基于全生命周期的新能源数字化系统及功能应用规划研究

纪方旭 何尧玺 李雪松 曾戌运 杨奕帆

摘 要：针对大型清洁能源基地新能源场站在全生命周期业务管控的需求，基于物联感知、大数据分析、AI诊断、三维可视化、智能图像识别等先进技术，研究并提出了可涵盖新能源场站—区域集控—公司总部的数字化系统建设蓝图和架构体系。通过规划项目前期管理、工程建设管理、生产运营管理、业务支撑保障等四大领域的功能应用以及数字化平台基础设施的建设任务，为新能源发电企业提供可借鉴的数字化解决方案。

关键词：新能源发电；全生命周期；数字化规划

中图分类号：TM71  文献标志码：A

0 引 言

近年来，国内积极响应构建以新能源为主体的新型电力系统的倡议，推动可再生能源替代行动的实施计划，加快推进清洁能源大基地建设[1]。2023年3月，国家能源局发布《关于加快推进能源数字化智能化发展的若干意见》，提出推动形成能源智能调控体系，推动数字化、智慧化技术在新能源行业全覆盖应用[2]。工业和信息化部等五部门联合印发《智能光伏产业创新发展行动计划（2021—2025年）》，提出智能光伏系统要实现自感知、自诊断、自维护、自调控等技术和管理目标[3-4]。这些政策为新能源数字化转型发展提供了重要的政策支持和指导。

当前，数字化技术的发展日新月异，各新能源发电企业数字化转型及建设处在不同阶段，在基础设施支撑、系统功能架构、数据管理应用、网络安全防护、新技术融合创新以及信息化运营保障等诸多方面都不同程度地存在一些问题，亟待优化提升。为加强数字化顶层设计，统筹场站—区域—总部各层级的数字化系统建设，消除数字化系统架构差异，避免数字化业务功能重叠、数据多源重复、数据标准不一致等问题，越来越多的新能源企业开始意识到数字化建设的重要性，并积极开展企业数字化转型及建设工作，以提升生产效率、降低运营成本、优化管理模式[5-6]。

1 规划蓝图

基于新能源建设和运营管理业务需求，提出企业新能源数字化的建设蓝图、总体架构和功能应用，助力新能源场站的标准化建设、智能化运维和一体化管理。基于全生命周期数字化管控平台和信息化基础设施，围绕项目前期管理、建设期管理、运营期管理、业务保障支撑四大核心领域进行规划建设，以实现多场景的数字化管理。业务蓝图如图1所示。

1.1 项目前期管理

工程项目前期以科学规划设计、全过程数字化管控为目标，通过建设市场开发项目管理、投资造价管理、投资经营性评估等系统，为项目的开发投资决策提供科学依据。通过对现场踏勘管理、项目管理信息、业务流程管理、项目风险、投资造价编制、投资经济性评估等资料文件进行数字化归集，构建全生命周期的资料库。

1.2 工程建设管理

工程建设期聚焦于提升工程管理效率，通过建设工程控制台、质量管理、进度管理、安全任务管理、技术管理和综合管理等功能，实现工程项目总体态势的监控、处置以及工程全要素的管理。其中，工程控制台功能实现项目信息、人员、项目进度、安全检查统计、质量检查统计及重要公告展示等；进度管理功能帮助公司监控各个项目的工程目标与进度，及时发现所属项目的进度风险点；质量管理功能实现对工程质量进行辅助诊断、流程验收及质检管理；安全任务管理功能实现对日常安全任务问题单的闭环管理，推动安全问题的快速解决；技术管理功能实现对各专业技术监督、技术支持和技术文档资料的管控。

1.3 生产运营管理

在生产运营阶段，重点围绕如何实现电站的“无人化”管理，分别建设新能源集控系统和智慧生产运营管理平台。新能源集控系统支撑生产业务系统运行监视、远程调度控制和故障告警，实现对场站的远程监视、集中控制，为场站的无人化提供基础条件。智慧生产运营平台业务分为运营业务和运维业务，运营业务以数字孪生等技术为依托，实现场站的三维可视化看板，基于多维数据的大数据分析平台，实现对场站运行的总体态势监控和关键对标指标、绩效考核指标、发电计划指标、发电量指标、发电效率指标、运营考核指标的分析呈现，辅助运营管理人员进行管理决策；运维业务则实现新能源场站的生产管理、智能诊断、智能装备巡检等核心业务功能，达到无人值班、少人值守的目标。

1.4 业务保障

保障业务主要包括智能安防、智能消防、智能物资和安全管理等。智能安防、消防系统通过高清视频监控、AI、传感、无人机等技术，提升新能源大基地安全等级，提高安保效率，降低安保成本，保障新能源场站安全运行。智能物资管控系统实现对物资的统一编码及区域物资的联储联备。安全管理系统对新能源场站建设及运营阶段提供综合人员、设备、环境等全方位的安全保障和对自然灾害的监测预警。通过统一规划，为新能源场站的安防、消防、物资仓储和安全监测提供全生命周期一体化业务保障。

2 架构设计

2.1 业务架构

按照业务规划的总体思路，业务架构设计实现从项目前期到运行期的全场景业务覆盖、运营流程作业的全过程管理、管理过程全自动化和支撑运营决策过程的全可视化。通过对主要发电集团新能源公司数字化系统建设情况的调研和行业技术发展趋势分析，结合公司各部门及场站新能源业务管控需求，业务架构主要围绕项目前期管理业务、工程建设业务、生产运营业务、全生命周期保障业务四个领域进行规划设计。业务架构如图2所示。

2.2 应用架构

新能源信息化业务应用围绕项目前期管理、工程建设管理、生产运营管理等四大领域进行平台应用体系及功能建设。业务应用功能按照纵向管控、决策支撑、横向协同、高效运营等目标进行设计，保障企业的业务系统共建共享、智能互联。应用架构如图3所示。

新能源信息化业务应用功能建设的任务，一是面向新能源企业项目前期新能源场站投资造价编制和规划设计人员，对能源市场开发项目综合分析和科学规划设计，并对前期的资料进行数字化归集管理。二是面向工程项目管理相关人员，对新能源场站建设过程中的质量、进度、安全、物资、人员、车辆等全要素进行高效管控。三是面向运营期相关人员实现新能源场站运行可视化监视、调度控制、故障告警、智能诊断、智能装备巡检、运营综合指标分析等功能，为新能源场站的安全高效运营提供数字化手段。四是智能安防、智能消防、智能物资、安全管理等业务系统的建设，为业务支撑提供保障。

2.3 技术架构

按照业务及配套基础设施需求，规划建立“1+4+N”的新能源数字化业务应用体系，“1”为1个统一的数字化平台，“4”为4个业务应用体系，“N”为各应用体系包含的若干应用。总体技术架构如图4所示。

通过一体化的数据底座和集约化的平台架构，实现数据共享、业务联动和统筹管理。平台提供统一、开放的标准接口，以支持多系统接入和扩展新的应用。数字平台主要包括以下功能组件：

（1）物联网平台。负责各子系统设备状态、告警收集及相关控制指令下发，支撑对末端设备的可视化运营，实时掌控设备状态。

（2）视频监控平台。通过视频云平台视图资源共享及智能图像处理技术，提供丰富的智能算法，提升视频图像处理效率及业务协同能力。

（3）大数据平台。通过对新能源场站相关数据的整合，向下提供全部子系统和其他平台的数据集成接口，向上提供数据服务、计算能力接口给应用系统。

（4）三维可视化平台。对新能源场站空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述。

（5）人工智能平台。对生产区场站监控数据以及管理区智能巡检设备（如无人机、巡检机器人、清扫机器人、摄像机、智能穿戴设备等）采集视频图像数据进行智能分析，识别设备缺陷，有助于设备预测性维护。

2.4 数据架构

数据架构主要对场站业务数据分层管理方案进行规划，目标是实现公司数据的规范性、一致性、准确性和完整性，同时解决信息集成共享和资源的重复利用问题，并在此基础上，充分挖掘数据的价值，有效支持业务数据管理和经营决策分析。总体数据架构如图5所示。

数据架构包含数据源、采集交换层、存储处理层、计算分析层、访问使用层。数据来源于公司内外部，从空间维度看，主要产生于新能源场站、区域集控、总部管理部门；从时间维度看，主要产生于项目的工程建设期和生产运维期。根据不同的业务需求，采用实时和非实时两种采集策略，在采集手段上分为拉取、推送和虚拟连接三种方式。

通过数据的采集进入数据仓库，或通过数据交换实现信息系统间的数据交互、数据共享需求。对结构化数据及非结构化、半结构化数据类型，使用不同的数据存储和处理策略形成混合式架构，使用可扩展的分布式存储方式进行实时在线、批量数据处理计算与转换，同时提供多种类型的数据服务，供业务人员开展尝试性数据分析挖掘。

采用多种分析工具和手段构建统一的分析服务能力，实现查询、分析、挖掘、预测等数据分析应用，并可以形成特定的数据产品服务用于智能决策、趋势分析等应用场景。所有数据分析应用的结果，在统一架构下为公司内外部各个层级、各种类别的用户提供多种业务支撑。

建设期中会产生设备资产数据、BIM数字化模型数据、图纸数据、基建档案数据、合同管理数据等，需要通过对这些数据进行治理，规范数据管理标准，从公司层面统一设备和物资编码体系，实现从建设期到运维期的数据迁移和数据全生命周期管理。加强建设期与运维期的数据集成关联，为运维期的设备维护检修提供数据分析与决策支撑。

2.5 集成架构

按照“少人无人化运营管理”的建设理念，在区域侧建设区域集控一体化管理平台，实现对各个新能源场站的统一运营管理，将场站侧各独立的设备和业务子系统集成至区域侧，通过一体化平台拉通数据，实现业务接口标准化，各系统间信息共享和业务协同。集成架构如图6所示。

新能源区域集控一体化管理平台实现三个层级的集成。一是场站侧生产区和管理区的集成，如实现基于管理区气象系统的功率预测。二是区域侧新能源集控中心和管理区智慧生产运营管理平台的集成，实现区域侧整体运营数据的打通。三是区域侧和场站侧的跨区域集成，实现在区域集控中心对新能源场站的运行监控和集控集维。

2.6 网络安全架构

网络安全架构设计以“安全第一、预防为主、管理与技术并重、综合防范”为方针，以“安全分区、网络专用、横向隔离、纵向加密”为原则，满足电力行业网络安全等级保护体系（等保2.0）的“纵深防御、集中管控”要求，构建集识别、防护、检测、响应于一体的防护能力。网络安全架构如图7所示。

区域集控侧与新能源场站安全一区之间的数据通信线路为电力专线。安全二区之间为电力专线或运营商专线，配置纵向加密及防火墙设备保护数据传输安全。区域集控侧与新能源场站管理信息大区（安全三区）之间的数据通信线路为运营商专线/互联网专线，采用防火墙、VPN专线等方式保证边界与数据传输的安全。

3 结束语

通过产业政策洞察、行业调研剖析及业务需求分析，对新能源发电企业全生命周期数字化系统建设进行了深入研究，提出了可涵盖新能源场站—区域集控—公司总部的数字化系统建设蓝图和业务架构、应用架构、技术架构、数据架构、集成架构、网络安全架构。规划的项目前期管理、工程建设期管理、生产运营期管理和业务支撑保障等四大业务体系及功能应用等建设方案，对国内新能源企业数字化建设具有较强的指导意义，有助于提高企业生产运营管理水平和场站运维效率、降低运营成本和安全管理风险，促进企业数字化转型和高质量发展。

参考文献：

[1] 杨昆.推动实现“碳达峰、碳中和”加快构建以新能源为主体的新型电力系统[J].中国电力企业管理，2021（13）：50-53.

[2] 高虎.着力推进能源高质量发展 加快能源绿色低碳智能化转型：深入学习贯彻党的十九届五中全会精神[J].中国能源，2020，42（12）：4-7，20.

[3] 王阔，刘辉.面向新能源多业务场景的大数据平台构建关键技术与应用[J].全球能源互联网，2022，5（2）：157-165.

[4] RAJENDRAN B，VAIRAVASUNDARAM I. Control Techniques for Renewable Energy Integration with Shunt Active Filter：A Review[J]. International Journal of Ambient Energy，2023，44（1）：424-441.

[5] 石小飞.拥抱数字时代 加快建设能源互联网企业：访国网互联网部主任魏晓菁[J].国家电网，2021（12）：76-79.

[6] 郑杨，王雨薇.江苏省化工行业的能源供需互动及节能提效发展路径研究[J].机电信息，2024（1）：25-29.

A New Energy Digital System and Its Functional Application Planning Based on the Whole Life Cycle

JI Fangxu 1，HE Yaoxi 1，LI Xuesong2，ZENG Xuyun1，YANG Yifan1

（1. China Yangtze Power Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China；2. Southwest Electric Power Design Institute Co.，Ltd.，China Power Engineering Consulting Group，Chengdu 610056，China）

Abstract：To meet the operational needs throughout the entire life cycle of large-scale clean energy bases，we propose a comprehensive digital system blueprint and architecture encompassing new energy stations，regional centralized control，and corporate headquarters by employing advanced technologies such as IOT sensing，big data analysis，AI diagnosis，three-dimensional visualization，and intelligent image recognition. Functional applications are developed across four major domains：planning pre-production management，engineering construction management，production and operation management，and business support. Together with the construction of the digital platform infrastructure，these research findings provide digital solutions for new energy power generation enterprises.

Key words：new energy generation；the whole life cycle；digital planning

基金项目：长电新能有限责任公司项目（4223020049）

作者简介：纪方旭，男，工程师，博士，主要研究方向为新能源业务数字化运营管理体系。E-mail：ji_fangxu@ctg.com.cn