数字孪生抽水蓄能电站建设研究

王仲，李世强

摘要：为研究数字孪生抽水蓄能电站的建设，分析了数字孪生抽水蓄能电站的现状，介绍了数字孪生抽水蓄能电站的总体架构、关键技术与建设内容。结果表明：目前，数字孪生抽水蓄能电站在标准、多专业协同、智能设备等方面有待完善。数字孪生抽水蓄能电站分别通过模型創建、数据中心、智能应用等进行管理；建设的核心技术主要体现为数据的实时采集、传输、分析处理，对不同专业数据进行数字化转化并按统一、清晰的划分层级进行融合。数字孪生抽水蓄能电站将在数据中心、三维数字平台、全景监控、数字化洞室、数字化大坝、数字化机组、数字化移交、智慧运维方面进一步发展。

关键词：抽水蓄能电站； 数字孪生； 三维数字平台； 智慧运维

中图法分类号：TV743文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.09.019

文章编号：1006-0081（2023）09-0110-06

0引言

目前中国已投产抽水蓄能电站总规模 3 249 万kW，主要分布在华东、华北、华中和广东；在建抽水蓄能电站总规模5 513万kW，约60%分布在华东和华北，已建和在建规模均居世界首位［1］，但是诸多生产技术、运营方式仍为传统模式［2］。目前，智慧工地、大坝智能碾压、机组运行监测中心、安全监控中心、基建管控平台、BIM+技术等，已经逐渐在部分抽水蓄能电站得到应用。然而，这些数字化技术各成一套体系，缺少一个集成各项数字化技术的管控中心以及具有可视化的数据中心，数字孪生技术的出现则很好地解决了该问题［3］。数字孪生电站可以利用三维模型作为载体，在可视化平台上进行动态模型构建与业务数据融合，提供施工进度、质量、安全、档案、监测、预警等数字化管控方案，实现抽水蓄能电站全生命周期管理过程中全景可视、实时采集、智慧监测、全过程管控。本文研究了数字孪生在抽水蓄能中的应用，介绍了具有全面感知、广泛互联、智能管控、科学决策的数字化抽水蓄能电站。

1数字孪生抽水蓄能电站现状分析

数字孪生抽水蓄能电站是指基于现实抽水蓄能电站创造出数字版“孪生体”，该“孪生体”的三维状态和进度、质量、安全、监测、管理、档案等各类数据，可通过网络、传感器以及多种信息录入渠道进行同步更新，从而与现实抽水蓄能电站的建设、监管和决策保持一致，形成一个动态的“孪生体”。数字孪生抽水蓄能电站属于广义数字化的一部分，其发展主要伴随计算机大规模普及与应用，从早期CAD、视频监控的单一数字化应用到后来的BIM、监测中心、工地管理系统等系统性的数字化应用，再到目前“十三五”“十四五”中规划的数字化产业升级，各数字化模块高速发展的同时出现了合并、互通的趋势，数字孪生抽水蓄能电站正是顺应了这一趋势［4］。

目前，抽水蓄能电站在数字孪生的进程中面临着诸多挑战：① 在制度标准方面，数字孪生抽水蓄能电站的建设还没有国家层面的实施标准，行业内部数字化发展侧重于执行标准，这些标准各不相同；② 在多专业融合方面，由于抽水蓄能电站项目体量大，涉及到的专业、厂家、公司繁多，行业技术壁垒高且部分数据属于机密文件，所以各专业数据接入数字孪生系统仍存在问题；③ 在系统与设备方面，目前网络搭建与硬件设施方面具备一定的条件，而且高效率、智能化数字平台的搭建与传感器的研发仍需要投入大量成本才能实现；④ 在数字化占比方面，数字孪生抽水蓄能电站如今做到了部分重点数据的录入与应用，数字化占比仍需提升。数字孪生抽水蓄能电站的发展目前正处于初步探索与应用研究阶段，本文从不同方向、层面、阶段对数字孪生抽水蓄能电站进行研究。

2数字孪生抽水蓄能电站总体架构

数字孪生电站的总体思路：基于电站的历史和实时全景数据、先进的算法模型，在数字空间中构建真实电站全生命周期的动态复制体，实现对电站状态和行为的智能化监控、诊断、预测、辅助决策与持续优化，总体架构如图1所示。

数字孪生电站总体架构中，在感知层通过视频监控、定位设备、监测设备、数据录入设备、各类高精度传感器获取抽水蓄能电站各项数据。通过展现层实现数字孪生电站与人之间的沟通，主要包含监控大屏，PC端、APP端等。大量信息数据的流通需要进行信息传输，网络运行环境、数据库以及存储、计算、网络和安全等硬件设施的建设，这一部分由网络层进行管理。关于虚拟电站建设部分，需要一个数字空间来容纳数字孪生电站，满足模型管理、数据管理、用户管理、权限管理、功能模块管理等各种需求，这部分通过三维数字平台层实现。数字孪生电站内部最核心的部分即模型、数据、应用，分别通过模型创建层、数据中心层、智能应用层进行管理。通过上述层级的设置搭建出数字孪生抽水蓄能电站方案的总体框架。

3数字孪生抽水蓄能电站关键技术

数字孪生抽水蓄能电站建设的核心技术主要体现为数据的实时采集、传输、分析处理，对不同专业数据进行数字化转化并按统一、清晰的层级划分进行融合，基于各类数字化信息进行分析运算衍生出不同方向的数字孪生应用。

3.1数据采集与传输技术

数字孪生抽水蓄能电站包含设计、管理、监测、分析等多类数据，数据的采集形式需要根据具体需求确定。设计类数据来源于多个厂家、设计部门，采集形式主要是各专业整合的数据包文件由项目组成人员梳理有效数据；管理类数据的采集是通过在业主管理系统中加入接口与数字孪生抽水蓄能电站连接，同步采集更新管理类数据；监测类数据的采集由高精度传感器实现，高精度传感器可以实时采集当前部位的数据并转换为电信号或其他所需形式的信息进行输出。

由于抽水蓄能电站主体部分位于山体内部，数据传输受地形和空间的限制，需要将无线5G传输技术和有线光纤传输技术结合使用。无线5G技术具有传输速度高、功耗低、延时低、覆盖广泛的特点。光纤传输具有通信容量大、传输损耗小、中继距离长、抗雷电和抗电磁干扰能力强、误码率低、传输可靠性高的特点。通过这两种传输方式可以将高精度传感器采集到的数据实时、安全传输至数据中心进行处理。

3.2多专业模型与数据融合技术

三维模型是数字孪生抽水蓄能电站可视化的重要组成部分，涉及地形地质、水工设施、机电设备、电气管线等多个专业的模型，各专业之间模型设计软件、精度、承载的功能、数据各不相同，模型进入数字孪生电站首先要统一格式，在此基础上根据功能设计、重点数据应用的调研、各参与方意见等多种因素确定各专业的模型精度并实现电站三维数字化平台的搭建。各专业三维模型融合完成后进行模型与数据的融合，这部分内容的核心是需要一个统一、合理、清晰的模型与数据层级划分清单，开发人员根据层级清单搭建三维场景和衔接对应部位数据后，再集成到数字孪生电站中，实现多专业模型、数据的融合［5］。

3.3数字孪生应用技术

数字孪生应用技术是数字孪生抽水蓄能电站的核心，它在物理电站同步的数字孪生空间内，提取重点部位的模型信息、监测信息、管理信息和相关数据进行专项功能应用。例如，电站建设运行中要对大坝的沉降位移和水压进行监测，通过调用大坝、监测点位的模型和实时监测数据进行拓展开发，得到大坝监测应用模块，在大坝监测应用模块中可以查看现实大坝各监测点位置与监测数据，还可以通过设置警报线对超过阈值的部位进行预警，并将预警信息推送至相关工作人员，这样不仅提高信息流通效率，还节省了大量人力、物力。数字孪生应用技术目前有施工资源投入、施工进度、质量监测、全景监控、数字化洞室、数字化水道、数字化大坝、数字化机组、数字移交、智慧运维模块等多项应用，这些应用结合各专业相关人员在调研阶段和使用过程中的具体意见定期迭代更新，给管理者和基层人员带来工作便利的同时，也可在电站建设、安全监测、数字化档案、电站运行管理方面为抽水蓄能电站带来实际的效益。

4数字孪生抽水蓄能电站建设内容及应用

4.1数据中心

数字孪生抽水蓄能电站数据中心的建设包含数据获取、数据处理、数据存储、数据服务四大核心功能：① 数据获取方面，构建通讯网关，针对时效性较高的监测系统，建立消息队列通道，实时订阅监测系统数据，达到数据的秒级传输，针对各大业务系统建立数据获取物理通道，基于各大业务系统提供的接口实现数据获取；② 数据处理方面，基于设备台账信息，对采集到的物联感知数据配置映射关系，根据孪生应用功能需要，对数据做轻量化、过滤处理、数据分析与数据运算等工作；③ 数据存储方面，构建电站级数据仓库，存储数字孪生功能所需要的业务数据、量测數据、计算与分析结果数据等，并且对仓库中的所有数据实现编码设计，按照业务系统制定不同规则且唯一可读的编码，为后期数据调用提供访问依据；④ 数据服务方面，基于数字孪生电站应用需求，构建标准化数据接口服务、消息队列数据服务与实时数据推送服务，实现数字孪生应用的数据获取与融合。例如，河北丰宁抽水蓄能电站、辽宁清原抽水蓄能电站等多个电站通过建设数据中心，为数字孪生电站的运行提供统一、有序、全面的数据访问服务。

4.2三维数字平台

三维数字平台是数字孪生抽水蓄能电站的基础支撑平台，是各专业共享、全要素集成、全流程一体化的现场施工管理三维数字平台。该平台为整个数字电站提供模型库、模型构建、模型加载、场景管理、数据交互等的三维可视化基础服务，利用数据接口将其他基建期业务数据在电站三维模型上集成展示，高效直观展现可视化的数据。这样不仅符合用户真实空间认知，同时还能够实现信息快速检索，方便展示隐蔽工程情况，降低管理人员数据分析的难度，实现数据的可视化监测、预警和分析，为管理人员决策提供辅助依据［6］。

4.3全景监控

全景监控是指将地形地貌模型、电站主体结构模型融合，直观展现出电站的竣工全貌，形成电站全景数字沙盘，结合各方面数据进行展示、对比、分析，实现全景监控［7］。① 视频监测方面，接入对应区域的视频监控、重点部位的全景影像，为管理人员提供一个可视的、实时的现场施工环境。② 资源投入方面，将各标段人员、车辆、施工设备等施工资源投入情况标定在沙盘的具体位置上，展现出各标段的施工资源投入情况，同时将施工资源投入情况与工程进度关联，可以查看工程在各个时间点的资源投入情况。③ 安全方面，将安全风险分布情况和安全违章情况录入数字电站对应的标段区域，展现不同阶段工程建设的安全情况与重大问题和问题处理反馈情况。④ 质量方面，将质量验评数据和质量问题整改情况与电站对应的区域挂接，直观展现工程各部位质量检查情况与整改情况。⑤ 进度方面，展示工程的计划进度推演、工程实际推演、计划进度与实际进度的对比分析等各类统计数据。上述基建管控内容结合数字电站沙盘构成的数字孪生电站全景监控模块，目前已在辽宁清原抽水蓄能电站得到应用，相对于传统的管理模式，全景监控很大程度上提高了管理者在建设过程中获取实时数据、进行各项分析的效率，也在进度、质量、安全、资源等多方面的管理决策中起重要的辅助作用。全景监控部分操作界面见图2。

4.4数字化洞室、数字化大坝、数字化机组

数字化洞室主要设有地下厂房、数字水道场景。地下厂房专项场景中，通过构建数字化洞室，将三维模型编码与业务单元建立关联，加载洞室开挖、支护、浇筑施工的人员、车辆、设备、进度等业务数据以及现场的物联数据，数字洞室与物理洞室同步施工，实现施工过程的可视化管理。数字水道专项场景是指输水系统中应用激光扫描技术开展隧道超欠挖分析、支护和衬砌工程量分析、现场对比验证、洞段超欠挖情况提示查询等服务。厂房位移监测界面与超欠挖分析界面见图3～4。

数字化大坝以上下库大坝模型为基础构建数字大坝专项场景，将碾压系统报告［8］、安全监测测点集成到三维模型上，配合三维激光大坝扫描模型，可以直观展现变形监测情况［9］。利用网络信息技术、物联网技术、北斗定位技术、云技术、数据融合技术、BIM技术、AI智能识别技术、无人机扫描技术，结合现场实际的施工管理体系，实现面向业主、设计、监理、承包单位的大坝工程施工信息采集与质量、进度、安全控制的综合管理系统。智能碾压界面与试验检测界面见图5～6。

数字化机组部分按照机组安装单元，将机组的设计、制造、安装、调试数据进行集成，基于机组安装单元模型，对机组安装过程进行可视化监控，实现多方参建单位机组安装协作与信息共享。数字化机组建立与水轮机、发电机、变压器等设备状态监测系统的信息交互接口，实现对机组振动、摆度、压力脉动、气隙、磁通量、局部放电、调速设备、励磁设备等发、变电主设备运行状态数据的信息的实时监测、越限告警。机组构造认知界面与机组安装调试界面见图7～8。

数字化专项场景中列举的这些应用在辽宁清原抽水蓄能电站均已得到应用，相对于涉及面广泛、维度多的全景监控，专项场景的应用是小范围、特殊场景、重要功能的应用。专项场景中的应用是落地到点、落实到具体某项在工程建设中的重要指标，在小范围内使用高精度模型，利用数字化前端发展的各类新技术，结合专项指标数据进行分析，从而实现相应的功能需求，层次渐进地对传统工作模式进行数字化升级。

4.5数字化移交

电站工程建设是一个多专业、多阶段、多方参与的过程。以往各阶段、各专业参与方形成的数字化成果由于种种原因并不能完全向下一阶段移交，显现出了数据完整性差、数字化成果共享率低、信息贯通性弱等问题。所以数字化移交可在电站工程建设初期就按统一标准对实体成果及时完成数字化，确保实体工程和数字化工程在时间维度上保持一致。在每一阶段，实体工程和数字化工程同步向下一阶段移交，能够精确、完整地反映实体工程的現状。构建电站工程全生命周期数字化移交系统，实现电站工程的自动化数据采集、快速信息查询、数据的打包发布等功能，提高电站工程数据利用率，提高电站建设精益化管理水平等。数字化移交是数据处理中重要的一环，将传统存档资料数字化，通过检索可快速进行查找，同时将模型与数据挂钩，可以对模型和数据进行双向的查询［10］。举例来讲，通过传统档案数据查寻大坝某一区域数据，需要先找到该区域图纸，按图纸内部编号寻找对应的设计、施工、质量检测等某类数据，这些数据都是单独为一类，每次都需要在大量同类型数据中筛查，而利用数字化移交模块，只需要点击模型对应区域，即可直达从设计到质量验收的各类数据。辽宁清原抽水蓄能电站通过数字化移交系统，实现了机组设备在规划设计、设备制造、施工安装及调试等各阶段交付物的上传，并且基于模型的可视查询，实现从基建期到生产期机组设备数据的无缝衔接，为电站运维期数字化应用提供数据基础。

4.6智慧运维

智慧运维部分包含电站设备状态智能预警、电站设备专业数据分析、电站设备健康状态评价、机组主设备故障诊断分析、智能巡检等［11］。电站智能预警模块包括动态阈值报警、趋势预警、模式异常预警等功能。专业数据分析是指针对不同的监测对象及数据，配置对应的专业分析工具对数据进行深度分析，包括振动摆度及压力脉动分析、发电机局部放电分析、主变油色谱分析等。电站设备健康状态评价包含设备状态评估、专项状态评估、试验数据评估、设备状态报告。机组主设备故障诊断分析是通过建立常见故障诊断知识库，利用故障树推理机技术，结合人工智能神经网络技术、机器自学习技术等对设备常见故障进行诊断。智能巡检是利用RFID技术和无线通信网络，实现智能化的人工巡检系统，并结合无人机、无人船、巡检机器人的应用，实现流域全线全覆盖的智能化立体式巡查管理，从而提升巡检工作的便捷性，提高巡检工作效率［12］。设备智能预警界面见图9。

5结语及展望

数字孪生抽水蓄能电站可利用计算机的算力、储存、智能化、高效率的优势，精准解决各类运算问题，高效完成重复性机械工作，储存电站各阶段产生的数据并进行应用，实现电站运营中智能监测等目标。因此，数字孪生抽水蓄能电站需要与实际电站全生命周期的真实状态保持同步，在该基础上分阶段衍生出不同方向的应用研究。在设计阶段，为各专业设计、管理人员提供一个协作设计管理平台，有利于项目信息沟通交流、方案对比、数据分析、设计进度的整体把控。在施工阶段，增加基建管控应用，融入实际进度数据，资源投入数据、安全数据、质量数据等基建期的各项专业数据，从而实现对施工阶段的全方面管控。在运营阶段，通过水工设施智能监测、发电机组设备及其附属设备监测、智能预警、专业数据分析等应用，实现抽水蓄能电站智能化运营。

在未来，数字孪生抽水蓄能电站的发展需在抽水蓄能电站中积极引用新技术、新方法、新思路，实现目前尚未落地的应用目标，发现新的应用方向；同时，还需对于已建抽水蓄能电站中的应用进行深挖与优化。在已有应用的数据中，进一步挖掘数据的应用价值，将数字孪生应用与抽水蓄能电站的实际生产运行紧密结合。通过数字孪生技术在抽水蓄能电站的广泛应用，实现抽水蓄能电站全生命周期的数字化转型，使抽水蓄能电站在经济、技术、效率、质量、管控、监测等各方面得到提升。

参考文献：

［1］国家能源局.抽水蓄能中长期发展规划（2021-2035年）［R］.北京：国家能源局，2021.

［2］陈根.数字孪生［M］.北京：电子工业出版社，2020.

［3］佟德利，郝峰，魏春雷，等.智能抽水蓄能电站工程数据中心建设研究［J］.水电与抽水蓄能，2019，5（4）：6-10.

［4］中华人民共和国中央人民政府.中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要［Z］.

［5］冯钧，朱跃龙，王云峰，等.面向数字孪生流域的知识平台构建关键技术［J］.人民长江，2023，54（3）：229-235.

［6］汪晓峰，廖文亮，毛学志，等.抽水蓄能电站基建期信息化建设研究［J］.低碳世界，2018，182（8）：94-95.

［7］叶宏，孙勇，韩宏韬，等.抽水蓄能数字化智能电站建设探索与实践［J］.水电与抽水蓄能，2021，7（6）：17-20.

［8］马雨峰，李斌，韩彦宝，等.数字化智能碾压系统在抽水蓄能电站中的应用［J］.西北水电，2018，171（4）：101-104.

［9］汪勇.基于三維激光扫描的水库大坝变形监测系统［J］.大坝与安全，2023，135（1）：68-71.

［10］刘国阳，张林.基于抽水蓄能电站三维信息模型的立体档案系统应用研究［J］.大坝与安全，2018，110（6）：27-29.

［11］黄勇，贾新会，刘晓东，等.基于“BIM+”技术的水电站智慧运维管控平台［J］.西北水电，2021，191（4）：87-91.

［12］刘小锟，冉洪伟，李琛.基于大数据分析的智慧水电站平台建设［J］.水利水电快报，2022，43（10）：95-98，118.

（编辑：江文）

Research on digital twin pumped storage power station

WANG Zhong，LI Shiqiang

（Beijing Engineering Corporation Limited，Beijing 100024，China）

Abstract： In order to study the digital twin pumped storage power station，the present situation of digital twin pumped storage power station was analyzed and the overall structure，key technology and construction content of digital twin pumped storage power station were introduced.The results show that the digital twin pumped storage power stations needed to be improved in terms of standards，multi-specialty collaboration and intelligent equipment at present.The digital twin pumped storage power station was managed by model creation，data center and intelligent application.The core technology of the construction was mainly reflected in the real-time collection，transmission，analysis and processing of data，the digital transformation of different professional data and the integration according to a unified and clear division level.The digital twin pumped storage power plants will strengthen the construction of data centers，three-dimensional digital platforms，panoramic monitoring，digital caverns，digital DAMS，digital units，digital transfer，and intelligent operation and maintenance.

Key words： pumped storage power station； digital twin； 3D digital platform； intelligent operation and maintenance