基于三维数字孪生的光伏场站智能运维方法及系统与流程

本说明书实施例通常涉及光伏场站智能运维，尤其涉及一种基于三维数字孪生的光伏场站智能运维方法及系统。

背景技术：

1、大型光伏场站逐步采用三维建模、数字孪生、在线监测及故障诊断技术，实现设备状态展示、运行数据汇集和异常识别。现有故障诊断通常依据辐照度、功率、电流电压特性或图像等信息判断运行异常。对于山地、丘陵等复杂场站，地形、厂房、箱变、围墙等遮挡物随太阳位置变化会对不同光伏阵列形成时变阴影，造成组件失配及阵列短时出力下降。部分现有告警仍采用统一或固定的功率偏差阈值，难以区分阴影引起的正常功率波动与组件、逆变器等设备异常，易产生无效告警并增加人工甄别负担。因此，如何利用场站已有三维几何信息准确表征阴影对阵列出力的影响，并据此提高功率异常告警的判别准确性，仍是光伏场站智能运维中需要解决的问题。

技术实现思路

1、本申请实施例提供了一种基于三维数字孪生的光伏场站智能运维方法及系统，以至少解决如前所述相关技术中存在的部分技术问题。

2、根据本申请实施例一方面，提供了一种基于三维数字孪生的光伏场站智能运维方法，包括：

3、从光伏场站三维数字孪生场景中提取地形高程数据、构筑物几何数据及各光伏阵列的位置、朝向、额定功率和电气拓扑参数；根据遮挡物高度与太阳高度角范围，确定各光伏阵列的阴影计算范围；

4、在多个代表性时间点上，根据太阳位置和所述阴影计算范围内的遮挡物数据计算各光伏阵列的阴影分布，结合所述电气拓扑参数将所述阴影分布转换为预期出力比例，生成阴影时间表；

5、在运行阶段，根据所述阴影时间表及所述额定功率与当前辐照度计算各光伏阵列的预期有功功率，当实测功率偏离所述预期有功功率超过告警容差时触发告警；

6、当告警触发时，以告警时刻对触发所述告警的光伏阵列重新执行阴影分布计算，得到实时预期出力比例并据此计算精确预期功率，将实测功率与所述精确预期功率的偏差同分类判定容差比较，将告警分类为阴影相关类或疑似设备故障类；

7、在所述三维数字孪生场景中根据所述告警分类结果呈现可视化标注。

8、作为一种可选的方案，所述计算各光伏阵列的阴影分布，包括：将光伏阵列表面按组件排布位置划分为网格，每个网格单元对应一个光伏组件；对每个网格单元的中心点，沿所述时间点对应的太阳光线入射方向发射射线，检测所述射线是否与所述阴影计算范围内的遮挡物几何体相交；将与遮挡物几何体相交的网格单元标记为受遮挡状态，未相交的网格单元标记为直射光照状态；统计处于受遮挡状态的网格单元占网格单元总数的比例，作为阴影覆盖率。

9、作为一种可选的方案，所述结合所述电气拓扑参数将所述阴影分布转换为预期出力比例，包括：根据光伏阵列的组串数量和每条组串的组件数量，将所述网格单元与组串中的组件建立对应关系；对每条组串，统计处于所述受遮挡状态的网格单元数量作为被遮挡组件数量；以各组串中未被遮挡的组件数量占组串组件总数的比例的算术平均值，作为预期出力比例。

10、作为一种可选的方案，所述确定各光伏阵列的阴影计算范围，包括：根据场站所在地纬度、运行日期范围和每日运行起止时刻，计算运行时段内太阳高度角的最小值；根据所述太阳高度角的最小值和所述三维数字孪生场景中遮挡物的最大高度，按三角函数关系计算阴影最远水平投射距离；以各光伏阵列中心为基准、以所述阴影最远水平投射距离为半径，将半径范围内的遮挡物纳入对应光伏阵列的阴影计算范围。

11、作为一种可选的方案，所述根据所述阴影时间表及所述额定功率与当前辐照度计算各光伏阵列的预期有功功率，包括：从所述阴影时间表中按当前日期和时刻查询或插值得到当前的预期出力比例；将所述额定功率、当前辐照度与标准测试条件辐照度的比值以及所述预期出力比例三者相乘，得到预期有功功率。

12、作为一种可选的方案，所述以告警时刻对触发所述告警的光伏阵列重新执行阴影分布计算，包括：以告警发生的精确时间戳计算对应时刻的太阳方位角和太阳高度角；以所述太阳方位角和太阳高度角确定太阳光线入射方向，按照与生成所述阴影时间表时相同的阴影分布计算方法，对触发所述告警的光伏阵列执行阴影分布计算，得到所述实时预期出力比例。

13、作为一种可选的方案，所述将告警分类为阴影相关类或疑似设备故障类，包括：当实测功率与所述精确预期功率之差的绝对值不超过所述分类判定容差时，将告警分类为阴影相关类；当实测功率低于所述精确预期功率与所述分类判定容差之差时，将告警分类为疑似设备故障类。

14、作为一种可选的方案，所述告警容差通过以下方式确定：采集场站历史运行数据中各光伏阵列在无遮挡且晴天时段的实测功率与理论功率之间的偏差样本，计算所述偏差样本的标准差，将所述标准差与置信系数的乘积作为所述告警容差，所述置信系数取值范围为2至3。

15、作为一种可选的方案，所述在所述三维数字孪生场景中根据所述告警分类结果呈现可视化标注，包括：对阴影相关类告警，在触发所述告警的光伏阵列表面叠加半透明材质以标注阴影覆盖区域，沿阴影投射方向绘制指示线标识遮挡来源，并将告警标记图标更换为阴影类专用样式；对疑似设备故障类告警，按标准告警流程执行标记，并在告警详情中附加阴影因素排除后的推算数据。

16、根据本申请实施例的另一方面，提供一种基于三维数字孪生的光伏场站智能运维系统，包括：

17、数据提取与范围确定模块，用于从光伏场站三维数字孪生场景中提取地形高程数据、构筑物几何数据及各光伏阵列的位置、朝向、额定功率和电气拓扑参数；根据遮挡物高度与太阳高度角范围，确定各光伏阵列的阴影计算范围；

18、阴影时间表生成模块，用于在多个代表性时间点上，根据太阳位置和所述阴影计算范围内的遮挡物数据计算各光伏阵列的阴影分布，结合所述电气拓扑参数将所述阴影分布转换为预期出力比例，生成阴影时间表；

19、告警触发模块，用于在运行阶段，根据所述阴影时间表及所述额定功率与当前辐照度计算各光伏阵列的预期有功功率，当实测功率偏离所述预期有功功率超过告警容差时触发告警；

20、告警分类模块，用于当告警触发时，以告警时刻对触发所述告警的光伏阵列重新执行阴影分布计算，得到实时预期出力比例并据此计算精确预期功率，将实测功率与所述精确预期功率的偏差同分类判定容差比较，将告警分类为阴影相关类或疑似设备故障类；

21、可视化标注模块，用于在所述三维数字孪生场景中根据所述告警分类结果呈现可视化标注。

22、本申请利用光伏场站三维数字孪生场景中已有的地形、构筑物及光伏阵列几何数据，对不同时间条件下的阴影遮挡进行计算，并结合阵列电气拓扑确定预期出力比例，由此形成考虑实际遮挡影响的动态功率基线；当功率异常触发告警后，再依据告警时刻重新计算实时阴影分布和精确预期功率，对阴影引起的正常出力下降与设备异常进行区分，使告警判定建立在排除阴影影响的基础上，从而提高光伏场站异常识别的准确性和运维处置的可信度。

1.一种基于三维数字孪生的光伏场站智能运维方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算各光伏阵列的阴影分布，包括：将光伏阵列表面按组件排布位置划分为网格，每个网格单元对应一个光伏组件；对每个网格单元的中心点，沿所述时间点对应的太阳光线入射方向发射射线，检测所述射线是否与所述阴影计算范围内的遮挡物几何体相交；将与遮挡物几何体相交的网格单元标记为受遮挡状态，未相交的网格单元标记为直射光照状态；统计处于受遮挡状态的网格单元占网格单元总数的比例，作为阴影覆盖率。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述结合所述电气拓扑参数将所述阴影分布转换为预期出力比例，包括：根据光伏阵列的组串数量和每条组串的组件数量，将所述网格单元与组串中的组件建立对应关系；对每条组串，统计处于所述受遮挡状态的网格单元数量作为被遮挡组件数量；以各组串中未被遮挡的组件数量占组串组件总数的比例的算术平均值，作为预期出力比例。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定各光伏阵列的阴影计算范围，包括：根据场站所在地纬度、运行日期范围和每日运行起止时刻，计算运行时段内太阳高度角的最小值；根据所述太阳高度角的最小值和所述三维数字孪生场景中遮挡物的最大高度，按三角函数关系计算阴影最远水平投射距离；以各光伏阵列中心为基准、以所述阴影最远水平投射距离为半径，将半径范围内的遮挡物纳入对应光伏阵列的阴影计算范围。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述阴影时间表及所述额定功率与当前辐照度计算各光伏阵列的预期有功功率，包括：从所述阴影时间表中按当前日期和时刻查询或插值得到当前的预期出力比例；将所述额定功率、当前辐照度与标准测试条件辐照度的比值以及所述预期出力比例三者相乘，得到预期有功功率。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述以告警时刻对触发所述告警的光伏阵列重新执行阴影分布计算，包括：以告警发生的精确时间戳计算对应时刻的太阳方位角和太阳高度角；以所述太阳方位角和太阳高度角确定太阳光线入射方向，按照与生成所述阴影时间表时相同的阴影分布计算方法，对触发所述告警的光伏阵列执行阴影分布计算，得到所述实时预期出力比例。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将告警分类为阴影相关类或疑似设备故障类，包括：当实测功率与所述精确预期功率之差的绝对值不超过所述分类判定容差时，将告警分类为阴影相关类；当实测功率低于所述精确预期功率与所述分类判定容差之差时，将告警分类为疑似设备故障类。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述告警容差通过以下方式确定：采集场站历史运行数据中各光伏阵列在无遮挡且晴天时段的实测功率与理论功率之间的偏差样本，计算所述偏差样本的标准差，将所述标准差与置信系数的乘积作为所述告警容差，所述置信系数取值范围为2至3。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在所述三维数字孪生场景中根据所述告警分类结果呈现可视化标注，包括：对阴影相关类告警，在触发所述告警的光伏阵列表面叠加半透明材质以标注阴影覆盖区域，沿阴影投射方向绘制指示线标识遮挡来源，并将告警标记图标更换为阴影类专用样式；对疑似设备故障类告警，按标准告警流程执行标记，并在告警详情中附加阴影因素排除后的推算数据。

10.一种基于三维数字孪生的光伏场站智能运维系统，其特征在于，包括：