CN108027908A - 模拟方法和系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于模拟诸如风电场、太阳能动力设备和制造设施的实物资产的方法和系统，所述方法包括以下步骤：a)收集输入数据；b)建立实物资产的虚拟版本；c)设置模拟长度；d)使用在步骤a)中收集的数据来根据模拟算法运行模拟；以及e)生成输出报告。

Description

模拟方法和系统
技术领域
本发明涉及一种用于模拟实物资产的方法和系统，所述实物资产诸如风电场、太阳能动力设备、制造设施等。
背景技术
风电场运营商需要风电场以最大的利用率和性能来运行，但是这并非由于风力涡轮机、变电站、电缆、气象桅杆以及位于所述风电场中的其他风电场资产的非计划和计划的停机以及计划的工作而实现的。为了在所述风电场的使用寿命内增加其利用率和性能，需要以最佳方式对其进行建造、运行和维护。这是通过具有最佳运行和维护策略、具有正确数量和类型的可用资源等来实现的。
风电场运营商和服务提供商不了解最佳方式是什么，因为不存在稳健方法来使得能够理解为什么所述风电场未以最佳方式运行，而不是靠经验来理解。
用于估算风电场的性能的现有解决方案是：ECN O&M工具、ECN OMCE和NOWIcob。
ECN O&M工具由荷兰能源研究中心开发并且是基于Microsoft Excel的电子表格工具，其具有用于近海风电场的用户界面，所述用户界面计算而不模拟近海风电场在所述风电场的使用寿命(通常为25年)内的平均性能。ECN OMCE由荷兰能源研究中心开发，并且是基于Matlab的近海风电场模拟工具，其具有用户界面，所述用户界面可估算运行和维护近海风电场所需的船舶和技术人员的最佳数量。它在模拟中缺乏高水平的细节。ECN OMCE未连接到输入数据库或输出数据库，并且也不能够分析风电场行为。
NOWIcob由挪威科技工业研究院(Sintef)开发，并且是基于Matlab的近海风电场模拟工具，其具有简单的用户界面，所述用户界面可估算运行和维护近海风电场所需的船舶和技术人员的最佳数量。它在模拟中缺乏高水平的细节。NOWIcob未连接到输入数据库或输出数据库，并且也不能够分析风电场行为。NOWIcob能够生成综合天气时间序列。
在US8489247中描述了一种控制至少一个风力涡轮机的操作的方法。
US20130030784描述了用于确定可再生能源发电站的最佳配置的实施方案。本文件的焦点在于发电机/存储系统的经济型建模。
US20120053984描述了一种与风险管理系统一起使用的系统。描述了一种维护日志处理器。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于实物资产的改进的模拟方法和系统，所述实物资产诸如风电场、太阳能动力设备、制造设施等。
这在用于模拟诸如风电场、太阳能动力设备和制造设施的实物资产的方法中实现，所述方法包括以下步骤：
a)收集输入数据；
b)建立实物资产的虚拟版本；
c)设置模拟长度；
d)使用在步骤a)中收集的数据来根据模拟算法运行模拟；以及
e)生成输出报告。
这也在包括用于执行方法步骤的模块、算法和用户界面的模拟系统中实现。
由此收集的数据被用于模拟并且生成输出报告。这提供了非常逼真和详细的模拟。
从属权利要求中描述了本发明的合适的实施方案。
在本发明的一个实施方案中，在a)中收集的输入数据是从用户界面或数据库收集的。
在本发明的一个实施方案中，在b)中建立的实物资产的虚拟版本包括围绕实物资产的组织，诸如在所述实物资产中工作的人员、是所述实物资产的一部分的机器和其他设施、以及物流元素(例如船舶、直升机、车辆)。
在本发明的一个实施方案中，在c)中设置的模拟长度包括设置模拟运行长度和模拟运行的次数。
在一个实施方案中，步骤e)中的输出报告包括结果的可视化。这可为动画可视化。其也可为GIS、图形信息系统、地图。在一个实施方案中，提供用户界面，用户可与所述用户界面交互以执行以下各项中的一项或多项：输入数据、建立虚拟风电场、定义模拟场景、记录结果、观看结果、观看动画、观看可视化、生成报告、导出结果和/或导出输入数据。由此实现了用户友好的模拟系统。
在本发明的一个实施方案中，步骤d)中的模拟算法是基于基于代理的建模和离散事件建模。由此提供了逼真和详细的算法。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施方案的模拟系统通用过程的流程图。
图2是风力涡轮机的示意图。
图3是根据本发明的一个实施方案的模拟系统的模块以及它们如何与若干算法互连的示意图。
图4示出根据本发明的一个实施方案的模拟系统架构。
具体实施方式
本发明是一种用于模拟和记录诸如风电场、太阳能动力设备和制造设施的实物资产以及在给定的年数内安装、操作和维护所述实物资产所需的资源的性能和信息的模拟系统和方法。所述模拟系统可应用于实物资产的生命周期的所有阶段中：规划和设计、安装、运行和停运。具体地，所述系统使用用户或系统管理员提供的数据和/或从随附数据库提供的数据，并且/或者从例如风电场监视控制和数据采集(SCADA)系统、风电场状况监测(CM)系统和风电场维护日志(在实物资产为风电场的实例中)收集数据。所述信息随后由系统进行分析和利用，从而使得其能够帮助用户更有效地规划、设计和/或管理其实物资产，例如风电场。
与背景技术章节中提到的一些现有技术方法相比，根据本发明的模拟方法不是利用控制算法来控制真实系统中的部件的控制系统(例如，控制例如叶片的桨距角和/或机舱的方向的风力涡轮机控制系统)，而是如上所述的用于模拟实物资产的生命周期的一些或全部阶段(规划、设计、安装、运行和停运)的方法。选择以下进一步描述的模拟方法(基于代理和离散建模)以适合这个目的。
本发明提供了一种用于模拟实物资产的方法和系统，所述实物资产诸如风电场、太阳能动力设备和制造设施。所述方法包括以下步骤：
a)收集输入数据；
b)建立实物资产的虚拟版本；
c)设置模拟长度；
d)使用在步骤a)中收集的数据来根据模拟算法运行模拟；以及
e)生成输出报告。
在a)中收集的输入数据可在本发明的一个实施方案中从用户界面或数据库收集。
在b)中建立的实物资产的虚拟版本在本发明的一个实施方案中包括围绕实物资产的组织，诸如在所述实物资产中工作的人员、是所述实物资产的一部分的机器和其他设施、以及物流元素(例如船舶、直升机、车辆)。
在本发明的一个实施方案中，在c)中设置的模拟长度包括设置模拟运行长度和模拟运行的次数。
在本发明的一个实施方案中，步骤e)中的输出报告包括结果的可视化。
在本发明的一个实施方案中，所述方法还包括提供用户界面，用户可与所述用户界面交互以执行以下各项中的一项或多项：输入数据、建立实物资产的虚拟版本和围绕其的组织、定义模拟场景、记录结果、观看结果、观看动画、观看可视化、生成报告、导出结果和/或导出输入数据。
在本发明的一个实施方案中，步骤d)中的模拟算法是基于基于代理的建模和离散事件建模。
在本发明的一个实施方案中，步骤a)还包括为虚拟风电场的每个部分生成失效时间TTF。
在本发明的一个实施方案中，步骤a)包括从用户或数据库收集数据。在本发明的一个实施方案中，步骤a)包括从来自对应于在b)中建立的实物资产的虚拟版本的真实实物资产的测量或从数据库收集实物资产信息。在本发明的一个实施方案中，实物资产信息是从监视控制和数据采集(SCADA)和/或状况监测(CM)系统收集的数据。
在本发明的一个实施方案中，步骤a)包括收集天气和海洋气象信息。在本发明的一个实施方案中，步骤a)包括收集与维护相关的资源信息。在本发明的一个实施方案中，资源信息是围绕备件和技术人员的运输并执行操作的技术人员信息和物流。
在本发明的一个实施方案中，步骤d)还包括以下步骤：
-在模拟模块中创建和存储工令；
-通过利用与步骤a)中收集的维护相关的资源信息来协调工令的执行方式。
在本发明的一个实施方案中，步骤e)还包括动画可视化。
在本发明的一个实施方案中，步骤a)包括从运行中的实物资产(例如像风电场)中的适当位置中的维护记录收集数据。在本发明的一个实施方案中，步骤a)包括从用户收集与计划的维护活动相关的信息。
在本发明的一个实施方案中，步骤a)还包括从用户界面收集关于安装日程安排以及所述实物资产(例如风力涡轮机、变电站、电缆)中的不同物理实体之间的安装依赖性的数据的步骤。
在本发明的一个实施方案中，步骤a)还包括从用户界面收集关于所述实物资产中的不同物理实体所需的安装活动(例如完成、调试和测试)的数据的步骤。
在本发明的一个实施方案中，步骤a)还包括从用户界面或数据库收集关于包括所述实物资产的物理实体部分的部件的数据的步骤。在本发明的一个实施方案中，步骤a)还包括从用户界面收集关于所述实物资产中的所述物理实体的失效模式的数据的步骤。
在本发明的一个实施方案中，步骤a)还包括从用户界面或数据库收集数据以创建保存在数据库中的物流单元的虚拟版本的步骤。
在本发明的一个实施方案中，步骤d)还包括仅运行一次模拟运行。在本发明的一个实施方案中，步骤d)还包括并行地运行多个模拟运行。
本发明的一个实施方案是模拟系统(参见图1和图4)，其用于收集101和预处理与风电场相关的输入数据；利用用户输入数据402建立102虚拟风电场；输入数据库数据403或收集的风电场数据401；设置模拟运行长度和运行次数103；在预定数量的小时/天/年内模拟104风电场的安装、运行和停运；以及记录、可视化和报告105来自所述模拟的输出。模拟系统过程在图1中描绘，并且模拟系统架构在图4中描绘。
风电场在本文被用作实例，但是也可使用另一种实物资产，例如像太阳能动力设备或制造设施。
虚拟风电场是具有风力涡轮机201(参见图2)的所想的、规划的、正在建设中的或建造的风电场以及诸如电缆、变电站、港口、地基和物流解决方案的电厂配套设施(BoP)系统、以及风电场运营商组织与技术人员、以及服务提供商、以及运行和维护策略和/或安装策略和/或停运策略的数字化表示。
输入数据可来自多个来源，但是最常见的是用户402、监视控制和数据采集(SCADA)和状况监测(CM)系统和维护记录，这些记录在运行的风电场401中的适当位置中或者来自是所述模拟系统的一部分的输入数据库403。
风力涡轮机(图2中示出)通过迫使叶片202旋转毂203将来自风的动能转换成电能来发电，所述毂203连接到使发动机在机舱204内转动的轴。由风力涡轮机产生的电能的量通常由风力涡轮机的标称额定功率或额定功率水平以及风力涡轮机所位于的场地处的风况(例如地形、风速等)来确定。机舱204坐落在连接到过渡件和/或基座206的塔架205的顶部上。经常多个风力涡轮机协同定位在风电场中以便产生供应给电网的电能。
风电场中的风力涡轮机201和诸如电缆、变电站、港口、地基等的电厂配套设施(BoP)系统的布局在地理信息系统(GIS)地图中用纬度和经度或其他地理信息来指定。
风电场可位于陆地上，因而被称为陆上风电场，或者位于水中，因而被称为近海风电场。陆上风电场与近海风电场之间的差异在于物流，其中陆上风电场需要车辆来进行物流，而近海风电场需要船舶和/或直升机来进行物流。本发明可用于陆上风电场和近海风电场。本发明还可用于所有其他实物资产，诸如太阳能动力设备、水力发电厂、海底生产设施、制造工厂、一般的车队管理、一般的建筑项目以及一般的停运项目。
根据本发明的模拟系统仅仅是可在非常高水平的细节下模拟例如像风电场的实物资产的安装、操作和维护并且因此以高精度估计所述风电场的行为的模拟系统。
当例如风电场处于运行生命周期阶段时，与来自实物资产的输入数据(SCADA和CM系统数据)相结合的高水平细节将会进一步由于输入数据中的较少的不确定性而提高模拟结果的精度。
停机时间是例如风力涡轮机/风电场未准备好运行的小时数/天数/周数/月数/年数。停机时间是所述风力涡轮机处于非运行状态直到所述风力涡轮机由风力涡轮机技术人员、协调管理器、风电场运营商或服务提供商恢复回运行状态之间的时间。
基于生产的和基于时间的可用性是实物资产的两个度量，诸如风电场和风力涡轮机的利用率和性能。基于生产的可用性是如果所有风力涡轮机在所述时间段内工作，那么在一段时间内产生的实际电能与所述时间段的电能产生的比率。基于时间的可用性是风电场中的一个风力涡轮机或者所有风力涡轮机已准备好产生电能的时间的部分。
风电场运营商和服务提供商一直在努力实现每个生产单位的电能的尽可能最低的运营支出(OPEX)。OPEX被定义为风电场运营商必须运营和维护所述风电场的所有直接支出。
风电场运营商一直在努力实现尽可能最低的生产损失。生产损失是当风速在所述风力涡轮机的切入速度与切出速度之间时由于所述风力涡轮机未在生产而导致的未实现的电能生产。
停机时间的根本原因在于所述模拟系统的模拟运行的重要测量，以理解所述风电场的操作和维护中哪些导致所述基于生产的可用性、所述基于时间的可用性、所述生产损失、所述利用率和所述性能。停机时间的根本原因测量根本原因已导致停机时间的小时数/天数/周数/月数/年数。根本原因如以下但不限于：时间等待、天气等待、技术人员等待、船舶等待、规划等待、处理等待、由于运输的等待、由于健康的等待、安全和环境限制等。
可在真实的实物资产(例如像风电场)中测量的所有关键性能指标都可在实物资产的虚拟版本(诸如虚拟风电场)中测量。
风电场运营商希望优化电能年产量(AEP)，并且因此希望在所述风电场生命周期的设计阶段和运行阶段过程中优化运行和维护(O&M)。通过使用所述模拟系统从数据库或用户或SCADA系统或CM系统中收集数据、以串行或并行方式运行单个或多个模拟运行、生成利用率和性能数据(输出)、生成模拟运行的可视化、将输出写入数据库来实现O&M的优化。
实物资产的经营者和所有者希望限制所述实物资产的建造和停运成本，并且因此希望优化项目进度、资源分配和工作流程。诸如甘特图的输出提供输入以规划和执行建设和停运项目。
根据本发明的模拟系统由与几种算法互连的几个模块组成，参见图3中的一个实施方案的概述。所述实施方案涉及风电场。所述模块代表风电场运营组织、服务提供商组织和风电场的实际组织角色或物理资源资产。
风电场模块301由一个或多个虚拟风电场组成，每个虚拟风电场是风力涡轮机201阵列和诸如电缆、变电站、港口、地基等的电厂配套设施(BoP)系统，并且每个风力涡轮机和BoP系统在所有风电场中都被分别表示，即具有其自己的参数和行为。每个风力涡轮机和BoP系统由几个子系统和/或具有可靠性的部件或维护类别组成，其中可靠性是指与失效概率相关的任何测量，例如但不限于失效率、危险率、寿命分布、退化模型等。针对每个子系统和/或部件或维护类别对失效时间(TTF)进行采样，所述子系统和/或部件或维护类别确定所述子系统或部件或维护类别将在哪个时间步骤移入失效状态，并且向已发生所述子系统或部件或维护类别的风电场运营商模块302发送警报。当需要执行定期维护活动时(如果有的话由用户指定)，所述风电场模块301中的风力涡轮机201向风电场运营商模块302发送服务请求。所述风力涡轮机201还将具有作为在轮毂高度处的风速的函数产生的电能的功率曲线。
所述风电场运营商模块302将诊断来自所述风力涡轮机101或BoP系统的所述警报。生成工令，所述工令指定解决来自所述风力涡轮机201或所述BoP系统的服务请求或警报所需的维护任务。工令包含但不限于以下信息：维修时间、维修成本、备件成本、合同ID、失效部件、故障严重程度(故障类型分类)、所需技术人员、备件的等待时间、规划时间、动员时间等。所述工令被存储在风电场运营商模块302保存的工令的列表中，直到协调管理器模块303检索到所述工令以开始协调如何执行工令。所述风电场运营商模块302将在物流模块306中具有多种不同的物流解决方案，诸如但不限于可为(但不限于)来自技术人员模块307的备件和技术人员提供运输的车辆、船舶和直升机。所述风电场运营商模块302还将具有可在所述风电场301中执行所述工令的多个技术人员(可具有不同的专业、经验水平等)。
所述协调管理器模块303将协调所述风电场运营商模块302保存在所述工令列表中的工令。如果此类资源尚未拥有所述风电场运营商模块302，那么所述协调管理器模块303将租赁所述技术人员307、物流解决方案306或来自服务提供商304的其他资源。所述协调管理器模块303将查找天气305以执行工令、查找可用的技术人员307、查找可限制所述风电场301中的工作的限制、查找可用的物流解决方案306、协调技术人员307之间的工作、协调不同的物流解决方案306之间的工作以及与协调风电场中的工作相关的其他任务。
天气305影响风电场301的电能生产、根据物流解决方案306的操作限制和技术人员307的操作限制来限制操作。
基于代理的建模和离散事件建模是本发明中使用的两种建模方法，其用于对诸如风电场301、风电场运营商302、协调管理器303、服务提供商304、物流306、技术人员307以及这些模块用于执行各种任务的工作流程的虚拟实物资产进行建模。基于代理的建模是一种建模方法，其中对象利用状态图中的行为来建模，具有单独的参数以及充分表示在现实世界中出现的对象所需的其他单独特性。状态图是对对象如何可处于不同状态以及在所述转换由某个事件触发之后所述对象如何在状态之间转换来进行建模的方式。离散事件建模被用来对对象301、302、303、304、306和307在模拟过程中执行的过程进行建模。在所述过程中，工令通过所述工作过程中的指定关于所述任务的多个重要参数的几个步骤。所述过程在对象触发工作过程的开始时连接到所述对象。
当模拟运行已经运行N次时，模拟运行完成，并且当所有模拟运行完成时，结果被记录在输出数据库406中。结果是用户希望测量的任何关键性能指标(例如，基于时间的可用性、基于能量的可用性、OPEX、停机时间的根本原因等)以及模拟运行的动画可视化。在将结果记录在所述输出数据库406中之后，生成具有用于模拟运行的输入数据的说明的报告、记录在所述输出数据库406中的结果、图形中的结果的可视化、饼图或者数据的其他视觉表示以及模拟运行的动画。
用户界面404是本地机器上的web界面或图形用户界面，用户可与所述用户界面404交互以构建虚拟风电场、定义模拟场景、记录结果、查看结果、查看动画、查看可视化、生成报告、导出结果和导出输入数据。

Claims (19)

1.一种用于模拟例如像风电场、太阳能动力设备或制造设施的实物资产的方法，所述方法包括以下步骤：
a)收集输入数据；
b)建立实物资产的虚拟版本；
c)设置模拟长度；
d)使用在步骤a)中收集的数据来根据模拟算法运行模拟；以及
e)生成输出报告。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述实物资产是风电场，并且实物资产的所述虚拟版本是虚拟风电场。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在b)中建立的实物资产的所述虚拟版本包括围绕所述实物资产的组织，诸如在所述实物资产中工作的人员、是所述实物资产的一部分的机器和其他设施、以及物流元素，诸如船舶、直升机和车辆。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在c)中设置的所述模拟长度包括设置模拟运行长度和模拟运行的次数。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中步骤e)中的所述输出报告包括结果的可视化。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其还包括提供用户界面，用户可与所述用户界面交互以执行以下各项中的一项或多项：输入数据、建立所述虚拟风电场、定义模拟场景、记录结果、观看结果、观看动画、观看可视化、生成报告、导出结果和/或导出输入数据。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中步骤d)中的所述模拟算法是基于基于代理的建模和离散事件建模。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中步骤a)还包括为所述虚拟风电场的每个部分生成失效时间TTF。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中步骤a)包括从用户界面或数据库收集数据。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中步骤a)包括从来自对应于在b)中建立的所述实物资产的所述虚拟版本的真实实物资产的测量或从数据库收集实物资产信息。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述实物资产信息是从监视控制和数据采集(SCADA)和/或状况监测(CM)系统收集的数据。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中步骤a)包括收集天气和海洋气象信息。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中步骤a)包括收集与维护相关的资源信息。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述资源信息是围绕备件和技术人员的运输并执行操作的技术人员信息和物流。
15.根据权利要求13或14所述的方法，其中步骤d)还包括以下步骤：
-在模拟模块中创建和存储工令；
-通过利用与步骤a)中收集的维护相关的资源信息来协调所述工令的执行方式。
16.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中步骤e)还包括动画可视化。
17.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中步骤a)包括从运行中的实物资产中的适当位置中的维护记录收集数据。
18.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中步骤a)包括从用户收集与计划的维护活动相关的信息。
19.一种模拟系统，其包括用于执行如权利要求1-18中任一项所述的方法步骤的模块、算法和用户界面。
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