【案例】基于工业大数据的发电行业数字孪生管理系统

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基于工业大数据的发电行业数字孪生管理系 统 基本情况 1. 承担单位基本情况 哈尔滨电气科学技术有限公司（简称哈电科技）是由哈尔滨电气 股份有限公司（简称哈电股份）牵头发起并 100%出资建立的发电设备 制造业集科研、新产品开发与科技成果工程化、产业化推广应用为一 体的科技型公司。结合我国发电设备制造业产业规模和结构不断优化 调整、制造工艺研发能力不断提高、新产品新技术不断涌现、关键核 心技术的攻关力度不断加大、产业链数字化智能化升级、更清洁高效 大容量的经济化运行等行业发展特点，面向国家重大战略，以攻克技 术短板弱项为动力、以市场用户需求为导向、以打造高科技产品为目 标，开展创新研究，带动和促进发电设备制造行业整体技术发展和进 步。 目前哈电科技主营业务包括工业互联网数据服务、工业数字孪生 解决方案、智能发电服务、智能农业管理、工业自动控制系统装置制 造、储能技术服务、新能源技术、海洋工程关键配套系统开发、海洋 工程装备系统研发、制造、销售等。 2. 案例的意义及必要性 “碳达峰、碳中和”目标下，我国能源结构不断调整，电能绿色 低碳化转型呈必然发展趋势。随着工业互联网、数字孪生等新一代信 息技术的快速发展，发电行业的数字化与智能化转型充满机遇的同时 也满有挑战，例如：缺少统一的管理平台，由于历史遗留原因，发电 企业中可能存在多种孤立的平台、系统，无法协同工作，甚至升级维 护困难；设备的管理水平待升级，由于行业连续安全生产的需求，设 备故障导致生产中断会造成巨大损失；缺乏多学科的交互融合，没有 突破各专业领域的鸿沟；智能化角度单一，多侧重于智能信息集成展 示以及智能管理等层面，在生产过程中的智能化应用较少。 基于以上挑战，本项目搭建哈电发电特色工业互联网应用技术平 台（简称工业互联网平台）打通发电设备从数据接入、存储、管理、 算法建模开发到端平台应用的各个环节，提供统一的数据接入、管理 服务，提供大数据支持和智能算法运行环境，支持以开放的模式开发 工业 APP，打通信息孤岛；基于工业互联网平台，搭建发电行业关键 设备数字孪生管理系统，以管理壳为载体，打通发电设备生产侧及产 品侧各环节数字孪生数据壁垒，形成产品全生命周期的数字孪生服务 与管理能力；从发电设备制造商的角度，基于对上千台机组设计、运 行调试经验的综合与升华，构建行业机理与人工智能算法相结合的发 电设备智能运维解决方案，实现 IT 与 OT 的融合，助力发电行业智能 化生产运行，实现“安全高效、清洁低碳、灵活智能”的生产目标。 技术简介 1.基于多维度整合的发电设备数字样机建模技术 发电行业关键设备结构复杂，构建基于数字孪生技术的数字样机 需要包含研发设计、制造、运行、维护等全生命周期各个阶段的多维 度模型。但是，各领域模型相对独立，无法实现模型间的整合和分析 应用。本项目以多学科模型耦合的分析为方向，按照所涉及学科的不 同建立不同的模型，并确立相关的耦合变量与参数，进行并行计算， 有关变量可在多级计算机间传输。 2.基于消息分发的异构系统集成技术 数字孪生管理系统需要实现数字化映射、监测、诊断、预测、仿 真、优化等功能，对系统集成的数据量需求大、实时性要求高、信息 同步要求高。本项目提出基于消息分发中间件的异构系统集成技术， 通过消息分发中间件打通不同系统之间的数据接口,使得孪生体全生命 周期过程中所产生的数据能够根据解决方案的需求快速应用,提高系统 间的响应速度，增强集成系统的柔性。 3.数字孪生体虚实同步技术 数字孪生应用对整个生命周期中现实和虚拟的同步需求较高。本 项目通过虚实同步技术，保证在设备运行调试期间，物理环境中发生 的任何更改及产生的运行数据都能输入至数字孪生体的仿真模型中进 行不断优化运算，实现与物理环境的实时同步。 4.基于能量传递的电力装备模型互操作关键技术 基于设备部件属性以及拓扑连接对不同部件之间互操作性的影响， 构建部件间互操作模型，确定部件间模型互操作所需要传递的数据， 最后依据工业互联网相关通信标准实现模型互操作。实现数字孪生体 从构建“静态映射的物理实体”到构建“动态协同的物理实体”的转 变，支持数字孪生应用从“映射、可视化”到“诊断、预测、仿真、 优化”的不断深入。 主要特点 项目以工业互联网平台为基础，以数字孪生管理系统为核心，以 解决方案应用为目标建设。工业互联网平台完成对传感器等各类生产 数据的边缘采集和处理，提供所需 IT 资源，提供发电设备全生命周期 数据和模型，提供丰富的数据服务和接口，采用低代码开发环境和图 形化编程技术降低开发门槛，为上层数字孪生管理系统提供技术支持。 数字孪生管理系统完成设备全生命周期的孪生体信息模型、2D/3D 模 型及机理模型的构建，通过构建孪生体映射全生命周期不同领域数据、 关联行业机理模型、结合三维结构模型进行设备孪生体的综合运行， 通过孪生体向上游解决方案提供数据服务。最终，围绕发电设备的产 品设计与仿真、生产过程建模与控制、产品质量管理、协同工艺规划、 设备故障诊断与远程运维、能效优化分析等多个方向，打造基于数字 孪生体应用的解决方案，实现数字孪生体与物理实体的数据互联、信 息互通、模型互操作，解决发电行业关键设备的状态监测、故障诊断、 寿命预测等瓶颈问题。 落地应用效果 围绕工业互联网、人工智能、数字孪生等主要核心技术范畴在发 电企业产生了诸多颇具价值的技术成果。目前，本项目取得了不错的 应用业绩，已经在德惠生物质电厂、华能大庆电厂、宁夏京能宁东电 厂等多家发电企业部署应用。如汽轮机轴系振动、叶片可靠性监测、 主管道监测等模块，在京能宁东、国华锦界、长二热、唐山丰润、珠 海横琴等电厂进行了应用；锅炉 CFD 三维可视化、壁温预警、受热面 寿命评估等模块也在华能大庆项目中进行了实际应用；水电方面，先 后在三峡、丰满等水电机组上实现了智能运维系统开发和应用。 未来发展规划 结合项目需求，针对数字孪生模型中高阶、多维等关键部件系统， 采用静态接口参数输出、数据模拟插值运算等方法进行降阶处理，在 确保数字孪生体镜像性的同时，实现系统模型实时性的提升。同时数 字孪生降阶模型具备一定扩展性， 根据项目未来需求，可结合云端、大数据流及数据库分析等数据 挖掘、深度学习和硬件在环技术，通过多次迭代及自身优化，大幅度 降低由于复杂工况、测量信息匮乏等造成的关键零部件状态误判，实 现目标机体寿命预测与评估的精确性与实时性。 实现发电设备的性能优化和智慧检修，全面支持智能电网的建设， 对推动水电行业由传统自动化发展为智能化具有里程碑意义。采用智 能化系统和设备，设备与人、设备与设备之间能够实现互动化。以电 站设备数字化模型、智能化设备及一体化智能管控平台为基础，开展 基于大数据的机组智能远程运维服务系统研究与应用，降低设备对人 的依赖，为电站实现闭门运行创造条件，加快数字化智能型电站建设。 通过几年的不断努力，在发电行业关键设备智能远程运维方面积 累丰富的经验，并成功的实现了由科研成果到产品化的蜕变，同时也 完成了从行业“先行者”到行业“领先者”的蜕变！