解读【英文】华能集团37页PPT：海上风电系统智能运维的数字孪生技术

为什么海上风电需要数字孪生

材料开篇交代背景：2020年9月22日，中国在第七十五届联合国大会上宣布碳达峰、碳中和目标。为实现这一目标，中国正在建设以可再生能源为主体的新型电力系统，不断扩大清洁能源产业规模，推动可再生能源替代。

海上风电被定位为清洁能源的战略选择。中国海域辽阔、海岸线长、岛屿众多，海上风资源密度高，海上风电资源量约为陆上的三倍，且具有发电量更高、运行更稳定、不占用土地、靠近负荷中心等优势。国家能源局数据显示，2024年中国新增风电装机79.82GW，其中海上风电4GW，累计海上风电装机已超过41GW，自2021年以来始终保持全球最大海上风电装机规模。

运维困局：被动维修与成本压力

材料指出，海上风电监测在范围和手段上都比较有限，数据采集与传输存在困难。海上风电多物理场耦合研究不足，缺乏模拟复杂系统行为的方法。

更关键的是，海上风电运维仍依赖被动式维修，缺少高效的智能运维系统，导致成本居高不下。材料将发展瓶颈归纳为几类：机组故障率高、维修工作量大；监测覆盖有限、数据采集碎片化、传输困难；多物理场耦合研究不足；影响运维过程的因素多，但缺乏综合智能系统支撑决策；同时经验人员短缺、信息化水平偏低。

这些瓶颈共同指向同一个方向：需要预测性和智能化的运维技术来提升可靠性与效率，这也成为海上风电管理未来的发展路径。

数字孪生的技术分层与核心价值

材料介绍，数字孪生已在航空航天、能源、电力、制造等行业广泛使用，覆盖设计、生产、运营、决策等场景，推动数据驱动和模型驱动的转型，使资源配置更广泛、更高效、更精准。

在技术架构上，材料给出了四层结构。功能层涵盖描述、分析、预测、决策。模型层包括几何模型、多模型构建与互操作。数据层涵盖数据采集、传输、处理、存储。物理层对应现实对象。其核心价值体现在过程可视化与控制、数字运营提效、协同价值链、数字孪生驱动的转型。

核心支撑技术包括多源异构数据集成、多模型构建与互操作、高实时动态交互。

技术路线图：虚拟与物理的双向映射

材料展示的技术路线图，围绕虚拟与物理之间的映射展开，形成闭环数据链路。气象数据资源包括气象、地形、场站数据以及风速风向等；设备数据资源涵盖设计参数、运行数据等。这些数据经采集后进入数字孪生系统，通过AI终端、无人机传感器等实现感知。

计算基础方面，材料列出了AI云计算、AI模型、ABM、VR、BIM、分布式云、机理建模、数据驱动模型、混合建模、仿真模型等要素和工业互联网数据枢纽。应用层面分为预测、检测、优化、决策四类：预测类包括风速风向预测；检测类包括性能分析与故障检测；优化类包括性能预测；决策类面向运维和管理决策。

整个路线图形成物理到虚拟映射、虚拟到物理控制的双向闭环，数据在各环节持续流转与反馈。

三项核心创新

创新一是机组—场站—环境全景监测。团队开发了柔性、宽量程的数据采集装置，跨不同网络分区采集海上波浪条件、风场性能、设备状态、安全数据等各类关键信息，并建立了快速、低失真的数据压缩与融合系统，首次形成连接机组、场站和环境的全景监测体系。其中全状态风机监测与数据采集系统覆盖叶片、塔筒、机舱等关键部件，支持音频、振动、激光等多种信号类型的综合测量。

创新二是海上风电场多层级数字孪生构建。团队建立了覆盖风电场流场、力学和电气的集成数字孪生模型，映射人员、设备、物料、方法、环境等关键运维要素，并设计了基于孪生性能的自校正机制。

创新三是基于数字孪生的预测性维护应用，实现性能退化预测、健康评估、智能运维决策和实时专家互动。其中健康评估技术综合能效结果、故障记录、预警和大部件寿命预测，给出健康度评分；智能运维决策则为海上风电定制优化策略，支持安全经济的调度与航线规划。

现场部署与八大应用系统

项目在华能浙江分公司某海上风电场进行了示范和测试，完成全系统部署，覆盖安全、工程、运维、运营四大主题，交付智能安防、工程管理、资源分析、智慧运维、健康管理、绩效优化六项核心功能。

材料列出了八大应用系统。一是集团—区域—场站一体化运维系统。二是安全与应急指挥系统，涵盖作业安全、信息安全、人员安全、站内安全和安全应急指挥中心。三是无人场站AI监控系统，由无人机和机器人解决场站与升压站的定期巡检问题。四是设备精细化管理体系，涵盖性能评估、故障检测、故障预警。五是全生命周期管理体系，覆盖资源评估、建设、生产、运营、评价五个阶段。六是经营与环境可持续一体化系统，涉及气象预报、成本管理、AI交易中心、电力市场交易、环境碳资产管理。七是风光火热储输一体化监管系统。八是源网荷储协调系统，以海上风电为基础，结合风、光、火、储，利用时间互补性平滑出力。

成果与知识产出

材料最后汇总了成果。依托状态监测、无人巡检、数据采集等方面的积累，团队共申请专利60余项，其中授权发明专利21项、实用新型专利9项、软件著作权9项。发表论文10篇，其中SCI期刊7篇、EI期刊3篇。此外还形成了两项企业标准，分别涉及台风期相关技术和海上风电运维人员安全技术指南。

在创新一的全景监测方面，团队获授权发明专利2项、实用新型专利3项，另有2项发明专利在审，登记软件著作权3项。在创新二的多层级数字孪生方面，发表学术论文4篇，获授权发明专利12项，实用新型与软件著作权4项，另有6项发明专利在审。在创新三的预测性维护方面，发表学术论文4篇，获授权发明专利3项，另有3项发明专利在审，登记软件著作权5项。报告还展示了发明专利证书、实用新型专利证书和计算机软件著作权登记证书等。

这组数据来自材料第4页，反映了我国海上风电装机的规模变化。图中横轴从2013年延伸到2021年，2021年总装机达到2639万千瓦，2020年新增装机为1739万千瓦。 根据国家能源局数据，2024年中国新增风电装机79.82GW，其中海上风电4GW，累计海上风电装机已超过41GW。自2021年以来，中国一直保持全球最大海上风电装机规模，这为数字孪生和智慧运维技术提供了广阔的应用场景和市场需求。

这组数据来自材料第30页的源网荷储协调系统。该系统以海上风电为基础，结合风、光、火、储，利用时间互补性平滑电力输出，降低波动对电网的影响。 图中给出的运行指标显示，弃风弃光率为0.04，覆盖率为0.91，碳减排减少961573.09吨。储能用于平抑极端功率波动，火电承担调峰调频，两者共同平抑整个综合能源基地的功率波动，提升供电品质。

这组数据来自材料第34页的成果汇总。团队共申请专利60余项，其中授权发明专利21项、实用新型专利9项、软件著作权9项；发表论文10篇，其中SCI期刊7篇、EI期刊3篇。此外还形成两项企业标准，涉及台风期相关技术和海上风电运维人员安全技术指南。 从创新分布看，全状态监测方向获授权发明专利2项、实用新型3项，另有2项在审，软件著作权3项；多层级数字孪生方向发表论文4篇，获授权发明专利12项，实用新型与软件著作权4项，另有6项在审；预测性维护方向发表论文4篇，获授权发明专利3项，另有3项在审，软件著作权5项。这些成果为海上风电数字孪生运维技术提供了较为系统的知识产权支撑。