摘要：數(shù)字孿生是推動電力裝備領(lǐng)域數(shù)字化、智能化、信息化的關(guān)鍵技術(shù)之一，液流電池是一種新型綠色的電化學儲能電池?；跀?shù)字孿生思想，對全釩液流電池儲能運維系統(tǒng)進行研究，提出構(gòu)建多源異構(gòu)數(shù)據(jù)統(tǒng)一融合模型的方法，對全釩液流電池儲能運維系統(tǒng)進行建模，并建立實景物理世界和虛擬孿生世界的映射關(guān)系。應用基于數(shù)字孿生的全釩液流電池儲能運維系統(tǒng)，能夠監(jiān)控、診斷、預測物理世界產(chǎn)品的可能狀態(tài)，實現(xiàn)信息的高度融合。
1.研究背景
在雙碳目標下，儲能已經(jīng)成為支撐以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)和構(gòu)建智能電網(wǎng)的靈活性資源。儲能系統(tǒng)效率提升、循環(huán)壽命延長及成本降低，離不開儲能運維技術(shù)的發(fā)展。由此，儲能電站的智慧化運維和精細化管理技術(shù)是儲能技術(shù)未來發(fā)展的重要方向之一。
儲能運維大致分為三個層面。一是設(shè)備監(jiān)測，采用線上監(jiān)控加線下巡檢的運維方式，通過運維系統(tǒng)對安防、熱管理、消防、電池組、儲能逆變器、配電柜等系統(tǒng)進行實時監(jiān)控，對系統(tǒng)進行提前預判。二是數(shù)據(jù)分析，通過監(jiān)測平臺收集儲能電站運行的海量數(shù)據(jù)，對電池性能演變規(guī)律進行研究，優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計。三是控制策略，根據(jù)運行數(shù)據(jù)判斷電池的荷電狀態(tài)和健康狀態(tài)，通過控制策略進行有效協(xié)調(diào)實現(xiàn)儲能電池的最優(yōu)運行，延長儲能電池在役壽命，實現(xiàn)儲能設(shè)備利用率最大化。
大規(guī)模全釩液流電池儲能電站設(shè)備數(shù)量多，自然環(huán)境復雜，監(jiān)測難度大，監(jiān)測內(nèi)容除了荷電狀態(tài)、健康狀態(tài)外，還包括電堆電壓、電阻，以及電解液流量、液位、壓力、溫度和漏液等。對于大規(guī)模儲能，傳統(tǒng)方式收集的信息較為零散，較難掌握全部電池系統(tǒng)的健康狀態(tài)，增加運維負擔和成本。采用數(shù)字孿生及信息計算機技術(shù)，可以實現(xiàn)對儲能系統(tǒng)運行風險辨識、風險評估、安全管控、設(shè)備狀態(tài)與健康度預測預警、隱患排查及治理，進而實現(xiàn)全釩液流電池儲能系統(tǒng)的最優(yōu)運行。
2.全釩液流電池概述
全釩液流電池于1985年由澳大利亞新南威爾士大學的ＭａｒｒｉａＫａｚａｃｏｓ提出。作為一種電化學系統(tǒng)，全釩液流電池將能量存儲在含有不同價態(tài)釩離子氧化還原電對的電解液中。具有不同氧化還原電對的電解液分別構(gòu)成電池的正負極電解液，正負極電解液中間由離子交換膜隔開。通過外接磁力泵將溶液從儲液槽打入電池堆體內(nèi)，完成電化學反應。反應后溶液回至儲液槽，活性物質(zhì)不斷循環(huán)流動，完成充放電。全釩液流電池工作原理如圖１所示。
與其它主流的化學儲能電池相比，全釩液流電池最大的特點是電池活性物質(zhì)不存在于電池內(nèi)部，而是存儲在電池外部的罐體中，輸出功率和儲能容量可獨立設(shè)計，可實現(xiàn)長時儲能，理論上最長可達25～50h，因而更適用于大規(guī)模儲能。全釩液流電池在規(guī)模儲能方面的獨特優(yōu)勢如下：①安全性高，電池系統(tǒng)采用水系電解質(zhì)，無潛在燃燒和爆炸的危險；②蓄電容量大，可達百兆瓦時；③容量和功率相對獨立，系統(tǒng)設(shè)計靈活；④電堆易于模塊組合，蓄電容量便于調(diào)節(jié)；⑤充放電響應速度快，電池使用壽命長，可靠性高，可深度放電；⑥儲能系統(tǒng)選址自由，受設(shè)置場地限制?。虎邇δ芟到y(tǒng)封閉運行；⑧電池大部分部件材料可循環(huán)使用，具有較高的成本優(yōu)勢；⑨儲能系統(tǒng)建設(shè)周期短，運行和維護費用低；⑩運行安全，環(huán)境友好。正是由于在環(huán)保、安全、成本、效率、一致性等方面具有的突出優(yōu)點，全釩液流儲能電池正成為當前國內(nèi)外大規(guī)模儲能的首選技術(shù)之一。
3.數(shù)字孿生概述
數(shù)字孿生是一種實現(xiàn)運行中的真實設(shè)備與系統(tǒng)向虛擬化模型映射的技術(shù)，充分利用真實設(shè)備運行模型、實時傳感器數(shù)據(jù)、運行歷史數(shù)據(jù)等，從不同方面實現(xiàn)真實世界至虛擬空間的模擬，從而實現(xiàn)真實設(shè)備整個運行狀態(tài)的全過程數(shù)字化。借助安裝在物理設(shè)備上的各類傳感器，基于機器學習分析和相關(guān)虛擬仿真技術(shù)，數(shù)字孿生幾乎可以實時模擬出實體的實際狀態(tài)，并通過虛擬交互接口對物理實體進行控制。數(shù)字孿生利用傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、５Ｇ通信、人工智能等技術(shù)，對真實物理世界的實體對象進行描述、診斷、預測與決策，是未來復雜電網(wǎng)實現(xiàn)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行的理想途徑之一。數(shù)字孿生融合眾多前沿信息技術(shù)，可以通過虛實交互，實現(xiàn)對儲能電池全生命周期狀態(tài)的虛擬映射及運營績效的改善，為儲能系統(tǒng)的數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化發(fā)展提供強大動力。
4.全釩液流電池儲能運維痛點
運維技術(shù)對于儲能系統(tǒng)全生命周期管理至關(guān)重要，儲能系統(tǒng)若要在指定周期內(nèi)盡快填補前期投入成本，真正實現(xiàn)盈利的目標，就必須既要保障安全運行，又要充分發(fā)揮自身能源價值，由此需要強有力的運維保障。然而，傳統(tǒng)全釩液流電池儲能運維工作面臨亟待解決的痛點問題。
（１）環(huán)境影響較大，設(shè)備運維成本高。全釩液流電池通常用于配套風光大基地儲能，因而受自然環(huán)境和天氣因素影響較大，運維人員需要輪班值守，層層排查設(shè)備故障原因。若設(shè)備出現(xiàn)故障不能及時工作，將極大影響新能源發(fā)電的運行效率，造成故障隱患及風險。
（２）設(shè)備數(shù)量多，效率低，監(jiān)測難度大。全釩液流電池的核心部件包括電堆、儲液罐、管道循環(huán)系統(tǒng)，均與電解液的循環(huán)密切相關(guān)，監(jiān)測內(nèi)容包括電堆電壓、電阻，以及電解液的流量、液位、壓力、溫度和漏液等。對于大規(guī)模儲能而言，傳統(tǒng)方式收集的信息較為零散，較難掌握全部電池的健康狀態(tài)，增加了運維負擔。
（３）數(shù)據(jù)龐雜，實時性要求高。儲能系統(tǒng)運行中數(shù)據(jù)量龐大，而且相互交錯增速快，缺乏統(tǒng)一的規(guī)范標準及存儲、計算、管理方法。電力數(shù)據(jù)分析結(jié)果需要具備實時性，傳統(tǒng)模式由于無法快速響應，因此影響了儲能系統(tǒng)的整體壽命。
5.數(shù)字孿生儲能運維技術(shù)功能
可視化的數(shù)字孿生通過物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、機器學習等技術(shù)，以異構(gòu)計算為核心任務，高效融合計算、存儲、網(wǎng)絡，通過人、機、網(wǎng)、物深度融合，形成邊緣與云端結(jié)合的全層次開放架構(gòu)，提高儲能的智能化運維水平，更好體現(xiàn)全釩液流電池安全、可靠、經(jīng)濟、高效運行的本質(zhì)要求。
數(shù)字孿生使數(shù)據(jù)更鮮活，降低運維成本。數(shù)字孿生技術(shù)對儲能電池充放電過程進行虛擬仿真，開發(fā)全方位的全釩液流電池荷電狀態(tài)和健康狀態(tài)監(jiān)控、智能故障報警、運維工單處理、大數(shù)據(jù)存儲、統(tǒng)計分析、報表管理等功能，可以實時了解儲能系統(tǒng)剩余運行時間、儲能資產(chǎn)性能狀況，提前識別安全風險，并實現(xiàn)少人、無人值守，故障迅速響應和解決，極大降低運維成本。
物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備實時接入，大數(shù)據(jù)分析能力強。大數(shù)據(jù)分析算法以深度學習為主，還包括知識計算、可視化等。數(shù)字孿生運維系統(tǒng)支持多種數(shù)據(jù)源實時接入，通過標準接口接入儲能設(shè)備數(shù)據(jù)。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備將傳感器和其它連接設(shè)備集成至智能運維平臺，實現(xiàn)儲能系統(tǒng)的智能運維。
實現(xiàn)智能巡檢監(jiān)測與搶修?；跀?shù)字孿生的全釩液流電池儲能運維技術(shù)支持集成視頻監(jiān)控，以及機器人、無人機等前端巡檢系統(tǒng)，有效結(jié)合視頻智能分析、智能定位及研判，對故障點位、安全隱患點位等情況進行可視化監(jiān)測，實現(xiàn)異常事件的實時報警。
6.全釩液流電池儲能運維系統(tǒng)設(shè)計
6.1 基本原理
利用數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建全釩液流電池儲能運維系統(tǒng)可視化數(shù)字平臺，關(guān)鍵在于利用各類傳感技術(shù)，將在現(xiàn)實的全釩液流電池儲能系統(tǒng)中采集的電流、電壓，以及循環(huán)系統(tǒng)溫度、流量、液位、壓力、漏液等安全運行指標數(shù)據(jù)仿真重現(xiàn)在三維數(shù)字孿生世界中。全釩液流電池儲能運維數(shù)字孿生原理如圖２所示。
儲能系統(tǒng)作為一個包含大量元件、運行過程多樣的復雜系統(tǒng)，必然也是一個海量數(shù)據(jù)源。依托大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)，數(shù)字孿生儲能運維系統(tǒng)能夠?qū)Ω黝悢?shù)據(jù)進行處理判斷，分析當前系統(tǒng)荷電狀態(tài)、健康狀態(tài)，進行安全預警和運行監(jiān)測，最終實現(xiàn)儲能運維系統(tǒng)直觀清晰感知、完整數(shù)據(jù)集成、實景化等功能的全方位、可視化展示和控制，有效提升運維管理人員對儲能運維系統(tǒng)的管理效率，提高經(jīng)濟、安全、可靠運行水平，進而支撐儲能運維系統(tǒng)更好地服務于使用場景。
6.2 多源數(shù)據(jù)信息融合狀態(tài)監(jiān)測
基于數(shù)字孿生的多源融合狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)架構(gòu)如圖３所示。數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生的核心要素，來源于物理實體、運行系統(tǒng)、傳感器等，覆蓋范圍廣，包括環(huán)境數(shù)據(jù)、維護數(shù)據(jù)、運行數(shù)據(jù)等，并始終伴隨物理實體的運行。處理多源異構(gòu)數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生技術(shù)中的一個重要節(jié)點，也是可視化決策系統(tǒng)應用的關(guān)鍵基礎(chǔ)步驟。
全釩液流電池儲能運維系統(tǒng)在運行過程中產(chǎn)生大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括電池電壓、溫度、內(nèi)阻，循環(huán)系統(tǒng)的流量、液位、壓力，以及各種地圖要素數(shù)據(jù)、紅外圖像、監(jiān)測視頻數(shù)據(jù)等不同類型結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)。有效實現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的融合，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一與共享，是智能運維面臨的主要問題。對此，需要將多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的信息融合在一起，形成一個可用于數(shù)字孿生可視化的統(tǒng)一標準，以此來監(jiān)控物理對象在虛擬模型中的變化，進行基于人工智能的多維數(shù)據(jù)復雜處理與異常分析，提高全釩液流電池儲能運維系統(tǒng)的管理效率，實現(xiàn)安全可靠運營。
針對全釩液流電池儲能運維系統(tǒng)的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)特點，建立一個多源異構(gòu)數(shù)據(jù)統(tǒng)一信息融合模型。多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合的處理方式分為四個步驟：數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)整合、關(guān)聯(lián)關(guān)系建立、入庫及調(diào)用。在多源異構(gòu)數(shù)據(jù)統(tǒng)一融合模型中，將提取到的有效數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡通信技術(shù)輸送至云端，對各類數(shù)據(jù)進行分類管理，再將其有機地索引、融合在一起，最后存儲調(diào)用。
為了充分融合多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的特征，在對多源異構(gòu)數(shù)據(jù)整合之前，需要先對不同的數(shù)據(jù)進行預處理。將不同來源的數(shù)據(jù)通過相應的處理工具轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的電子數(shù)據(jù)格式，在紅外圖片、可見光圖片、視頻等數(shù)據(jù)中加入相應字段標簽，如拍攝地點、上傳時間、上傳屬性、拍攝目的、標注等。多源異構(gòu)數(shù)據(jù)統(tǒng)一融合模型在對相關(guān)數(shù)據(jù)進行采集和預處理之后，需要對相關(guān)數(shù)據(jù)的信息進一步關(guān)聯(lián)，以完成深層次的數(shù)據(jù)整合。
對不同類別的數(shù)據(jù)使用空間索引和時間索引算法，為電壓、電流、溫度、壓強、內(nèi)阻等實時物理數(shù)據(jù)增添對應的時間和空間信息，對多源異構(gòu)數(shù)據(jù)之間的跨域管理進行混合式索引，并使其直接入庫。針對地理分布圖類的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，如紅外圖像、可見光圖像、地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)、傾斜攝影測量等，需要對各類圖進行坐標轉(zhuǎn)換及圖層分割，再基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡區(qū)域分割算法對單圖層進行區(qū)域塊劃分，最后將擁有時空屬性的模擬量數(shù)據(jù)作為參數(shù)融入多個單圖層，形成融合多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的疊加式空間模型，并在同一界面展示全釩液流電池儲能運維系統(tǒng)的關(guān)鍵內(nèi)在參數(shù)和環(huán)境數(shù)據(jù)。
6.3 三維虛擬孿生模型映射
數(shù)字孿生是現(xiàn)有或?qū)⒂械奈锢韺嶓w對象的數(shù)字模型，通過實測、仿真、數(shù)據(jù)分析來實時感知、診斷、預測物理實體對象的狀態(tài)，通過優(yōu)化控制策略來調(diào)控物理實體對象的行為，通過相關(guān)數(shù)字模型間的相互學習來進化自身，同時改進利益相關(guān)方在物理實體對象生命周期內(nèi)的決策。在數(shù)字孿生系統(tǒng)中，數(shù)字空間需要根據(jù)實體設(shè)備建立對應功能的三維虛擬孿生模型，保證兩者在幾何尺寸、物理結(jié)構(gòu)關(guān)系、運動特性等方面的一致性。建立數(shù)字孿生系統(tǒng)，需要做到設(shè)備同步。搭建一套基于真實儲能系統(tǒng)的虛擬儲能系統(tǒng)，對真實設(shè)備進行三維建模，將三維模型放至線上虛擬場景內(nèi)，對不同工況下電池內(nèi)部機、電、熱、化多物理場耦合環(huán)境和外部所有要素都進行數(shù)字化建模，實現(xiàn)真實儲能系統(tǒng)和虛擬儲能系統(tǒng)一一對應。
針對全釩液流電池儲能運維系統(tǒng)的安全預警和電池健康管理需求，從數(shù)字孿生的角度出發(fā)，將數(shù)據(jù)驅(qū)動與模型驅(qū)動結(jié)合，構(gòu)建三維虛擬孿生模型，形成三維實景模型及物理場孿生模型的映射關(guān)系。通過數(shù)字孿生實現(xiàn)模擬現(xiàn)實中的突發(fā)危險情況，捕獲不同風險因素、操作場景、框架配置的數(shù)據(jù)重建模型來預測故障，從而有助于節(jié)省開支，提高系統(tǒng)可靠性，減少停機時間，并延長系統(tǒng)使用壽命，對系統(tǒng)實現(xiàn)整體把控。通過建立實景物理世界和虛擬孿生世界的映射關(guān)系，在技術(shù)上形成一個完整的閉環(huán)。通過基于數(shù)字孿生的三維虛擬孿生模型，提高復雜產(chǎn)品設(shè)計與后續(xù)裝配、運行、故障、維護、報廢之間的并行和協(xié)同。虛擬世界的產(chǎn)品從物理世界中得到高實時性數(shù)據(jù)，經(jīng)過高保真的建模仿真和分析，反過來監(jiān)控、診斷、預測物理世界產(chǎn)品的可能狀態(tài)，最終實現(xiàn)虛擬世界和物理世界信息的高度融合。三維虛擬孿生模型映射技術(shù)結(jié)構(gòu)如圖４所示。
基于數(shù)據(jù)驅(qū)動構(gòu)建實時仿真的溫度、電壓、電流、流量、液位、壓力等多物理場數(shù)字孿生模型，數(shù)據(jù)驅(qū)動可以繞過復雜的物理建模過程，并且利用輸入輸出數(shù)據(jù)很好地描述物理過程。結(jié)合系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)、試驗數(shù)據(jù)等，利用機器學習方法構(gòu)建輸入數(shù)據(jù)與輸出數(shù)據(jù)之間的數(shù)據(jù)模型，實現(xiàn)電力裝備運行的物理現(xiàn)象和機理由數(shù)據(jù)模型來進行表征，完成對電力裝備的孿生。
隨著輸入數(shù)據(jù)或經(jīng)驗越來越多，模型會不斷改進與完善。數(shù)據(jù)驅(qū)動建模的訓練可能會遇到與不穩(wěn)定性相關(guān)的問題，然而一旦完成訓練，模型在使用時便具有穩(wěn)定性。多物理場模型構(gòu)建所測得的運行數(shù)據(jù)包括設(shè)備屬性和外部條件兩部分。運行指標中的靜態(tài)參量是根據(jù)儲能電池設(shè)備情況及工作環(huán)境得到的，可以作為恒定不變的常數(shù)輸入模型。實時參量通過電壓傳感器、電流傳感器、溫度傳感器、流量計、液位計、壓力變送器等一系列安裝在全釩液流電池各個結(jié)構(gòu)上的高精度傳感器測量得到。上述運行數(shù)據(jù)一方面用于構(gòu)建并分析數(shù)字孿生內(nèi)部模型，另一方面用于驗證模型的準確性并進行優(yōu)化。多物理場模型構(gòu)建所測運行數(shù)據(jù)見表１。
7.結(jié)束語
筆者研究了基于數(shù)字孿生的全釩液流電池儲能運維系統(tǒng)的原理，提出了構(gòu)建基于數(shù)字孿生的全釩液流電池儲能運維系統(tǒng)的思路和方法。在研究中，提出一種多源數(shù)據(jù)融合狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)，實現(xiàn)多源融合過程，兼顧各種數(shù)據(jù)模態(tài)的優(yōu)點。從數(shù)字孿生角度出發(fā)，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動和模型驅(qū)動構(gòu)建三維虛擬孿生模型，形成全釩液流電池儲能運維系統(tǒng)三維實景模型與多物理場孿生模型的映射。通過數(shù)字孿生模擬現(xiàn)實中的突發(fā)危險情況，構(gòu)建不同風險因素、操作場景、框架配置的數(shù)據(jù)重建模型，實現(xiàn)預測性維護。
基于數(shù)字孿生的全釩液流電池儲能運維系統(tǒng)通過多源數(shù)據(jù)信息融合、三維實景模型搭建，形成多物理場數(shù)字孿生模型，從而為完成安全預警和健康狀態(tài)評估提供了可靠保障。
