2021年10月17日-20日，2021北京國際風能大會暨展覽會（CWP 2021）在北京新國展隆重召開。作為全球風電行業(yè)年度最大的盛會之一，這場由百余名演講嘉賓和數(shù)千名國內(nèi)外參會代表共同參與的風能盛會，再次登陸北京。
本屆大會以“碳中和——風電發(fā)展的新機遇”為主題，歷時四天，包括開幕式、主旨發(fā)言、高峰對話、創(chuàng)新劇場以及關(guān)于“國際成熟風電市場發(fā)展動態(tài)及投資機會”“國際新興風電市場發(fā)展動態(tài)及投資機會”“風電設(shè)備智能運維論壇”“碳達峰碳中和加速能源轉(zhuǎn)型”等不同主題的15個分論壇。能見App全程直播本次大會。
在19日上午召開的風電機組技術(shù)創(chuàng)新論壇上，上海電氣風電集團股份有限公司數(shù)字化建模仿真技術(shù)總監(jiān)顧爽發(fā)表了《智慧雙大腦-邊緣計算與風機先進控制技術(shù)》的主題發(fā)言。
以下為發(fā)言全文：
顧爽：各位領(lǐng)導大家好，我是顧爽，來自于上海電氣，目前負責的是數(shù)字化建模和大數(shù)據(jù)的團隊，同時也在開發(fā)載荷相關(guān)的控制算法。今天我演講的題目是智能雙大腦-邊緣計算與風機先進智能控制技術(shù)。
昨天上海電氣的展臺發(fā)布了一系列數(shù)字化的產(chǎn)品，覆蓋了從風機端到原端所有的應用場景，在風機端這兩款產(chǎn)品是WT-AGERT和EDGE-AGENT，今天的演講內(nèi)容主要是包括做這兩個產(chǎn)品背后的邏輯，為什么要做這兩款產(chǎn)品，需求是怎么來的，怎么做這兩個產(chǎn)品，以及現(xiàn)在上海電氣圍繞這兩個產(chǎn)品打造的數(shù)字模型在這個范圍之內(nèi)是怎么應用的。
首先要看為什么做這個產(chǎn)品。其實做載荷控制的人知道，現(xiàn)在風機控制越來越難，主要原因是我們對于載荷控制的需求越來越多了，放眼看幾年以前載荷控制轉(zhuǎn)速調(diào)平，功率調(diào)穩(wěn)，大差不差都可以，但現(xiàn)在我們對于載荷，成本有了更高的要求，必須要降載，除了降載的控制以外，還有壽命的控制，上海電氣也在做延壽控制，在延壽控制基礎(chǔ)之上還有場級協(xié)調(diào)的控制，后面這兩個需求其實和前面這些控制不在一個維度上，做實時控制都知道，我們需要的是控制器能夠?qū)崟r的響應，風機的動態(tài)能夠?qū)崟r去控制它，但是壽命和場級協(xié)調(diào)控制，其實需要數(shù)據(jù)積累和分析的功能。
如果僅僅把這些功能放到控制器里去做，會發(fā)現(xiàn)力不從心，控制里包括PRC做實質(zhì)性的控制。有沒有更好的架構(gòu)能夠來滿足現(xiàn)在風機開發(fā)控制上面的需求，我們進行了一年多的探索，也正式的推出了雙大腦的架構(gòu)，采用兩部分來做這件事情，快的系統(tǒng)和慢的系統(tǒng)，快的系統(tǒng)對應著之前的實時控制系統(tǒng)，慢的系統(tǒng)就是智能終端，目標是做邊緣側(cè)的分析，所以會把傳統(tǒng)上面的載荷控制、功率控制，轉(zhuǎn)速控制，以及一系列快速響應安全保護的邏輯，仍然放PRC或者工業(yè)控制的控制器中。
我們從中抽出了需要數(shù)據(jù)積累、需要數(shù)據(jù)分析，需要邊緣計算這一部分的內(nèi)容放到了智能終端做，發(fā)現(xiàn)這個框架非常清晰，快速的響應有快速的響應，慢速有慢速的響應，我們做了非常重要的技術(shù)突破是在于確保了快系統(tǒng)和慢系統(tǒng)之間能夠有一條高速穩(wěn)定的通訊數(shù)據(jù)通道，數(shù)據(jù)終端占用很小CPO負荷的情況下，能夠滿足數(shù)據(jù)這個功能。所以有了這個架構(gòu)之后發(fā)現(xiàn)，從硬件的層次上面可以做的事情有很多，現(xiàn)在逐步就開始打磨數(shù)字孿生技術(shù)，在做數(shù)據(jù)孿生基礎(chǔ)上，還做哪些工作呢？
今天主要講三個部分，一是WT-AGENT控制器，另外是EDGE-AGENT智能終端，還有是基于模型的控制。再講完了這三個基礎(chǔ)之上，我們再會講上海電氣想要做的數(shù)據(jù)孿生技術(shù)的架構(gòu)和實現(xiàn)的方法。
首先來看智能主控WT-AGENT，花了大概一年多的時間，很多的資源，再重新打磨的控制算法，為什么要這么做？主要是要滿足現(xiàn)在的需求，打鐵還得自身硬。從需求端開始，從客戶的需求、運行的需求、載荷控制的需求、風機的需求一條一條做了非常詳細的梳理，每一條需求落地之后會采用V字型的邏輯，將來PRC采用這個方法。我們也是采用相同開發(fā)方法，采用V字型在不同的階段用了模型在環(huán)、硬件在環(huán)、傳感用的方法，對于每個開發(fā)周期當中的所有需求，都進行了充分的驗證，這個驗證給我們帶來好處就是在開發(fā)的階段，就可以保證代碼是可靠性非常高的代碼，到現(xiàn)場部署時就會非常方便的連接到現(xiàn)場的實際，然后控制系統(tǒng)可以開始工作了。
在WT-AGENT里面第一類是必須要強調(diào)的，就是現(xiàn)在框架采用了這個方法，有了這個控制器之后，有兩個點非常重要的功能，是數(shù)據(jù)終端，進行數(shù)據(jù)采集，然后匯總、存儲功能。這個產(chǎn)品非常小，拿在手上會發(fā)現(xiàn)這么小的盒子，能夠處理大量毫秒級的數(shù)據(jù)，存儲非常可靠，存儲我們做了大量的壓力測試，在測試情況下，會發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)終端不會丟任何的數(shù)據(jù)，所有的在運行的關(guān)鍵性數(shù)據(jù)都會非常可靠的保存下來，這際上提供了后面各種各樣的分析。有了數(shù)據(jù)之上，這個終端另外一個定位就是邊緣計算的平臺，再拿到數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)之上做些分析型的動作，比如說數(shù)字孿生技術(shù)，塔架和葉片也都針對了相應的算法去計算相關(guān)的壽命，數(shù)字孿生是非常好的平臺，在上面可以無時無刻體現(xiàn)情況，所以智能終端這兩個定位，我認為是解決數(shù)字孿生技術(shù)非常兩個重要的基礎(chǔ)。
第三方面我想講一下，數(shù)字孿生技術(shù)另外一個技術(shù)就是基于模型的控制策略，現(xiàn)在很多風電界的朋友也都推出了基于模型的控制，其實大家背后的想法也是比較相近的，傳統(tǒng)控制上面越來越多的局限性，為什么這么說？風能直徑增大，葉片要減重，塔桶要減重，我們漂浮式，海上風機，還有載荷的問題，這些問題從控制學上來講它都是一個分線性的問題，而且分線特性越來越強，對于控制器來說，實際上穩(wěn)定的預度就會越來越小，導致了非常頭疼的事情，就是如果要去采用傳統(tǒng)方法去調(diào)控制器，要做大量的工作去優(yōu)化，到底是轉(zhuǎn)速波動的呢？還是要去看塔桶的載荷，這兩個之間怎么去平衡？
我們調(diào)參的工作用傳統(tǒng)的框架是越來越難，基于模型的控制速度算法不一樣，他的控制性參數(shù)并不是KP、KI、KD的這些值，不是PID之值，基于模型控制參數(shù)實際上就是參數(shù)目標，我希望轉(zhuǎn)速上面響應帶寬是多少，葉片載荷控制到什么上面，有了模型的東西之后，這些參數(shù)是不會變的，或者說很容易做平衡，剩下的事情是誰在做？是模型本身在做，整個機組設(shè)計出來，葉片的長度、重量、彈性變化之后，我們的輪部的重量變化之后，根據(jù)設(shè)定的控制目標，所有控制器的參數(shù)是完全自定義的，這是我們非常重要的優(yōu)勢。有了這個框架之后，不用再花大量的時間去開發(fā)控制器的這種參數(shù)，可以把工程師放到更為重要的一個場景去解決問題。
模型控制方法有非常好的效果就是模塊化，因為任何部件之間，可以通過模型的方法把它結(jié)合起來，通過氣動可以把葉片和結(jié)構(gòu)結(jié)合起來，通過各種模型的表達，可以把傳統(tǒng)鏈和塔桶結(jié)合起來，所以在這個方向如何導入新的算法。比如說我們想用新的傳感器，其實并不是說要把所有的傳感器裝到這個風機上，那就是好的控制策略，并不是這樣的，因為通過模型這樣的算法之后，可以做最優(yōu)傳感器的策略。
在很多程度上來講，風機的傳感器很多情況下是有的，比如說如果裝了IPC傳感器，不管是裝在葉片上也好，還是裝在什么地方也好，裝了IPC傳感器，是不是還需要別的傳感器，塔底的傳感器，還需要凈控的傳感器呢？基于模型算法可以回答出這個問題，從模型傳播的角度，把這事情推斷出來，可以根據(jù)客戶風場實際的風況，然后來判斷風機需要用什么配置，需要什么傳感器導入，什么樣的技術(shù)，所以通過這個模型的方法，會把所有在載荷控制上面的需求和技術(shù)完全是在一起的。
另外一個好處就是最優(yōu)控制策略，因為它非常直觀，可以去控制載荷，參數(shù)設(shè)置，可以去調(diào)響應速度，參數(shù)就是響應速度量，你會發(fā)現(xiàn)很容易在這兩個之間做一個平衡，而且整定這些各種各樣不同的控制目標也可以通過參數(shù)做一個直觀折中，而不是說要設(shè)PID，調(diào)大了多少，調(diào)小了多少，可以顯示把控制目標做折中。所以說模型的控制最主要就是提供了最優(yōu)傳感器的策略，是我們最優(yōu)控制的策略，可以在我們的開發(fā)效率，在機組運行性能，在載荷控制方面都給我們帶來非常多的好處。到這里我們在上海電氣現(xiàn)在做的就是數(shù)字孿生技術(shù)非常基本工作，一個是WT-AGENT，基于MBD的開發(fā)，另一個是EDGE-AGENT，數(shù)據(jù)終端存儲的數(shù)據(jù)提供邊緣計算的能力。MBC的算法，另外一個模型的概念，基于模型去做控制。
在此之上，現(xiàn)在究竟是怎么做數(shù)字孿生，可能很多同事也會聽到，在行業(yè)里面有各種各樣的數(shù)字孿生，在機械設(shè)計的時候，有數(shù)字孿生的技術(shù)，在控制上面有數(shù)字孿生的技術(shù)，上海電氣在控制方面的數(shù)字孿生的想法，首先我覺得可能提出一個概念也可以和大家一起探討，究竟數(shù)字孿生和模型到底有什么區(qū)別？我們會經(jīng)常覺得又是模型、又是數(shù)字孿生，做控制很多年之前，都是在做模型，現(xiàn)在為什么都來做數(shù)字孿生？背后之間有什么聯(lián)系？從我們的解讀來看，數(shù)字孿生一定是對應了物理的實體，我們上海電氣現(xiàn)在所講的數(shù)字孿生，它是對應著風場上面一個具體風機的塔桶和具體的葉片，模型它其實是一種技術(shù)手段，是我們獲得相關(guān)信息建模數(shù)據(jù)方法，所以在我們的理解上面他們其實是不同的東西，數(shù)字孿生一定是對應了一個本體。
數(shù)字孿生的技術(shù)從數(shù)據(jù)輸入這邊開始，有傳感器，有觀測型的數(shù)據(jù)，像剛才我也講高感知這些概念，有了傳感器輸入之后，首先有我們MBC的方法，獲得了其他的一些數(shù)據(jù)，在這基礎(chǔ)之上，最上面這層是我們MBC的框架，就是基于模型的控制，下面這塊就是關(guān)鍵的非常重要的數(shù)字孿生，數(shù)字孿生現(xiàn)在目標關(guān)注的是狀態(tài)、載荷、性能、壽命這幾個維度，通過我們打造出來的葉片孿生、塔架、變流器、驅(qū)動鏈這些孿生它都是圍繞著四個維度去，也就是說我的孿生放在終端里面向外體現(xiàn)出來的數(shù)據(jù)，是按照這四個維度來出現(xiàn)的。
這四個維度其實是到我的上面MBC最高層運行工況調(diào)度上來，通過壽命這些情況來切換具體的運行成本，要么是降功率，都是基于數(shù)字孿生的結(jié)果進行控制的，我們終端其實也是一個開放的平臺，希望各個有志同道合，想在里邊做一些模型，這些分析技術(shù)的一些同事和廠商，我們一起能夠把這個生態(tài)環(huán)境做起來的。非常謝謝。
（根據(jù)演講速記整理，未經(jīng)演講人審核）
