基于3D虛擬現實技術的風電場全數字化巡檢及監測平臺的構建研究

文/彭博

3D虛擬現實技術在風電場巡檢和監測平臺構建中起著推動性作用，為提高巡檢質量、優化平臺服務水平提供了技術支持。本文從3D虛擬現實技術角度出發，綜合通信技術、3D建模技術，構建有效的風電場全數字化巡檢與監測平臺，準確地診斷風電場設備故障問題，并將診斷結果反饋給工作人員，保證工作人員可在最短時間內完成巡檢任務，提高故障診斷與監測能力。

基于風電場虛擬平臺建設與發展現狀，我國擬綜合3D虛擬技術構建數字化巡檢與監測平臺方案。該方案首先利用風電場全部的設備完成數字化3D模型構建，對風電場現實場景做出虛擬化分析；其次以構建完成的3D模型為基礎運行風電場機電設備，在虛擬化平臺中引入狀態參數，同時完成信息有效性檢測模型構建任務，保證管理人員可定期巡檢和監測風電場各設備運行情況。[1]

一、風電場全數字化巡檢及監測平臺硬件設計

（一）現地設備層

現地設備層包括狀態監測系統、變壓器控制系統、開關控制系統、振動監測系統、變頻控制系統等幾個部分，可實現監測、控制風電場現地單個設備的要求。在平臺中，現地數據集成層和現地設備層相互之間進行信息交互，將采集得到的設備層指標參數、狀態數據等傳輸到數據集成層。在處理現地設備層時，工作人員可選擇應用統一的GPS時鐘信號，進而有效提高數據信息傳輸時的時間同步性。[2]運維人員可通過智能控制系統完成巡檢任務，綜合巡檢線路設定系統、信息傳輸系統和控制系統實現對數字化巡檢系統的控制，并且在出現問題的時候進行干預。

（二）現地數據集成層

現地數據集成層的主要功能是，對現地設備層的數據進行收集整理，同時對所有的子信息數據實現初步集成化處理。采用單元集成的方式集成處理數據，按照功能的不同，可劃分為測風站數據集成單元、升壓站數據集成單元、場用電數據集成單元、風電機組數據集成單元。其中，風電機組數據集成單元需要對風電機組所有的數據信息做集成處理，提高數據信息通信量。[3]

（三）數據分析層

對于整個風電場系統而言，數據分析層屬于信息集成層。通過歷史/實時數據庫，數據分析層可將現地數據集成層的數據信息進行收集與整理，并將得到的數據信息作為診斷、監測、巡檢用電設備的基礎。數據分析層在運行服務期間，首先要完成風電設備影響與后果分析模型、失效模型的構建，按照構建完成的模型建立診斷數據信息準確性的數據庫，同時完成分析診斷模塊的設計任務。通過動態和可持續的分析數據庫信息，運維人員能夠獲取風電機組故障信息和運行狀態信息。

（四）虛擬展示層

虛擬展示層的主要功能是將風電場運行期間的故障信息、狀態信息等傳輸給工作人員。虛擬展示層在運行服務期間可通過與數據分析層展開動態性的數據信息交互，分析數據分析層而得到結論。基于3D虛擬現實平臺可以對巡檢設備和實時監測的結果做出展示，可以實現風電場各部件巡檢、監測的功能，還可以在完成設備監測和巡檢之后，在數據庫內準確地錄入結果，避免在監測和巡檢期間出現漏項等問題。[4]

二、風電場全數字化巡檢及監測平臺模型構建

（一）3D虛擬技術構建風電機組模型

風輪系統、軸承系統、變速箱系統、轉子系統和定子系統共同構成風電機組，所有的組成系統中均包含多個設備，通過接口實現所有零件之間的匹配與聯結。為達到風電機組3D虛擬現實構建的目標，工作人員在模型構建期間要采取高精細的方式，借鑒剖面圖、三視圖和裝配圖等各類技術資料，輔助以實物照片、視頻照片和實物示意圖等多種多媒體資料（見圖1），與機組零件實物相結合展開分析，尤其是分析零部件結構匹配位置的細節情況。

（二）3D虛擬技術構建運行場景模型

采用3D虛擬現實技術構建風電場巡檢系統運行場景，可為工作人員巡檢和監測風電場運行狀態等提供便利。在現場巡檢與監測期間結合通信技術，在運行場景3D虛擬現實模型中引入各類信號，遠程監測、巡檢風電場所有設備，可以大幅度提高勞動效率和工作效率。

采用靜態3D數字化建模方式完成運行場景3D虛擬現實模型構建目標，可以通過風電場結構繪制與風電場布置，從整體上完成風電場三維輪廓勾勒，提高3D模型構建的真實性。將數據接口預留在模型上，可以實現歷史數據庫和實時數據庫的信息數據交互任務，保證工作人員可以對風電場指標參數、狀態數據等做出有效監控。[5]

三、通信技術在風電場全數字化巡檢及監測平臺中的應用

遠程巡檢與監測風電場，最為關鍵的是保證信息數據的準確性與有效性，所以在進行數據信息判斷之前要充分確保其有效性。信息失效模式具有多樣化特點，以溫度信息作為例子，按照溫度傳感器運行出現故障以后的現象輸出情況完成失效模式劃分，可得到溫度信息超出設定范圍、溫度信息保持穩定、溫度信息穩定性失常、溫度信息出現突變四類。其中，溫度信息超出設定范圍的關系表達式如下：

溫度信息保持穩定的關系表達式如下：

溫度信息穩定性失常的關系表達式如下：

溫度信息出現突變的關系表達式如下：

在上述公式中，yiout表示溫度信息i的輸出值，maxi表示最大溫度信息i的輸出值，mini表示最小溫度信息i的輸出值，t與t-1表示兩個相鄰的時間間隔點，δ表示最小的常數值，ni表示溫度值在第i個傳感器內的振動次數，N表示運行震蕩的次數，Δ表示溫度量在時間間隔內的跳變閾值。

當以上四種情況出現以后，那么則表示溫度信息已經失效，運維人員要在最短時間內到達現場進行檢查，并對通信鏈路進行檢測。

四、結語

本文基于風電場風力設備分散和巡檢工作量大的問題，構建基于3D虛擬現實技術的風電場全數字巡檢和監測平臺方案。該方案構建完成硬件平臺，并采集相應的數據信息，可以遠程化監測風電設備，提高數據信息的可視化能力。基于3D虛擬現實技術的風電場全數字巡檢和監測平臺在實際應用中，可輔助運維人員遠程監督控制風電場，實現定期遠程巡檢和監測，提高工作效率。