基于3D虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的風(fēng)電場(chǎng)全數(shù)字化巡檢及監(jiān)測(cè)平臺(tái)的構(gòu)建研究

文/彭博

3D虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在風(fēng)電場(chǎng)巡檢和監(jiān)測(cè)平臺(tái)構(gòu)建中起著推動(dòng)性作用，為提高巡檢質(zhì)量、優(yōu)化平臺(tái)服務(wù)水平提供了技術(shù)支持。本文從3D虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)角度出發(fā)，綜合通信技術(shù)、3D建模技術(shù)，構(gòu)建有效的風(fēng)電場(chǎng)全數(shù)字化巡檢與監(jiān)測(cè)平臺(tái)，準(zhǔn)確地診斷風(fēng)電場(chǎng)設(shè)備故障問題，并將診斷結(jié)果反饋給工作人員，保證工作人員可在最短時(shí)間內(nèi)完成巡檢任務(wù)，提高故障診斷與監(jiān)測(cè)能力。

基于風(fēng)電場(chǎng)虛擬平臺(tái)建設(shè)與發(fā)展現(xiàn)狀，我國擬綜合3D虛擬技術(shù)構(gòu)建數(shù)字化巡檢與監(jiān)測(cè)平臺(tái)方案。該方案首先利用風(fēng)電場(chǎng)全部的設(shè)備完成數(shù)字化3D模型構(gòu)建，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景做出虛擬化分析；其次以構(gòu)建完成的3D模型為基礎(chǔ)運(yùn)行風(fēng)電場(chǎng)機(jī)電設(shè)備，在虛擬化平臺(tái)中引入狀態(tài)參數(shù)，同時(shí)完成信息有效性檢測(cè)模型構(gòu)建任務(wù)，保證管理人員可定期巡檢和監(jiān)測(cè)風(fēng)電場(chǎng)各設(shè)備運(yùn)行情況。[1]

一、風(fēng)電場(chǎng)全數(shù)字化巡檢及監(jiān)測(cè)平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)

（一）現(xiàn)地設(shè)備層

現(xiàn)地設(shè)備層包括狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、變壓器控制系統(tǒng)、開關(guān)控制系統(tǒng)、振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、變頻控制系統(tǒng)等幾個(gè)部分，可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)、控制風(fēng)電場(chǎng)現(xiàn)地單個(gè)設(shè)備的要求。在平臺(tái)中，現(xiàn)地?cái)?shù)據(jù)集成層和現(xiàn)地設(shè)備層相互之間進(jìn)行信息交互，將采集得到的設(shè)備層指標(biāo)參數(shù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)等傳輸?shù)綌?shù)據(jù)集成層。在處理現(xiàn)地設(shè)備層時(shí)，工作人員可選擇應(yīng)用統(tǒng)一的GPS時(shí)鐘信號(hào)，進(jìn)而有效提高數(shù)據(jù)信息傳輸時(shí)的時(shí)間同步性。[2]運(yùn)維人員可通過智能控制系統(tǒng)完成巡檢任務(wù)，綜合巡檢線路設(shè)定系統(tǒng)、信息傳輸系統(tǒng)和控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字化巡檢系統(tǒng)的控制，并且在出現(xiàn)問題的時(shí)候進(jìn)行干預(yù)。

（二）現(xiàn)地?cái)?shù)據(jù)集成層

現(xiàn)地?cái)?shù)據(jù)集成層的主要功能是，對(duì)現(xiàn)地設(shè)備層的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集整理，同時(shí)對(duì)所有的子信息數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)初步集成化處理。采用單元集成的方式集成處理數(shù)據(jù)，按照功能的不同，可劃分為測(cè)風(fēng)站數(shù)據(jù)集成單元、升壓站數(shù)據(jù)集成單元、場(chǎng)用電數(shù)據(jù)集成單元、風(fēng)電機(jī)組數(shù)據(jù)集成單元。其中，風(fēng)電機(jī)組數(shù)據(jù)集成單元需要對(duì)風(fēng)電機(jī)組所有的數(shù)據(jù)信息做集成處理，提高數(shù)據(jù)信息通信量。[3]

（三）數(shù)據(jù)分析層

對(duì)于整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)而言，數(shù)據(jù)分析層屬于信息集成層。通過歷史/實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)分析層可將現(xiàn)地?cái)?shù)據(jù)集成層的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行收集與整理，并將得到的數(shù)據(jù)信息作為診斷、監(jiān)測(cè)、巡檢用電設(shè)備的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)分析層在運(yùn)行服務(wù)期間，首先要完成風(fēng)電設(shè)備影響與后果分析模型、失效模型的構(gòu)建，按照構(gòu)建完成的模型建立診斷數(shù)據(jù)信息準(zhǔn)確性的數(shù)據(jù)庫，同時(shí)完成分析診斷模塊的設(shè)計(jì)任務(wù)。通過動(dòng)態(tài)和可持續(xù)的分析數(shù)據(jù)庫信息，運(yùn)維人員能夠獲取風(fēng)電機(jī)組故障信息和運(yùn)行狀態(tài)信息。

（四）虛擬展示層

虛擬展示層的主要功能是將風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行期間的故障信息、狀態(tài)信息等傳輸給工作人員。虛擬展示層在運(yùn)行服務(wù)期間可通過與數(shù)據(jù)分析層展開動(dòng)態(tài)性的數(shù)據(jù)信息交互，分析數(shù)據(jù)分析層而得到結(jié)論。基于3D虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)可以對(duì)巡檢設(shè)備和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的結(jié)果做出展示，可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)各部件巡檢、監(jiān)測(cè)的功能，還可以在完成設(shè)備監(jiān)測(cè)和巡檢之后，在數(shù)據(jù)庫內(nèi)準(zhǔn)確地錄入結(jié)果，避免在監(jiān)測(cè)和巡檢期間出現(xiàn)漏項(xiàng)等問題。[4]

二、風(fēng)電場(chǎng)全數(shù)字化巡檢及監(jiān)測(cè)平臺(tái)模型構(gòu)建

（一）3D虛擬技術(shù)構(gòu)建風(fēng)電機(jī)組模型

風(fēng)輪系統(tǒng)、軸承系統(tǒng)、變速箱系統(tǒng)、轉(zhuǎn)子系統(tǒng)和定子系統(tǒng)共同構(gòu)成風(fēng)電機(jī)組，所有的組成系統(tǒng)中均包含多個(gè)設(shè)備，通過接口實(shí)現(xiàn)所有零件之間的匹配與聯(lián)結(jié)。為達(dá)到風(fēng)電機(jī)組3D虛擬現(xiàn)實(shí)構(gòu)建的目標(biāo)，工作人員在模型構(gòu)建期間要采取高精細(xì)的方式，借鑒剖面圖、三視圖和裝配圖等各類技術(shù)資料，輔助以實(shí)物照片、視頻照片和實(shí)物示意圖等多種多媒體資料（見圖1），與機(jī)組零件實(shí)物相結(jié)合展開分析，尤其是分析零部件結(jié)構(gòu)匹配位置的細(xì)節(jié)情況。

（二）3D虛擬技術(shù)構(gòu)建運(yùn)行場(chǎng)景模型

采用3D虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建風(fēng)電場(chǎng)巡檢系統(tǒng)運(yùn)行場(chǎng)景，可為工作人員巡檢和監(jiān)測(cè)風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行狀態(tài)等提供便利。在現(xiàn)場(chǎng)巡檢與監(jiān)測(cè)期間結(jié)合通信技術(shù)，在運(yùn)行場(chǎng)景3D虛擬現(xiàn)實(shí)模型中引入各類信號(hào)，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、巡檢風(fēng)電場(chǎng)所有設(shè)備，可以大幅度提高勞動(dòng)效率和工作效率。

采用靜態(tài)3D數(shù)字化建模方式完成運(yùn)行場(chǎng)景3D虛擬現(xiàn)實(shí)模型構(gòu)建目標(biāo)，可以通過風(fēng)電場(chǎng)結(jié)構(gòu)繪制與風(fēng)電場(chǎng)布置，從整體上完成風(fēng)電場(chǎng)三維輪廓勾勒，提高3D模型構(gòu)建的真實(shí)性。將數(shù)據(jù)接口預(yù)留在模型上，可以實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)庫和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的信息數(shù)據(jù)交互任務(wù)，保證工作人員可以對(duì)風(fēng)電場(chǎng)指標(biāo)參數(shù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)等做出有效監(jiān)控。[5]

三、通信技術(shù)在風(fēng)電場(chǎng)全數(shù)字化巡檢及監(jiān)測(cè)平臺(tái)中的應(yīng)用

遠(yuǎn)程巡檢與監(jiān)測(cè)風(fēng)電場(chǎng)，最為關(guān)鍵的是保證信息數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與有效性，所以在進(jìn)行數(shù)據(jù)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(diǎn)，以溫度信息作為例子，按照溫度傳感器運(yùn)行出現(xiàn)故障以后的現(xiàn)象輸出情況完成失效模式劃分，可得到溫度信息超出設(shè)定范圍、溫度信息保持穩(wěn)定、溫度信息穩(wěn)定性失常、溫度信息出現(xiàn)突變四類。其中，溫度信息超出設(shè)定范圍的關(guān)系表達(dá)式如下：

溫度信息保持穩(wěn)定的關(guān)系表達(dá)式如下：

溫度信息穩(wěn)定性失常的關(guān)系表達(dá)式如下：

溫度信息出現(xiàn)突變的關(guān)系表達(dá)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(gè)相鄰的時(shí)間間隔點(diǎn)，δ表示最小的常數(shù)值，ni表示溫度值在第i個(gè)傳感器內(nèi)的振動(dòng)次數(shù)，N表示運(yùn)行震蕩的次數(shù)，Δ表示溫度量在時(shí)間間隔內(nèi)的跳變閾值。

當(dāng)以上四種情況出現(xiàn)以后，那么則表示溫度信息已經(jīng)失效，運(yùn)維人員要在最短時(shí)間內(nèi)到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行檢查，并對(duì)通信鏈路進(jìn)行檢測(cè)。

四、結(jié)語

本文基于風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)力設(shè)備分散和巡檢工作量大的問題，構(gòu)建基于3D虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的風(fēng)電場(chǎng)全數(shù)字巡檢和監(jiān)測(cè)平臺(tái)方案。該方案構(gòu)建完成硬件平臺(tái)，并采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，可以遠(yuǎn)程化監(jiān)測(cè)風(fēng)電設(shè)備，提高數(shù)據(jù)信息的可視化能力。基于3D虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的風(fēng)電場(chǎng)全數(shù)字巡檢和監(jiān)測(cè)平臺(tái)在實(shí)際應(yīng)用中，可輔助運(yùn)維人員遠(yuǎn)程監(jiān)督控制風(fēng)電場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)定期遠(yuǎn)程巡檢和監(jiān)測(cè)，提高工作效率。