摘要：數字孿生是推動電力裝備領域數字化、智能化、信息化的關鍵技術之一，液流電池是一種新型綠色的電化學儲能電池。基于數字孿生思想，對全釩液流電池儲能運維系統(tǒng)進行研究，提出構建多源異構數據統(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系。應用基于數字孿生的全釩液流電池儲能運維系統(tǒng)，能夠監(jiān)控、診斷、預測物理世界產品的可能狀態(tài)，實現信息的高度融合。
1.研究背景
在雙碳目標下，儲能已經成為支撐以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的關鍵技術和構建智能電網的靈活性資源。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的發(fā)展。由此，儲能電站的智慧化運維和精細化管理技術是儲能技術未來發(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。二是數據分析，通過監(jiān)測平臺收集儲能電站運行的海量數據，對電池性能演變規(guī)律進行研究，優(yōu)化系統(tǒng)設計。三是控制策略，根據運行數據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)調實現儲能電池的最優(yōu)運行，延長儲能電池在役壽命，實現儲能設備利用率最大化。
大規(guī)模全釩液流電池儲能電站設備數量多，自然環(huán)境復雜，監(jiān)測難度大，監(jiān)測內容除了荷電狀態(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。采用數字孿生及信息計算機技術，可以實現對儲能系統(tǒng)運行風險辨識、風險評估、安全管控、設備狀態(tài)與健康度預測預警、隱患排查及治理，進而實現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，完成電化學反應。反應后溶液回至儲液槽，活性物質不斷循環(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不存在于電池內部，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計，可實現長時儲能，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，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)設計靈活；④電堆易于模塊組合，蓄電容量便于調節(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，受設置場地限制小；⑦儲能系統(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外大規(guī)模儲能的首選技術之一。
3.數字孿生概述
數字孿生是一種實現運行中的真實設備與系統(tǒng)向虛擬化模型映射的技術，充分利用真實設備運行模型、實時傳感器數據、運行歷史數據等，從不同方面實現真實世界至虛擬空間的模擬，從而實現真實設備整個運行狀態(tài)的全過程數字化。借助安裝在物理設備上的各類傳感器，基于機器學習分析和相關虛擬仿真技術，數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。數字孿生利用傳感器、物聯網、５Ｇ通信、人工智能等技術，對真實物理世界的實體對象進行描述、診斷、預測與決策，是未來復雜電網實現安全、穩(wěn)定、經濟運行的理想途徑之一。數字孿生融合眾多前沿信息技術，可以通過虛實交互，實現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)的數字化、網絡化、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
運維技術對于儲能系統(tǒng)全生命周期管理至關重要，儲能系統(tǒng)若要在指定周期內盡快填補前期投入成本，真正實現盈利的目標，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，層層排查設備故障原因。若設備出現故障不能及時工作，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）設備數量多，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，監(jiān)測內容包括電堆電壓、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）數據龐雜，實時性要求高。儲能系統(tǒng)運行中數據量龐大，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。電力數據分析結果需要具備實時性，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.數字孿生儲能運維技術功能
可視化的數字孿生通過物聯網、大數據、機器學習等技術，以異構計算為核心任務，高效融合計算、存儲、網絡，通過人、機、網、物深度融合，形成邊緣與云端結合的全層次開放架構，提高儲能的智能化運維水平，更好體現全釩液流電池安全、可靠、經濟、高效運行的本質要求。
數字孿生使數據更鮮活，降低運維成本。數字孿生技術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、大數據存儲、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、儲能資產性能狀況，提前識別安全風險，并實現少人、無人值守，故障迅速響應和解決，極大降低運維成本。
物聯網設備實時接入，大數據分析能力強。大數據分析算法以深度學習為主，還包括知識計算、可視化等。數字孿生運維系統(tǒng)支持多種數據源實時接入，通過標準接口接入儲能設備數據。物聯網設備將傳感器和其它連接設備集成至智能運維平臺，實現儲能系統(tǒng)的智能運維。
實現智能巡檢監(jiān)測與搶修。基于數字孿生的全釩液流電池儲能運維技術支持集成視頻監(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，實現異常事件的實時報警。
6.全釩液流電池儲能運維系統(tǒng)設計
6.1 基本原理
利用數字孿生技術構建全釩液流電池儲能運維系統(tǒng)可視化數字平臺，關鍵在于利用各類傳感技術，將在現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據仿真重現在三維數字孿生世界中。全釩液流電池儲能運維數字孿生原理如圖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據源。依托大數據和人工智能技術，數字孿生儲能運維系統(tǒng)能夠對各類數據進行處理判斷，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，最終實現儲能運維系統(tǒng)直觀清晰感知、完整數據集成、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 多源數據信息融合狀態(tài)監(jiān)測
基于數字孿生的多源融合狀態(tài)監(jiān)測技術架構如圖３所示。數據是數字孿生的核心要素，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)境數據、維護數據、運行數據等，并始終伴隨物理實體的運行。處理多源異構數據是數字孿生技術中的一個重要節(jié)點，也是可視化決策系統(tǒng)應用的關鍵基礎步驟。
全釩液流電池儲能運維系統(tǒng)在運行過程中產生大量基礎數據，包括電池電壓、溫度、內阻，循環(huán)系統(tǒng)的流量、液位、壓力，以及各種地圖要素數據、紅外圖像、監(jiān)測視頻數據等不同類型結構的數據。有效實現多源異構數據的融合，實現數據的統(tǒng)一與共享，是智能運維面臨的主要問題。對此，需要將多源異構數據的信息融合在一起，形成一個可用于數字孿生可視化的統(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據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)的多源異構數據特點，建立一個多源異構數據統(tǒng)一信息融合模型。多源異構數據融合的處理方式分為四個步驟：數據獲取、數據整合、關聯關系建立、入庫及調用。在多源異構數據統(tǒng)一融合模型中，將提取到的有效數據通過網絡通信技術輸送至云端，對各類數據進行分類管理，再將其有機地索引、融合在一起，最后存儲調用。
為了充分融合多源異構數據的特征，在對多源異構數據整合之前，需要先對不同的數據進行預處理。將不同來源的數據通過相應的處理工具轉換為統(tǒng)一的電子數據格式，在紅外圖片、可見光圖片、視頻等數據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。多源異構數據統(tǒng)一融合模型在對相關數據進行采集和預處理之后，需要對相關數據的信息進一步關聯，以完成深層次的數據整合。
對不同類別的數據使用空間索引和時間索引算法，為電壓、電流、溫度、壓強、內阻等實時物理數據增添對應的時間和空間信息，對多源異構數據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構數據，如紅外圖像、可見光圖像、地理信息系統(tǒng)數據、傾斜攝影測量等，需要對各類圖進行坐標轉換及圖層分割，再基于人工神經網絡區(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據作為參數融入多個單圖層，形成融合多源異構數據的疊加式空間模型，并在同一界面展示全釩液流電池儲能運維系統(tǒng)的關鍵內在參數和環(huán)境數據。
6.3 三維虛擬孿生模型映射
數字孿生是現有或將有的物理實體對象的數字模型，通過實測、仿真、數據分析來實時感知、診斷、預測物理實體對象的狀態(tài)，通過優(yōu)化控制策略來調控物理實體對象的行為，通過相關數字模型間的相互學習來進化自身，同時改進利益相關方在物理實體對象生命周期內的決策。在數字孿生系統(tǒng)中，數字空間需要根據實體設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、物理結構關系、運動特性等方面的一致性。建立數字孿生系統(tǒng)，需要做到設備同步。搭建一套基于真實儲能系統(tǒng)的虛擬儲能系統(tǒng)，對真實設備進行三維建模，將三維模型放至線上虛擬場景內，對不同工況下電池內部機、電、熱、化多物理場耦合環(huán)境和外部所有要素都進行數字化建模，實現真實儲能系統(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，從數字孿生的角度出發(fā)，將數據驅動與模型驅動結合，構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系。通過數字孿生實現模擬現實中的突發(fā)危險情況，捕獲不同風險因素、操作場景、框架配置的數據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系，在技術上形成一個完整的閉環(huán)。通過基于數字孿生的三維虛擬孿生模型，提高復雜產品設計與后續(xù)裝配、運行、故障、維護、報廢之間的并行和協(xié)同。虛擬世界的產品從物理世界中得到高實時性數據，經過高保真的建模仿真和分析，反過來監(jiān)控、診斷、預測物理世界產品的可能狀態(tài)，最終實現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結構如圖４所示。
基于數據驅動構建實時仿真的溫度、電壓、電流、流量、液位、壓力等多物理場數字孿生模型，數據驅動可以繞過復雜的物理建模過程，并且利用輸入輸出數據很好地描述物理過程。結合系統(tǒng)的監(jiān)測數據、試驗數據等，利用機器學習方法構建輸入數據與輸出數據之間的數據模型，實現電力裝備運行的物理現象和機理由數據模型來進行表征，完成對電力裝備的孿生。
隨著輸入數據或經驗越來越多，模型會不斷改進與完善。數據驅動建模的訓練可能會遇到與不穩(wěn)定性相關的問題，然而一旦完成訓練，模型在使用時便具有穩(wěn)定性。多物理場模型構建所測得的運行數據包括設備屬性和外部條件兩部分。運行指標中的靜態(tài)參量是根據儲能電池設備情況及工作環(huán)境得到的，可以作為恒定不變的常數輸入模型。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構上的高精度傳感器測量得到。上述運行數據一方面用于構建并分析數字孿生內部模型，另一方面用于驗證模型的準確性并進行優(yōu)化。多物理場模型構建所測運行數據見表１。
7.結束語
筆者研究了基于數字孿生的全釩液流電池儲能運維系統(tǒng)的原理，提出了構建基于數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，提出一種多源數據融合狀態(tài)監(jiān)測技術，實現多源融合過程，兼顧各種數據模態(tài)的優(yōu)點。從數字孿生角度出發(fā)，基于數據驅動和模型驅動構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。通過數字孿生模擬現實中的突發(fā)危險情況，構建不同風險因素、操作場景、框架配置的數據重建模型，實現預測性維護。
基于數字孿生的全釩液流電池儲能運維系統(tǒng)通過多源數據信息融合、三維實景模型搭建，形成多物理場數字孿生模型，從而為完成安全預警和健康狀態(tài)評估提供了可靠保障。
