面向運行人員的風電場3D虛擬化仿真培訓平臺設計及實踐

萬　元，陳海波，黃孝恩

面向運行人員的風電場3D虛擬化仿真培訓平臺設計及實踐

萬元，陳海波，黃孝恩

（五凌電力有限公司，湖南 長沙 410004）

風電場運行人員的現場操作培訓存在“誤動設備”的潛在風險，且短時間內不能展示風電場所的重要工況，為了解決風電場運行實操培訓風險高、培訓內容不全面等諸多問題，研制了一套面向運行人員的風電場3D虛擬化仿真培訓平臺，介紹了平臺的硬件結構與軟件層次結構，在此基礎上，采用虛擬化建模技術實現了風電場的1∶1全景式仿真，即在對電力設備及其運行狀態數學建模的基礎上，采用建模技術實現了風電場的多維信息虛擬化，包括監控系統虛擬化、運行場景虛擬化、現場控制的虛擬化、巡檢場面的虛擬化等，使風電場運行人員在全虛擬化的3D環境中模擬設備的巡視、監視、操作與事故處理等一系列過程。實踐證明，本文設計的3D培訓仿真平臺能讓受訓人員體會“身臨其境”感覺，培訓效果良好。

風電場；仿真培訓；虛擬現實；數字化；建模

0　引言

對于發電企業而言，最核心、最關鍵的任務之一是保障電力設備的長時間安全、可靠、穩定運行，避免重大設備事故的發生[1]，[2]，而人員素質決定該任務能否實現的關鍵。長期以來，發電企業將人員素質的培養作為其重要的工作內容。然而，發電系統的運行特性決定其在培訓時不能完全采取現場培訓的模式，因為如果在培訓時不小心“誤動”電力設備，將直接導致無法預計的損失，甚至事故的發生[1]，[2]，因此，各發電企業非常注重安全、高效的培訓平臺建設，并逐步形成共識，即通過數字化仿真手段建立培訓平臺，既能達到預期的培訓效果，又可避免設備“誤操作”，具有無可比擬的優勢。各發電企業紛紛啟動仿真培訓平臺設計與研究，并且陸續有火電廠、核電廠、水電廠等全數字化仿真平臺紛紛面世，而風電作為近年來快速發展的新型清潔能源[1]，[2]，其仿真培訓平臺的設計方興未艾，目前尚處于探索階段。

鑒于此，本文設計了面向運行人員的風電場3D虛擬化仿真培訓平臺，構建了平臺的硬件，設計了分層式軟件結構，平臺采用1:1全景式建模方式建模，實現了電力設備及其運行狀態數學建模，監控系統、運行場景、現場設備控制、巡檢場面等全盤虛擬化建模，能在在全虛擬的數字化環境中模擬設備的巡視、監視、操作與事故處理等一系列過程，具有良好的培訓效果。

1　平臺結構

1.1硬件結構

平臺硬件結構見下頁圖1所示，采用了單網分布式結構，通過核心交換機將所有計算機設備互聯，具體包括工程師站、學員操作站、教練員站等。學員操作站是獨立并行關系，均安裝有全套的風電場仿真培訓軟件。學員操作站是可以擴充的，系統可通過配置任意地增加學員操作站以適應不同的培訓人群規模。學員操作站、教練員站上均配置有基于3D虛擬現實的風電場仿真軟件，其中，教練員站配置了額外管理軟件，可對學員操作站進行管理與配置。工程師站主要用于系統維護、升級及更新等。

1.2軟件結構

系統以電力設備數學建模、2D監控交互平臺建模、風電場3D虛擬現實建模等為基礎，衍生出風電場運行人員的日常工作、定期工作、專項工作等的培訓仿真。具體包括模擬SCADA系統的監視與控制（2D虛擬監視與控制）、模擬現場設備的監視（3D虛擬監視）、模擬現場設備的控制（3D虛擬控制）、設備操作、設備巡檢、事故處理等。系統軟件的功能結構見圖2所示。

圖1　硬件結構

圖2　系統軟件功能結構

平臺軟件采用分層式結構，分為數學模型層、虛擬現實模型層。其中數學模型層是核心，用于描繪電力設備在不同邊界條件下的運動狀態或邊界條件切換時的運動過程；虛擬現實模型是表現層，用以實現數學模型的觸發輸入，用以改變風電場的運行邊界條件。

平臺工作原理為：當受訓人員在虛擬界面上操作設備時，系統將操作指令送入電力設備數學模型，改變了數學模型的邊界條件，系統的運行狀態亦相應改變，運行結果將送至虛擬界面上反饋，讓受訓者了解風電場的運行狀況。

2　電力設備數學建模

要實現仿真培訓，其基礎是電力設備的數學建模，即通過數學方程的方式實現電力設備的準確描繪。圖3為對一臺風電機組數學建模的基本框架[3]。

圖3　風電機組數學建模框架

對于一臺風電機組，為了能全方位模擬其運行工況，需對風速、風輪機、傳動機構、發電機、電網均進行數學建模，同時，各模型之間需彼此互聯，協同運行，共同構成一個整體，用以模擬風電機組全部運行狀態，圖4展示了異步雙饋風電機組建模時各設備模型間協聯關系[3]。

圖4　異步雙饋風電機組設備模型間協聯關系

其中，風輪機模型輸入的為風速、風機葉片轉速，輸出的為風力驅動產生的動力力矩。該動力力矩作為傳動機構的輸入量，而傳動系統模型輸出的為發電機的機械力矩，為發電機的原動力。

除了單臺風電機組建模以外，系統還將箱式變壓器、場用電、升壓站系統、無功補償站等均進行了數學建模，并按照風電場的主接線圖，構建了以上各模型連接關系。

風電場各設備數學模型方程可參考文獻[3]。

3　SCADA人機交互模型設計

采用2D圖形建模的方式，構建了風電場SCADA人機交互平臺模型[5]，[6]，通過建立2D數字化圖形界面，以2D方式顯示風電機組運行狀況，向風電場工作人員展示風電機組的總體運行狀況，并能實現風電場絕大部分設備的操作與控制。2D數字化圖形界面采用自制的2D圖形化組態軟件設計，2D圖形模型上預留數據接口，與電力設備數學模型、3D虛擬現實模型、實時數據庫，實現等信息交互。數學模型計算結果展示在2D圖形模型上，圖5為SCADA典型2D圖形化模型。

對于單臺風機，2D圖形化模型上不僅能實現風電機組的控制與調節，還展示了大量運行數據，包括：

1）數字狀態量，包括加熱器的啟/停，油泵的投/退、啟/停，油位的高/低報警，油溫的高/低報警，制動系統的抱閘/松開等。

2）模擬信息量，包括葉片溫度、齒輪箱溫度、軸承溫度、各重要部件溫度、室外溫度、風機轉速、油溫等。

3）運行狀態量，包括風電機組有功、定轉子電流及電壓，偏航角度、變槳角度等。

4）統計分析量，包括風機當日發電量、投運合計發電量、當日最大風速、各部件當日最高溫度等。

圖5　SCADA典型2D圖形化模型

4　風電設備的3　D虛擬現實建模

風電場3D虛擬現實建模有以下目的：

1）實現SCADA系統不可達的風電設備的控制與調節，如一些機械閥門的控制、場用電保險裝入與退出、10kV開關檢修時措施布置等。

2）提高仿真培訓的真實度，使受訓者對風電場有直觀的認識，體會“身臨其境”感覺。

3）增加培訓的效果與趣味性，使受訓人員能夠短時間熟悉風電場的設備與布置。

4.1建模流程

風電機組由一個個系統構成，如定子系統、轉子系統、變速箱系統、軸承系統、風輪系統等。每個系統中可分為若干設備，每個設備由最小單元-零件組成，零件之間通過接口進行聯接與匹配。為實現風電機組3D虛擬現實，需采用高精細建模方式，其描繪過程需借鑒大量設備的裝配圖、三視圖、剖面圖等多種類型技術資料，輔助以視頻、實物照片、實物示意圖等多媒體資料，還要求結合機組零件實物的分析，特別對于零件間的接口匹配等細節進行分析[4]。

風電機組3D虛擬現實建模過程見圖6所示。風電機組3D虛擬現實建模是一個不斷細化、不斷反饋的過程，大致需經歷以下幾個步驟：

1）資料收集：收集的資料包括技術資料與多媒體資料。

圖6　風電機組3D虛擬現實建模過程

2）資料分析：主要對資料中反饋的零件結構、零件接口等信息進行分析。

3）圖形分析：根據分析結果進行圖形繪制。

4）判斷圖物是否相符：若相符，可進行下一步（即與周圍設備匹配檢測）；若不相符，則退回2），進一步收集資料。在退回過程中，可向相關專家咨詢。

5）與周圍設備匹配檢測：若能正確匹配，該3D建模順利完成；否則，則退回3），重新分析收集的資料。在退回過程中，可向相關專家咨詢。

圖7、圖8分別為風電機組、風電場電容器的3D虛擬現實模型。

圖7　風電機組的3D虛擬現實模型

圖8　風電場電容器3D虛擬現實場景

4.2運行場景3D虛擬現實建模

運行場景的3D虛擬現實建模便于受訓人員對風電場進行巡檢與監測，并能確保受訓人員在現地對風電設備進行操作。運行場景的3D虛擬現實建模采用靜態的3D數字化建模方式，通過繪制風電場的結構與布置，整體上勾勒出風電場的三維輪廓，確保3D模型的真實性。模型上預留數據接口，可實現與操作命令的輸入，并保證與風電設備數學模型的信息交互，確保能夠在3D界面上實現設備的操作與控制。

圖9為風電場典型運行場景3D虛擬現實模型。

圖9　開關站3D虛擬現實運行場景

通過與SCADA系統2D圖形化模型進行信息交互，圖9中風電機組開關站開關及刀閘的拉合狀況等與SCADA系統上顯示的運行狀況完全一致。在運行場景3D模型上，設置了巡視點，當工作人員對該點信息進行巡視、檢查后，可對巡視點進行確認，實現了虛擬設備巡檢功能。

4.3工具的3D虛擬現實建模

為了保證仿真的完整性，實現風電場運行人員工作的全方位仿真，對風電場運行工種所需要的工器具進行3D建模，其中核心為安全工器具，如安全帽、安全鞋、絕緣手套、驗電器、接地線等。圖10為操作工具的3D虛擬現實模型。

圖10　操作工具的3D虛擬現實模型

5　系統應用

目前，平臺已完成初步設計，并投入試運行，從實踐效果上看，具備以下成效：

1）它可使學員熟練地掌握風電機組在各種工況下的啟動和停機操作，提高在正常運行狀態下的監控能力、異常和事故狀態下正確判斷和處理故障的能力，提高保證機組在各種工況下安全經濟運行的能力。

2）它可用于對崗位運行人員、技術管理人員的定期輪訓，以及上崗、晉升前的考核。它提供客觀反映運行人員實際操作能力和分析判斷能力的手段。

3）它可用來對電站已有的操作規程進行有效檢查和驗證，以改進不同工況下的操作方案。

4）它可用來驗證在真實風電場中所發生故障的原因和結果，可重演真實電站中已發生的故障，從而可用來制定處理故障的措施及反事故的對策。

6　結語

從實用、安全、高效等方面出發，研制開發了面向運行人員的風電場3D虛擬化仿真培訓平臺，介紹了硬件結構與軟件結構，論述了風電場數學建模、SCADA系統界面圖形化建模、運行場景及工具3D虛擬現實建模的基本方法及流程。采用風電場3D虛擬化仿真培訓的方式，對于提高數字化虛擬培訓的真實度，增加培訓的趣味性與實效性具有非常大的優勢。

[1]楊葉平，王德寬.水電廠計算機監控培訓仿真系統的實現與設計[J].水電自動化與大壩監測，2003，27（4）：6-9.

[2]張廣濤，鄧友漢.基于生產過程建模的水電廠仿真培訓系統[J].水電站機電技術，2013，36（3）：73-75.

[3]徐大平，柳亦兵，呂躍剛.風電發電原理[M].北京:機械工業出版社，2011.

[4]胡小強.虛擬現實技術基礎與應用[M].北京：北京郵電大學出版社，2009.

[5]田英，徐麗杰，王瑋，等.基于統一平臺的風電場中央監控系統主站設計[J].電力系統及其自動化學報，2014，26 （2）:313-317.

[6]黃紹真，戴志強，馬新平.風電場計算機綜合監控系統的設計與實現[J].江蘇電機工程，2010，29（1）:38-40.

TP391.9

B

1672-5387（2016）08-0064-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.08.019

2016-06-29

萬元（1981-），男，博士，博士后，高級工程師，從事發電生產、發電仿真教學工作。