在 AWS 上的物理学：利用 OpenFAST 优化风力涡轮机性能的数字双胞胎

by Marco Masciola Angelo Malatacca Aniket Bulbule Mansi Vaghela 和 Sundeep Ramachandran 于 2024 年 3 月 11 日发布在 Amazon Timestream、自动扩展、AWS Fargate、最佳实践、电力与公用事业永久链接 分享

关键要点

风能是全球去碳化努力中的关键因素，2022年风能全球产生2100太瓦时电力。通过使用NREL的OpenFAST工具构建数字双胞胎架构，可以帮助识别操作异常并优化风电场性能。采用事件驱动架构，可以实现实时反应和自动化决策，从而提升风力涡轮机的运营效率。

风能在全球去碳化努力中扮演着至关重要的角色，它利用丰富的资源生成无排放的电力。根据数据显示，2022年，风能全球产生了2100太瓦时TWh电力，占全球电力的超过7，预计到2030年将达到7400 TWh。

尽管风能具有巨大潜力，但我们仍需解决多个挑战，以满足电网去碳化的目标。随着风能的普及，齿轮箱疲劳和前缘侵蚀等问题亟待解决，以确保能源供应的可预测性。例如，在美国，风力涡轮机在运行11年后，其性能最多下降10，而预期其应能全面运转25年。

本文介绍了一种利用NREL的OpenFAST一款开源多物理场风力涡轮机模拟工具构建的数字双胞胎架构，该架构旨在识别运营异常并持续提高风电场性能。该方法可支持整体维护策略，以优化性能和盈利能力，同时降低风险。

数字双胞胎的形式多样，本架构通过连接到云端的物理风力涡轮机和物联网IoT设备，监测性能，并通过随需而来的模拟增强知识。通过模拟获得的深刻见解可在接近实时的情况下更新物理资产的控制系统，以平衡运营性能。

为什么要构建这个？

这个数字双胞胎可以通过将真实世界的时间序列与模拟进行基准比较，捕捉可靠性评估的差异。气动弹性模拟器，如OpenFAST，定义了作为风力涡轮机设计和认证的一部分的操作包络，符合 IEC 614001 和 614003 标准。然而，环境条件中一些微妙的、未预见的变化如更高的湍流强度加快了设备的劣化。

该架构可用于验证控制器更改是否能在实际部署前限制渐进的性能损失，使用相同的模拟软件来设计风力涡轮机。这个示例场景正是当前运营者面临的挑战，将在下文中详细阐述。

数字双胞胎架构

图 1 展示了事件驱动架构，资源在异常发生时启动随需而来的模拟。

模拟和真实世界的结果可以输入计算引擎，以更新风力涡轮机控制器软件，通过以下工作流改善运营表现：

风力涡轮机传感器通过AWS IoT Core连接到AWS云。一个IOT规则将传感器数据转发到Amazon Timestream，这是一个专为时间序列数据设计的数据库。一个定期运行的AWS Lambda函数查询Timestream以检测时间序列数据中的异常。在检测到异常后，Amazon Simple Notification ServiceAmazon SNS发布通知，并在Lambda预处理器中准备OpenFAST模拟输入文件。模拟按需执行，从Amazon Elastic Container RegistryAmazon ECR拉取最新的OpenFAST模拟。通过RESTful API分发模拟，利用就绪容器服务AWS Fargate运行。模拟结果上传至Amazon Simple Storage ServiceAmazon S3。使用AWS Lambda处理模拟的时间序列数据，根据异常决定是否更新控制器软件。Lambda后处理器启动风力涡轮机控制器的软件更新，通过AWS IoT Core与风力涡轮机进行通信。结果在Amazon Managed Grafana中进行可视化。

在步骤3中的异常示例是控制器超速报警。可以使用简单的基于规则的异常检测来检测阈值超出，也可以使用Amazon SageMaker等机器学习方案引入更复杂的异常检测方法。以上工作流中保留了四个元素以创建数字双胞胎。下文将进一步探讨这四个元素：

事件驱动架构工作流通过RESTful API和容器执行OpenFAST利用应用负载均衡器ALB和Amazon Elastic Compute CloudAmazon EC2自动扩展执行多个并发的OpenFAST模拟使用Amazon Managed Grafana可视化物理资产和模拟结果事件驱动架构

事件驱动架构允许系统解耦和服务间的异步通信。当事件发生时，事件驱动工作流会自动启动。事件可以是某个活跃报警或上传至Amazon S3的OpenFAST输出文件。这意味着，可以在不分配新资源的情况下，将主动监测的风力涡轮机数量扩展到100台或更多。

AWS Lambda提供即时扩展，增加可用于处理的OpenFAST模拟数量。此外，Fargate消除了为底层OpenFAST计算实例进行配置或管理的需要。利用无服务器计算服务，企业无需管理底层基础设施，按需扩展，且成本低于静态配置的基础设施。

在实践中，事件驱动架构为团队提供了灵活性，无需手动配置资源即可自动准备输入文件、调度模拟和后处理结果。

容器化

容器化是将应用程序及其所需库进行打包并部署的过程。 Docker创建了一个容器镜像，打包了OpenFAST可执行文件，同时也包含FastAPI，以便模拟可以通过网络RESTful API调度，如图2所示。请注意，OpenFAST和FastAPI是独立项目。OpenFAST的RESTful API提供以下命令：

使用初始条件运行模拟PUT /execute上传模拟结果到Amazon S3POST /uploadtos3提供模拟状态GET /status删除模拟结果DELETE /simulation

这种设置使工程团队能够获取到与物理风力涡轮机一致的OpenFAST模拟版本，而无需手动配置。

负载均衡与自动扩展

该架构利用Amazon EC2自动扩展和ALB来管理波动的处理需求，并支持并发的OpenFAST模拟。EC2自动扩展根据模拟请求的数量动态调整OpenFAST容器的数量，提供成本节约以避免闲置资源。与ALB配合使用，这种设置可以均匀分配模拟请求至OpenFAST容器，确保达到期望的性能水平和高可用性。

数据可视化

Amazon Timestream 收集并存档来自物理风力涡轮机的实时指标。Timestream可以存储通过IoT Core收集的任何物理资产指标，包括转子速度、发电机功率、发电机速度、发电机扭矩或风力涡轮机控制系统报警，如图3所示。Timestream的一个显著特点是调度查询，可以定期执行自动化任务，如测量10分钟的平均风速或追踪控制器报警的单元。

这为运营团队提供了实时查看详细信息的能力，或使用SQL查询历史数据。Amazon Managed Grafana也与存储在Amazon S3中的OpenFAST结果连接，以便将模拟结果与实际操作数据进行比较，查看模拟组件的响应。工程团队从Amazon Managed Grafana中受益，因为它提供了一扇窗口，查看模拟如何响应控制器的变化。工程师可以验证物理机器的响应是否符合预期。

结论

AWS云提供服务和基础设施，帮助组织处理数据并构建数字双胞胎。各组织可以利用开源模型来提高运营性能，并通过物理基础的模拟提高精确度。通过集成事件驱动架构等技术范式，风力涡轮机运营商能够实时做出数据驱动的决策。各组织可以创建物理风力涡轮机的虚拟副本，以诊断故障来源，并采用策略减少过度磨损，防止永久性损坏发生。

标签： 事件驱动架构

Marco Masciola

Marco Masciola 是亚马逊网络服务AWS全球可持续伙伴部分的高级解决方案架构师。他帮助AWS合作伙伴通过AWS云构建和交付他们的可持续解决方案。

Angelo Malatacca

Angelo是位于荷兰的AWS解决方案架构师，拥有超过10年的经验，帮助客户推动AWS云解决方案的采用。他热衷于将商业挑战转化为AWS平台上的创新技术解决方案，是AWS托管服务项目MSP的主题专家和相关文档的作者，并撰写多篇技术博客及内部文档，主持多场与多个战略伙伴合作的DevSecOps DevDays。

加速器官方正版下载

Aniket Bulbule

Aniket Bulbule是位于弗吉尼亚的合作伙伴解决方案架构师。他热衷于无服务器技术和事件驱动架构，并喜爱利用AWS创建创新解决方案，解决现实世界的商业问题。

Mansi Vaghela

Mansi是AWS全球初创团队的高级合作伙伴解决方案架构师，具有软件工程背景，热衷于与技术和商业领袖合作，帮助设计出高度可扩展、灵活和韧性的基于云的解决方案。

Sundeep Ramachandran

Sundeep Ramachandran是AWS全球可持续伙伴部分的高级合作伙伴解决方案架构师和技术负责人。他作为行业专家和可信赖顾问，帮助AWS合作伙伴应对排放管理、供应链可追溯性、去碳化及净零过渡、材料循环、气候弹性、优化食品能源水系统以及跨多个行业追踪ESG因素等挑战。