海上风电建设费用高、周期长、难度大，数字化技术的应用显得尤为重要。数字孪生技术，作为数字化技术研究和应用的代表,应用于风电项目的规划、建设、运维全生命周期，能够提高项目建设的设计、施工、运维管理的水平,成为海上风电品质工程建设的重要抓手。

2021年全球风电新增装机总量中，海上风电占比22.5%。全球海上风电累计装机容量达57吉瓦，中国成为海上风电累计装机规模最大的国家。海上风电具有发电利用效率高、不占用土地资源、适宜大规模开发、风机水路运输方便、靠近沿海电力负荷中心等优势。

海上风电被公认为实现能源转型与碳中和的重要载体，但其未来发展还面临加快突破技术瓶颈、加速工业供应链可持续发展以及降低成本等多方面挑战。

1. 数字孪生技术及CAE技术介绍

数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。数字孪生以数字化方式为物理对象创建虚拟模型，来模拟其在现实环境中的行为。

计算机辅助工程（CAE）指工程设计中采用计算机辅助分析复杂工程和产品的性能。CAE软件可以对设备的结构应力、流场、电磁场等问题进行仿真以优化设备性能。CAE技术是一门涉及许多领域的多学科综合技术，除了各个求解器本身的算法和模型之外，还包括计算机图形技术、空间离散技术、数据交换技术和工程数据管理技术。

在数字孪生应用中，CAE作为重要的仿真工具，可以起到“先知”的作用。CAE基于第一性原理或称为基于物理机理的方法来预测物理世界的未来状态，这使得人们可以在数字孪生体中提前查看产品的运行是否正常、预知故障何时发生以及故障发生的后果。

根据数字孪生体反映出的问题，调整产品设计方案或运行策略，直到对预测的结果满意之后再操作物理实体。这种虚拟先行、实体后动的方法，会减少事故发生、降低设计和运行成本、加快产品迭代进程，提高产品质量和可靠性。

2. 基于CAE的数字孪生技术在风电领域应用

CAE技术是将包含了确定性规律和完整机理的模型转化成软件的方式来模拟物理世界的一种技术。只要模型正确，并拥有了完整的输入信息和环境数据，就可以基本正确地反映物理世界的特性和参数。如果说建模是模型化我们对物理世界或问题的理解，那么CAE技术就是验证和确认这种理解的正确性和有效性。所以，CAE技术是创建和运行数字孪生模型、保证数字孪生模型准确的核心技术。

基于CAE的数字孪生技术，能够对产品各个细节进行刻画，利用多物理场仿真方法模拟产品设计和运行的各种情景，将不可见的物理场信息呈现出来，基于CAE的数字孪生技术实现了不仅形似而且神似，是一种更彻底的数字孪生技术。

风电场环境工况复杂，运维成本高，对风机等关键部件（叶片、发电机、齿轮箱）实现预测性运维，可降低设备维护成本。目前风电设备监测SCADA系统，可对电流、电压、并网情况等进行检测，但缺乏针对关键零部件的振动监测与故障监测功能，无法进行设备健康状态评估及风险预测。利用基于CAE的数字孪生技术可以进行风电机组的健康监测、健康管理和状态预测，基于机器学习算法的快速仿真解决方案，可实现秒级仿真，使基于CAE的实时健康监测成为可能。通过数据采集获取设备状态数据，驱动仿真模型和机器学习模型运行，生成状态结果数据，完成设备健康管理及决策生成。

3、通过对物理风场的“数字孪生”，全面掌握海上信息。

具体应用场景如下：

风电场整体态势感知

海上风电数字孪生建设管理平台，关注建设项目生命周期管理与监控，以及建设过程规划与建设成果监控，为风电场建设了精细化的各类设备设施模型，融合地理、工程、设备等多源数据，构建海上风电场信息模型，搭建物联感知体系，实现了风电场地形地貌、设备设施结构、集控中心布局、运作的孪生。

重点作业区域监测

数字化复现了海域场景内的风场区域、重要地标（如观测站、岛屿、生态区等）、海况指标（实时气象、水文数据）、海域管制信息（区域、时段、内容）、管理单位的实时通报管理信息（渔政、海事及其他）；对重点区域及点位显示与查询，包括项目施工区域、海上作业污水排放区域及点位、作业垃圾处置点位等。

设备管理

数字孪生平台通过集成风力发电机组数据采集及监控系统、电站综合自动化监控系统、海缆监测系统、风力发电机组振动监控系统、视频监控系统和天气预报预测系统等系统的功能展示与示意指标，实现了对风机结构、运行机制的数字化展示、海上升压站详细结构与布局、计划生产指标展示等。

项目管理

数字孪生平台借助项目管理系统、物联传感建立项目建设感知体系，涵盖了项目规划的时、空维度展示、项目进度监控与预警、项目内容全程可视化模拟、项目综合画像、项目建设应急管理与处置、项目调度管理等，完成项目规划内容与建设进度的可视化对比，项目规划内容与建设成果的验收对比。

4. 结语

基于CAE的数字孪生技术基于“全生命周期管理”的核心思想和快速仿真技术， 突出“创新、优质、智慧、绿色”理念，为用户提供技术先进、管理创新的数字孪生一体化解决方案。数字孪生技术，覆盖风电设备各项运行参数和健康状态，助力风电工程实现降本增效。

文章来源：青岛赛普克有限元分析， 数字孪生，Hightopo数字孪生