《風電機組數(shù)字孿生系統(tǒng)-第1部分：總體要求》

01.040.29

K40

CES

團體標準

T/CESXXX-XXXX

風電機組數(shù)字孿生系統(tǒng)

第1部分：總體要求

（征求意見稿）

Digitaltwinssystemforwindturbines-Part1：Generalrequirements

XXXX-XX-XX發(fā)布XXXX-XX-XX實施

中國電工技術(shù)學會發(fā)布

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風電機組數(shù)字孿生系統(tǒng)第1部分：總體要求

1范圍

本標準適用于風電機組數(shù)字孿生系統(tǒng)的設計、建設、科學研究、應用相關(guān)領(lǐng)域。

本標準規(guī)定了風電機組數(shù)字孿生系統(tǒng)的術(shù)語與定義、風電機組數(shù)字孿生系統(tǒng)特征架構(gòu)及

組成、風電機組數(shù)字孿生系統(tǒng)技術(shù)要求、風電機組數(shù)字孿生系統(tǒng)評價指標及量化方法。

2規(guī)范性引用文件

下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期

的引用文件，僅該日期對應的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括

所有的修改單）適用于本文件。

GB/T2900.53-2001電工術(shù)語風力發(fā)電機組

GB/T18451.1-2022風力發(fā)電機組設計要求

GB/T35204-2017風力發(fā)電機組安全手冊

3術(shù)語和定義

下列術(shù)語和定義適用于本文件。

3.1

風力發(fā)電機組windturbinegeneratorsystem

將風的動能轉(zhuǎn)換為電能的系統(tǒng)。

3.2

數(shù)字孿生digitaltwin

針對物理實體，充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)

交互，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的高精度實時仿真過程，在虛擬空間中構(gòu)建

一個與物理實體完全等價的數(shù)字等價體，借此來實現(xiàn)對物理實體的了解、分析和優(yōu)化。

3.3

可視化與人機交互visualizationandhuman-computerinteraction

通過圖形化展示和用戶交互的方式，提供直觀、易理解和有效的用戶與計算機系統(tǒng)之間

1

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的溝通和互動，采用雙向通信協(xié)議在各類用戶終端，基于3D圖形引擎，實時動態(tài)展示系統(tǒng)

運行畫面；通過引入數(shù)據(jù)可視化技術(shù)，對比展示系統(tǒng)的動態(tài)響應過程。

3.4

物理層physicallayer

物理層包含輸變電設備設計、制造、交付、運維及報廢回收等全生命周期所涉及的物理

實體，其包括機器、人員、環(huán)境、材料等，是數(shù)字孿生的實現(xiàn)基礎(chǔ)。

3.5

傳輸層transmissionlayer

傳輸層的功能是為其他層級提供數(shù)據(jù)支撐服務，感知層采集到的物理實體數(shù)據(jù)通過傳輸

層實時傳遞給虛擬層，虛擬層的管理控制指令也可通過傳輸層傳遞給物理層，用以實現(xiàn)物理

層跟虛擬層之間的實時交互。

3.6

應用層applicationlayer

應用層是輸變電設備數(shù)字孿生全生命周期中的具體業(yè)務應用，其包括輸變電設備數(shù)字化

研發(fā)、智能制造、物理與數(shù)字體雙交付、智能運維等環(huán)節(jié)。

3.7

網(wǎng)絡層networklayer

網(wǎng)絡層負責將感知層獲取的信息，安全可靠地傳輸?shù)綉脤?，然后根?jù)不同的應用需求

進行信息處理。

3.8

平臺側(cè)通信網(wǎng)platformsidecommunicationnetwork

是一種用于連接云計算平臺和終端用戶設備的通信網(wǎng)絡，是由一系列網(wǎng)絡設備和技術(shù)組

成的，包括云服務器、API接口、網(wǎng)絡協(xié)議等。

3.9

邊緣網(wǎng)關(guān)bordergateway

部署在網(wǎng)絡邊緣側(cè)的網(wǎng)關(guān)，通過網(wǎng)絡聯(lián)接、協(xié)議轉(zhuǎn)換等功能聯(lián)接物理和數(shù)字世界，提供

輕量化的聯(lián)接管理、實時數(shù)據(jù)分析及應用管理功能。

3.10

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要素孿生模型digitaltwinmodelofelement

風電機組要素的數(shù)字孿生模型，包括葉片孿生模型、機艙孿生模型、塔筒孿生模型等。

3.11

數(shù)字線程技術(shù)digitalthreadtechnology

指可擴展、可配置的組件化的企業(yè)級分析通訊框架，基于該框架可以展示資產(chǎn)數(shù)據(jù)在整

個生命周期與價值鏈全部環(huán)節(jié)的跨層次、跨尺度、多視圖模型的互聯(lián)的數(shù)據(jù)流集成視圖，是

數(shù)字孿生技術(shù)體系中最為關(guān)鍵的核心技術(shù)。

3.12

業(yè)務系統(tǒng)businesssystem

根據(jù)應用需求完成對物理實體和孿生模型所產(chǎn)生數(shù)據(jù)的深度挖掘與特征提取，從而實現(xiàn)

運行性能分析、狀態(tài)監(jiān)測、故障預警等功能的服務平臺。

4風電機組數(shù)字孿生系統(tǒng)特征、架構(gòu)及組成

4.1風電機組數(shù)字孿生系統(tǒng)特征

風電機組數(shù)字孿生體是融合狀態(tài)全面同步感知、多領(lǐng)域融合精準映射、可全景化數(shù)字呈現(xiàn)、

模擬仿真推演、模型遷移及優(yōu)化自主更新、邊緣治理等功能為一體的平臺?？梢杂脕肀O(jiān)測風電機

組的性能和健康狀況，進行實時狀態(tài)監(jiān)測和故障預警，提高機組的可靠性和可用性，并降低運營

和維護成本?？梢杂糜趦?yōu)化風力發(fā)電機組的設計和運行策略，提高其發(fā)電效率和經(jīng)濟性。作為對

數(shù)字孿生技術(shù)的應用探索，應重點關(guān)注智能算法拓展接口、邊緣側(cè)治理架構(gòu)與模型自學習自更新

等方面的研究。

4.2風電機組數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)

風電機組數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)圖見圖1，該系統(tǒng)以數(shù)字孿生平臺為中心，主要包括物理層、

系統(tǒng)層和應用層三個部分。

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圖1風電機組數(shù)字孿生體系架構(gòu)

4.3風電機組數(shù)字孿生系統(tǒng)組成

風電機組數(shù)字孿生系統(tǒng)的組成應包括：硬件設備/設施、軟件系統(tǒng)/功能。選項包括：必

需、建議、自選，具體應根據(jù)應用需求根據(jù)表1進行功能選配。

表1風電機組數(shù)字孿生系統(tǒng)組成選配

選項

風電機組數(shù)字孿生系統(tǒng)選配項

必需建議自選

風力發(fā)電機組部件/單機/場群√

機組運行輔助工具√

機組數(shù)據(jù)采集/傳感器設備√

邊緣計算設備√

硬件設備/設施云服務設備√

電力傳輸設備√

電力并網(wǎng)系統(tǒng)設備√

氣象環(huán)境監(jiān)測設備√

激光雷達/GPS定位設備√

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數(shù)據(jù)傳輸/網(wǎng)絡通訊設備√

數(shù)據(jù)存儲設備√

能源供應設備√

計算機/服務器設備√

人機交互設備/終端√

風機運行狀態(tài)監(jiān)測功能√

風電機組部件健康管理功能√

風機運行故障診斷和預警功能√

風機運行控制優(yōu)化功能√

機組綜合資源管理功能√

數(shù)據(jù)庫/知識庫√

設備聯(lián)網(wǎng)功能√

信息接入功能√

3D可視化建模/管理功能√

備份與存儲功能√

用戶管理系統(tǒng)√

系統(tǒng)綜合管理中心/儀表盤√

風機/場群管理系統(tǒng)√

機組運行狀態(tài)監(jiān)測主系統(tǒng)√

機組各部件狀態(tài)監(jiān)測子系統(tǒng)√

軟件系統(tǒng)/功能數(shù)據(jù)采集/治理系統(tǒng)√

模型構(gòu)建/部署系統(tǒng)√

模型驗證、優(yōu)化、更新系統(tǒng)√

模型綜合管理系統(tǒng)√

故障診斷和預警告警系統(tǒng)√

運行性能評價及優(yōu)化系統(tǒng)√

控制策略構(gòu)建/管理系統(tǒng)√

風機全生命周期管理系統(tǒng)√

設備維護系統(tǒng)√

容錯管理系統(tǒng)√

安全管理系統(tǒng)√

應急指揮控制系統(tǒng)√

人力資源管理系統(tǒng)√

輔助設計和交付系統(tǒng)√

培訓和教學系統(tǒng)√

能效管理系統(tǒng)√

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5風電機組數(shù)字孿生系統(tǒng)技術(shù)要求

5.1風電機組數(shù)字孿生模型要求

風電機組數(shù)字孿生模型應滿足如下要求：

1）應包括描述實際風電機組葉片、輪轂、機艙、塔筒、發(fā)電機及輔助設備等關(guān)鍵部件

物理結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)；

2）應包括描述實際風電機組機械特性、電磁特性、載荷特性等關(guān)鍵部件物理屬性及其

變化規(guī)律的動力學模型；

3）應包括實際風電機組轉(zhuǎn)矩控制、變槳控制、偏航控制等控制系統(tǒng)及相應的執(zhí)行機構(gòu)

的控制模型；

4）應具有整體性和靈活性，風電機組數(shù)字孿生模型應涉及部件級、機組級等不同尺度，

服務于不同的業(yè)務需求；

5）應具有準確性和有效性，能夠?qū)崿F(xiàn)對風電機組涉及機械、電子、電力的多領(lǐng)域融合

數(shù)據(jù)實時映射，并能夠高精度的對整機動態(tài)載荷進行仿真；

6）應能夠以直觀的方式展示風電機組數(shù)字孿生模型狀態(tài)和運行過程，助力實現(xiàn)風電機

組實時狀態(tài)監(jiān)測、故障預警及排查等應用場景；

7）應具有可預見性，能夠通過仿真和對各部件運行特性高精度推演一定程度預測風電

機組未來狀態(tài)，用于風電機組預警、新型控制策略驗證等應用場景；

8）風電機組數(shù)字孿生模型機組級仿真精度應滿足實際風電機組運行的感知、監(jiān)測以及

對未來的短期預測；

9）風電機組數(shù)字孿生模型應具有包含智能算法的API數(shù)據(jù)接口，應能夠有效連通風電

機組各要素，應具備實時交互功能；

10）應具有時效性、自適應性以及智能性，在運行過程中利用實時采集的運行數(shù)據(jù)實現(xiàn)

模型結(jié)構(gòu)和參數(shù)的自學習、自更新、自優(yōu)化。

5.2數(shù)據(jù)交互與存儲技術(shù)要求

數(shù)據(jù)交互與存儲應滿足如下要求：

1）應具備與機組實時、高效、準確、安全的數(shù)據(jù)交互能力，支持不同采樣頻率數(shù)據(jù)、

信息的通訊及存儲能力，包括轉(zhuǎn)速、漿距角等低頻數(shù)據(jù)及電壓、頻率等高頻數(shù)據(jù)的

實時通訊、存儲；

2）應具備數(shù)字孿生模型與機組之間的數(shù)字線程交互通訊能力，支持TCP、UPD、HTTP、

MQTT和文件等至少5種數(shù)據(jù)流交互方式，支撐多類型數(shù)據(jù)快速流轉(zhuǎn)和無縫集成；

3）應具備支持云邊端協(xié)同部署的能力，支持OTA下載；

4）平臺側(cè)數(shù)據(jù)交互協(xié)議架構(gòu)應能支撐服務平臺與數(shù)字空間的數(shù)據(jù)交互，具備大規(guī)模數(shù)

據(jù)存儲及處理能力；

5）平臺側(cè)通信網(wǎng)應支持海量多類型設備接入并能夠?qū)Ω髟O備模型統(tǒng)一定義，采用高度

安全的通信協(xié)議和技術(shù)，具備高可靠性和穩(wěn)定性；

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6）邊緣側(cè)數(shù)據(jù)交互協(xié)議架構(gòu)應涵蓋物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層和應用層五

層，支撐業(yè)務數(shù)據(jù)需求；

7）邊緣網(wǎng)關(guān)應支持多類型終端接入，支持至少2300+個點（1s采集頻率）1個月原始數(shù)

據(jù)的存儲及批量化處理，具備數(shù)據(jù)加密和認證能力，適配OPC、TCP/IP、UDP等多

種通信方式；

8）應支持TimescaleDB、PgSQL、Minio等不同規(guī)模實時數(shù)據(jù)庫的部署和使用，滿足生

產(chǎn)區(qū)、管理區(qū)相應信息安全等級保護要求；

9）應支持設定時長和采樣頻率的歷史數(shù)據(jù)采集、存儲、調(diào)用和管理，并且配置國內(nèi)主

流數(shù)據(jù)庫（如TiDB、OceanBase、PolarDB等）作為歷史數(shù)據(jù)庫平臺；

10）應支持多采樣頻率實時流數(shù)據(jù)的高保真通訊，支撐各類型業(yè)務功能對數(shù)據(jù)訪問的實

時性需求。

5.3系統(tǒng)集成及仿真技術(shù)要求

仿真應滿足如下要求：

1）應能滿足各級別實時仿真需求，如風機部件級、機組級實時仿真；

2）應能配置模型組態(tài)以調(diào)整參數(shù)實現(xiàn)各種部件、機組仿真和調(diào)試；

3）進行長時間數(shù)字孿生仿真時，應合理部署對應的風電機組數(shù)字孿生模型，并以實際

風電機組輸出來驗證、優(yōu)化和更新孿生模型，保證孿生模型輸出的有效性；

4）進行實時仿真時，應根據(jù)仿真任務需求合理選擇部件級、機組級孿生模型，保證仿

真計算的實時性；

5）進行實時仿真時，應使用更新為與當前風電機組狀態(tài)一致的孿生模型進行仿真；

6）進行預測性仿真時，仿真過程耗時應控制在基于仿真的決策的時效范圍內(nèi)；

7）進行驗證性仿真時，應單獨構(gòu)建對應的風機孿生模型進行獨立仿真；

8）應具備實時仿真軟硬件環(huán)境，如支持實時仿真的操作系統(tǒng)、應用軟件的軟件環(huán)境以

及高算力和高性能的硬件環(huán)境。

5.4可視化與人機交互技術(shù)要求

可視化與人機交互應滿足如下要求：

1）應滿足設備級、機組級可視化，支持外形、材質(zhì)、位置、動作等要素的狀態(tài)可視化；

2）應滿足基于3D圖像對物理風機和虛擬風機同步運行狀態(tài)對比展示與分析；

3）應滿足支持圖形、圖表界面展示物理、虛擬風電機組運行流數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)；

4）應滿足支持特定場景設定、特定場景狀態(tài)檢測、特定測點數(shù)據(jù)調(diào)取和觸控展示及特

定狀態(tài)預警展示；

5）應滿足支持系統(tǒng)組態(tài)、調(diào)試仿真、孿生模型參數(shù)設定、用戶管理等操作；

6）應滿足支持多模態(tài)材料（文檔、音頻、視頻、圖像等）的采集和存儲；

7）應滿足支持人機交互界面文字風格、界面風格、圖像風格等風格的設計；

8）應滿足支持風電機組三維模型的漸進式動畫展現(xiàn)、手動視角模型切換；

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9）應滿足支持多種前后端雙向數(shù)據(jù)通信協(xié)議在各類用戶終端進行數(shù)據(jù)交換；

10）應滿足綜合提供運行監(jiān)視、三維模型展示、參數(shù)調(diào)整、設備預警、故障分析等多種

能力。

5.5文檔要求

相關(guān)文檔編寫應滿足如下要求：

1）文檔內(nèi)容應描述清晰，包括使用的技術(shù)、步驟流程、參數(shù)配置、數(shù)據(jù)備忘以及其他

需要注意的細節(jié)；

2）文檔應以統(tǒng)一的格式編寫，包括各級標題、文本、圖標以及表的格式。

6風電機組數(shù)字孿生系統(tǒng)評價指標及量化方法

6.1指標設立原則

建立風電機組數(shù)字孿生評價指標體系目的在于能夠擁有一套全局的、系統(tǒng)性的指標量化

評價方法能夠準確、規(guī)范地評價風電機組數(shù)字孿生系統(tǒng)整體性能。指標設立應遵循以下原則：

1）突出性：指標的設立和選取應側(cè)重于風電機組數(shù)字孿生系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)風電機組的

新增量特征，不應去和傳統(tǒng)風電機組的共同特征；

2）互斥性：每項指標原則上不與其他指標重復計算；

3）可量化性：每項指標原則上應能夠基于具體公式或方法進行量化計算；

4）綜合性：基于用戶偏好和業(yè)務需求定制風電機組數(shù)字孿生系統(tǒng)綜合評價方法。

6.2指標權(quán)重確定原則

針對不同用戶對風電機組數(shù)字孿生系統(tǒng)的各項性能的關(guān)注點不同，以及不同業(yè)務對風電

機組數(shù)字孿生系統(tǒng)的各項性能的需求不同，科技與自定義權(quán)重的方式，定制風電機組數(shù)字孿

生系統(tǒng)綜合評價方法，指標權(quán)重的制定應遵循以下原則：

1）指標權(quán)重取值范圍應大于0且小于等于1；

2）指標權(quán)重取值應與業(yè)務重要程度、用戶偏好程度成正比。

6.3數(shù)據(jù)可采集性

數(shù)據(jù)可采集性是指風電機組及信息系統(tǒng)中可被采集獲取的數(shù)據(jù)種類數(shù)量與數(shù)據(jù)種類總

數(shù)量的比值，是衡量風電機組是否符合要求的指標之一。量化計算公式見式（1）。

可采集的風電機組數(shù)據(jù)種類個數(shù)+可獲取的信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)種類個數(shù)

數(shù)據(jù)可采集性=×100%（1）

風電機組數(shù)據(jù)種類總數(shù)+信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)種類總數(shù)

6.4數(shù)據(jù)完備性

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數(shù)據(jù)完備性是指風電機組孿生數(shù)據(jù)包括的數(shù)據(jù)種類個數(shù)去除重復的數(shù)據(jù)種類個數(shù)后與

數(shù)據(jù)種類總數(shù)的比值，是衡量風電機組孿生數(shù)據(jù)是否符合要求的指標之一。量化計算公式見

式（2）。

風電機組孿生數(shù)據(jù)種類個數(shù)-風電機組孿生數(shù)據(jù)重復種類個數(shù)

數(shù)據(jù)完備性=×100%（2）

風電機組數(shù)字孿生數(shù)據(jù)種類總數(shù)

6.5數(shù)據(jù)準確性