助于促 进智慧电厂的建设和发展。 1.1 数字孪生研究进展
三维建模作为描述和理解物理世界的一种手段，是数字 孪生的前提。其原理为 ：利用充足的数据信息来验证提供资 料是否是连续的，并对提供资料的真假进行分辨，将资料进 行分类整理，是数据处理的有效工具。根据塔山电厂现场和 现有数据情况，采用多种建模手段，融合多种数据成果，构 建与现实物理世界等比例、且具有高精度的数字孪生电厂。 如图 1 所示。
数字孪生（DigitalTwin）的概念由美国 GRIEVES 教授在 2003 年首次提出。数字孪生的定义是充分利用物理模型、传 感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、 多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映与实 体装备相对应的全生命周期。2017 年以前，对数字孪生的研 究多为概念探讨，但 2017 年以后，研究数量大幅升高，研究 人员除了对概念继续讨论外，还提供了验证数字孪生技术的 应用实例，并更新改进系统框架和方法。随着数字孪生概念 的不断改进和完善，研究人员主要关注数字孪生模式、物理
图2 基于三维可视化的设备故障诊断 2.4.3 实现高精度人员定位，满足安全管控要求
结合对人员管理的实际工作要求，在高精度数字孪生电 厂基础上，实现全厂工作人员的精准定位，打造工业复杂环 境下分米级定位的三维安全管控系统。高精度人员定位模块 通过 PC 端和移动端 APP 相结合方式，可对全厂人员的活动 情况进行实时监控，并在此模块基础上，构建智能点检、智 能检修、智能两票等功能模块。不仅可以很大程度上避免人 为因素引起的安全事件，还能大幅提升生产管理的安全性， 使管控更有效，进而全方位地实现电厂的安全生产管理。 2.4.4 实时视频监控，加强厂内安全监管
山西漳电大唐塔山发电有限公司 2×600 MW 坑口电厂（以 下简称“塔山电厂”）位于大同市西南约 25 km 处的塔山工业 园区，于 2008 年 10 月进入正式运营。
随着精细化管理要求的不断提高，目前的信息化系统已 不能满足管理需要。主要表现为 ：业务覆盖不全，系统未横 向打通，数据利用率低，缺乏数据挖掘分析，“两票”等关键 管理制度管控标准化、流程化、智能化水平存在较大差距， 执行效率还不高，安全生产和业务管控还存在风险点；部门间、 专业间、岗位间协同化运作无支撑平台，还有较大潜力可挖掘。
［Abstract］Based on the digital twin technology, the Tashan Smart Power Plant will be built to realize the digital transformation of production management, equipment, safety, operation, and operation, which has effectively promoted the development of digital, networked and intelligent power industry. Digital twin technology has the advantages of efficient decision-making and in-depth analysis. Using it in the digital transformation of power plants will greatly improve the reliability and economy of equipment operation, while reducing overall operating costs. The combination of digital twin technology and Internet+, big data, industrial Internet and other means makes the production and operation of power plants more efficient.
在数字孪生电厂环境下，接入并融合监控视频，可实时 调用并查看视频。同时，可针对摄像头位置进行分析，保障 重点区域实现监控全覆盖，从而加强对重点监控区域的监察 管理。 3 结语
塔山电厂将数字孪生与新一代的信息技术相结合，实现了 工厂的全过程管理，建立数字化、信息化和智能化的管理平台， 可以全面提高发电生产、管理和运营的信息化水平。通过智 慧感知、互联，以及智能分析模型，智能判断厂房设备运营 情况，实现预警提前，增加设备可靠度，促进机组经济发展， 促进安全生产，减员效率提高，绿色高质量发电。
［摘 要］基于数字孪生技术建设塔山智慧电厂，对生产管理、设备、安全、经营、运行等进行数字化转型，有力地推动了 电力产业数字化、网络化和智能化的发展。数字孪生技术具有高效决策、深度分析等优势，将其用于电厂的数字化转型上，将 大大提高设备运行的可靠性、经济性，同时降低总体经营成本。数字孪生技术与互联网 +、大数据、工业互联网等手段相结合， 使电厂生产运行更高效。
［Keywords］digital twin; smart power plant; digital transformation
近年来，随着云计算、大数据、物联网、移动互连、3D 可视化等技术发展进程的加快，在节能、降耗、减排政策背 景和集约化、高效管理要求的驱动下，国内一部分电力企业 已经在数字孪生领域率先做出了探究和实践，由智慧电厂系 统当前在国内的设计和应用情况来看，系统的重点为将现有 电厂的数据信息进行集成并展示，对节约能源、提升运行效 率的效果并不显著，这就与智慧生产的初心有了偏差。并且， 此类系统大多是自动化系统和其他局部信息化系统的简易集 成，缺少不同系统之间的联动关系。鉴于此，山西漳泽电力 股份有限公司拟以塔山电厂为试点对象，将数字孪生理念应 用在生产管理、设备、安全、经营、运行等方面，对塔山电 厂进行智能化示范改造，提升塔山电厂机组的安全性、先进 性和经济性，并为其他同类工程的技改起到示范作用。最终 实现绿色发电、高效发电，达到降本增效的目的，使塔山智 慧电厂达到国内一流水平。 1 数字孪生的研究应用
基于大数据平台，对局部信息系统收集的数据进行集成 分析，辅助管理层及时发现异常情况并快速处理，为重要决 策提供数据依据和支撑。 2.3.6集成化
构建全厂信息系统集成平台，既能为全厂的经营管理提 供数据基础，也能与实时数据进行联动，可将各独立的局部 信息系统集成为一个整体，使整体系统更可靠、有效。 2.4 关键技术 2.4.1 多层级融合建模技术，构建高精度数字孪生电厂
[J]. 中国核电，2020，13（5）：25-29. [4] 赵波 . 数字孪生应用白皮书（2020 版）[M]. 北京 ：中国电子技术
标准化研究院，2020（07）：51-52.
图1 三维厂区与室内建筑效果 2.4.2 基于数字孪生电厂实现设备全生命周期管理
利用三维模型语义化、属性语义扩展，完成设备几何信息、
业务信息的信息融合，实现设备管理、运行、点检、检修过 程中的三维模拟和实时联动功能。在智能电厂的各个层级实 现针对全厂设备的全生命周期管理，实现全流程可视化、透 明化。运行人员不仅可以在三维虚拟平台中查看权限范围内 的全厂数据信息，还能利用这些数据信息对设备的实时运行 数据和历史运行数据进行对比分析，对设备的运行情况进行 提前预测，并针对异常情况给出合理的建议。如图 2 所示。
整个系统架构分为工业 SaaS 应用层、工业 PaaS 平台层、 IaaS 基础设施层、控制层和设备层。
通过获取数据搭建三维可视化数据层，对系统模块提供 三维模型数据支撑、电厂设备数据空间展示支撑，实现电厂 运行数据空间的可视化。 2.3 系统功能规划设计 2.3.1 数字化
构建全厂范围内的网络平台，实时收集各生产流程中的 数据信息，及时掌握现场实际情况，实现现场与以数字孪生 技术为基础的智慧电厂系统的融合。 2.3.2 模型化
［关键词］数字孪生 ；智慧电厂 ；数字化转型 ［中图分类号］E92 ［文献标志码］A ［文章编号］1001–523X（2021）02–0071–02
Application of Digital Twin Technology in Tashan Smart Power Plant
Zheng Hong-qi，Li Qing-hua，Zheng Tian-xiong，Xing Xu，Liu Dong-bo
电力系统装备
Electric Power System Equipment
Байду номын сангаас
电力系统
Electric System
2021年第2期
2021 No.2
数字孪生技术在塔山智慧电厂的应用
郑红旗1，李庆华2，郑天雄2，邢 旭2，刘东波2
（1.山西漳电大唐塔山发电有限公司，山西大同 037000； 2.山西漳泽电力股份有限公司，山西大同 037000）
与此同时，很多行业对数字孪生技术的应用进行了实践。 如 ：在 B MW 丁格芬智能工厂，基于数字孪生技术的智能资 料分析系统已经取代了传统的手动监控。美国空军将数字孪 生技术应用于预测飞机的结构寿命。中石油集团将数字孪生 技术与智慧管网管理系统相结合。也有研究人员提出了基于 数字孪生概念的发电厂发电机智能健康管理系统。 2 数字孪生在塔山智慧电厂中的应用 2.1 塔山电厂现状
综上所述，为响应集团公司战略发展要求，结合集团公
2021.2 电力系统装备丨71
2021年第2期
2021 No.2
电力系统
Electric System
电力系统装备
Electric Power System Equipment
司安全生产环保工作新要求，利用信息领域中云计算、大数据、 物联网、移动应用、人工智能等主流技术，开展塔山电厂数 字化转型建设，支撑企业生产管控、业务运营的安全、高效、 集约、规范和智能运作，提升企业的科学分析、决策和预判 能力，增强设备可靠性，使机组运行更加安全、经济。 2.2 系统架构
信息融合及服务应用，重点分析数字孪生与相关产业的联系， 构建虚拟模型，孪生信息融合分析，服务应用指南等。数字 的孪生意义就是构造数字的孪生体。最终表示是对物理实体 完整精确的数字描述，可用于模拟，监控，诊断，预测和控 制物理实体的模拟，监测和控制。随着人工智能应用技术的 不断发展，人工智能应用技术也得到了深入的研究。在孪生 体深化应用领域结合并行控制理论，形成了伴随现实系统的 并行建模、并行预测、并行执行数字四胞胎并行演变。 1.2 数字孪生应用实践
基于电厂模型构建全厂工艺流程、业务模型与规则，用 于辅助不同生产管理活动。 2.3.3 可视化
基于设计图纸建立三维可视化模型，与生产流程、设备 管理、两票、应急、安全管理等模块进行集成。 2.3.4 自动化
建设覆盖全厂的 DCS、SIS 等系统，对全厂所有工艺流程 进行实时监控。 2.3.5 决策科学化
参考文献 [1] 于勇，范胜廷，彭关伟，等 . 数字孪生模型在产品构型管理中应用
探讨 [J]. 航空制造技术，2017（7）：41-45. [2] 范海东 . 基于数字孪生的智能电厂体系架构及系统部署研究 [J]. 智
能科学与技术学报，2019（8）：52-53. [3] 潘保林，邹金强，毛志新，等 . 数字孪生技术在核电站的应用分析
近年来，随着智能化进程的加快，为了实现物理世界和信 息世界的相互作用和融合，出现了“数字孪生”的概念，并 且不断地快速发展，对许多行业智能化发展起到了巨大的推 动作用。数字孪生目前在电力行业的应用较少，但在航空航天、 汽车制造、石油天然气等行业的应用提供了借鉴，有助于促 进智慧电厂的建设和发展。 1.1 数字孪生研究进展
三维建模作为描述和理解物理世界的一种手段，是数字 孪生的前提。其原理为 ：利用充足的数据信息来验证提供资 料是否是连续的，并对提供资料的真假进行分辨，将资料进 行分类整理，是数据处理的有效工具。根据塔山电厂现场和 现有数据情况，采用多种建模手段，融合多种数据成果，构 建与现实物理世界等比例、且具有高精度的数字孪生电厂。 如图 1 所示。
数字孪生（DigitalTwin）的概念由美国 GRIEVES 教授在 2003 年首次提出。数字孪生的定义是充分利用物理模型、传 感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、 多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映与实 体装备相对应的全生命周期。2017 年以前，对数字孪生的研 究多为概念探讨，但 2017 年以后，研究数量大幅升高，研究 人员除了对概念继续讨论外，还提供了验证数字孪生技术的 应用实例，并更新改进系统框架和方法。随着数字孪生概念 的不断改进和完善，研究人员主要关注数字孪生模式、物理
图2 基于三维可视化的设备故障诊断 2.4.3 实现高精度人员定位，满足安全管控要求
结合对人员管理的实际工作要求，在高精度数字孪生电 厂基础上，实现全厂工作人员的精准定位，打造工业复杂环 境下分米级定位的三维安全管控系统。高精度人员定位模块 通过 PC 端和移动端 APP 相结合方式，可对全厂人员的活动 情况进行实时监控，并在此模块基础上，构建智能点检、智 能检修、智能两票等功能模块。不仅可以很大程度上避免人 为因素引起的安全事件，还能大幅提升生产管理的安全性， 使管控更有效，进而全方位地实现电厂的安全生产管理。 2.4.4 实时视频监控，加强厂内安全监管
山西漳电大唐塔山发电有限公司 2×600 MW 坑口电厂（以 下简称“塔山电厂”）位于大同市西南约 25 km 处的塔山工业 园区，于 2008 年 10 月进入正式运营。
随着精细化管理要求的不断提高，目前的信息化系统已 不能满足管理需要。主要表现为 ：业务覆盖不全，系统未横 向打通，数据利用率低，缺乏数据挖掘分析，“两票”等关键 管理制度管控标准化、流程化、智能化水平存在较大差距， 执行效率还不高，安全生产和业务管控还存在风险点；部门间、 专业间、岗位间协同化运作无支撑平台，还有较大潜力可挖掘。
［Abstract］Based on the digital twin technology, the Tashan Smart Power Plant will be built to realize the digital transformation of production management, equipment, safety, operation, and operation, which has effectively promoted the development of digital, networked and intelligent power industry. Digital twin technology has the advantages of efficient decision-making and in-depth analysis. Using it in the digital transformation of power plants will greatly improve the reliability and economy of equipment operation, while reducing overall operating costs. The combination of digital twin technology and Internet+, big data, industrial Internet and other means makes the production and operation of power plants more efficient.
在数字孪生电厂环境下，接入并融合监控视频，可实时 调用并查看视频。同时，可针对摄像头位置进行分析，保障 重点区域实现监控全覆盖，从而加强对重点监控区域的监察 管理。 3 结语
塔山电厂将数字孪生与新一代的信息技术相结合，实现了 工厂的全过程管理，建立数字化、信息化和智能化的管理平台， 可以全面提高发电生产、管理和运营的信息化水平。通过智 慧感知、互联，以及智能分析模型，智能判断厂房设备运营 情况，实现预警提前，增加设备可靠度，促进机组经济发展， 促进安全生产，减员效率提高，绿色高质量发电。
［摘 要］基于数字孪生技术建设塔山智慧电厂，对生产管理、设备、安全、经营、运行等进行数字化转型，有力地推动了 电力产业数字化、网络化和智能化的发展。数字孪生技术具有高效决策、深度分析等优势，将其用于电厂的数字化转型上，将 大大提高设备运行的可靠性、经济性，同时降低总体经营成本。数字孪生技术与互联网 +、大数据、工业互联网等手段相结合， 使电厂生产运行更高效。
［Keywords］digital twin; smart power plant; digital transformation
近年来，随着云计算、大数据、物联网、移动互连、3D 可视化等技术发展进程的加快，在节能、降耗、减排政策背 景和集约化、高效管理要求的驱动下，国内一部分电力企业 已经在数字孪生领域率先做出了探究和实践，由智慧电厂系 统当前在国内的设计和应用情况来看，系统的重点为将现有 电厂的数据信息进行集成并展示，对节约能源、提升运行效 率的效果并不显著，这就与智慧生产的初心有了偏差。并且， 此类系统大多是自动化系统和其他局部信息化系统的简易集 成，缺少不同系统之间的联动关系。鉴于此，山西漳泽电力 股份有限公司拟以塔山电厂为试点对象，将数字孪生理念应 用在生产管理、设备、安全、经营、运行等方面，对塔山电 厂进行智能化示范改造，提升塔山电厂机组的安全性、先进 性和经济性，并为其他同类工程的技改起到示范作用。最终 实现绿色发电、高效发电，达到降本增效的目的，使塔山智 慧电厂达到国内一流水平。 1 数字孪生的研究应用
基于大数据平台，对局部信息系统收集的数据进行集成 分析，辅助管理层及时发现异常情况并快速处理，为重要决 策提供数据依据和支撑。 2.3.6集成化
构建全厂信息系统集成平台，既能为全厂的经营管理提 供数据基础，也能与实时数据进行联动，可将各独立的局部 信息系统集成为一个整体，使整体系统更可靠、有效。 2.4 关键技术 2.4.1 多层级融合建模技术，构建高精度数字孪生电厂
[J]. 中国核电，2020，13（5）：25-29. [4] 赵波 . 数字孪生应用白皮书（2020 版）[M]. 北京 ：中国电子技术
标准化研究院，2020（07）：51-52.
图1 三维厂区与室内建筑效果 2.4.2 基于数字孪生电厂实现设备全生命周期管理
利用三维模型语义化、属性语义扩展，完成设备几何信息、
业务信息的信息融合，实现设备管理、运行、点检、检修过 程中的三维模拟和实时联动功能。在智能电厂的各个层级实 现针对全厂设备的全生命周期管理，实现全流程可视化、透 明化。运行人员不仅可以在三维虚拟平台中查看权限范围内 的全厂数据信息，还能利用这些数据信息对设备的实时运行 数据和历史运行数据进行对比分析，对设备的运行情况进行 提前预测，并针对异常情况给出合理的建议。如图 2 所示。
整个系统架构分为工业 SaaS 应用层、工业 PaaS 平台层、 IaaS 基础设施层、控制层和设备层。
通过获取数据搭建三维可视化数据层，对系统模块提供 三维模型数据支撑、电厂设备数据空间展示支撑，实现电厂 运行数据空间的可视化。 2.3 系统功能规划设计 2.3.1 数字化
构建全厂范围内的网络平台，实时收集各生产流程中的 数据信息，及时掌握现场实际情况，实现现场与以数字孪生 技术为基础的智慧电厂系统的融合。 2.3.2 模型化
［关键词］数字孪生 ；智慧电厂 ；数字化转型 ［中图分类号］E92 ［文献标志码］A ［文章编号］1001–523X（2021）02–0071–02
Application of Digital Twin Technology in Tashan Smart Power Plant
Zheng Hong-qi，Li Qing-hua，Zheng Tian-xiong，Xing Xu，Liu Dong-bo
电力系统装备
Electric Power System Equipment
Байду номын сангаас
电力系统
Electric System
2021年第2期
2021 No.2
数字孪生技术在塔山智慧电厂的应用
郑红旗1，李庆华2，郑天雄2，邢 旭2，刘东波2
（1.山西漳电大唐塔山发电有限公司，山西大同 037000； 2.山西漳泽电力股份有限公司，山西大同 037000）