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(xiàn)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(xiàn)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(tài)數(shù)學建模的基礎上，采用建模技術實現(xiàn)了風電場的多維信息虛擬化，包括監(jiān)控系統(tǒng)虛擬化、運行場景虛擬化、現(xiàn)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(huán)境中模擬設備的巡視、監(jiān)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(xiàn)實；數(shù)字化；建模

0　引言

對于發(fā)電企業(yè)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(wěn)定運行，避免重大設備事故的發(fā)生[1]，[2]，而人員素質決定該任務能否實現(xiàn)的關鍵。長期以來，發(fā)電企業(yè)將人員素質的培養(yǎng)作為其重要的工作內容。然而，發(fā)電系統(tǒng)的運行特性決定其在培訓時不能完全采取現(xiàn)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(fā)生[1]，[2]，因此，各發(fā)電企業(yè)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(shù)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(yōu)勢。各發(fā)電企業(yè)紛紛啟動仿真培訓平臺設計與研究，并且陸續(xù)有火電廠、核電廠、水電廠等全數(shù)字化仿真平臺紛紛面世，而風電作為近年來快速發(fā)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(xiàn)了電力設備及其運行狀態(tài)數(shù)學建模，監(jiān)控系統(tǒng)、運行場景、現(xiàn)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(shù)字化環(huán)境中模擬設備的巡視、監(jiān)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(wǎng)分布式結構，通過核心交換機將所有計算機設備互聯(lián)，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(tǒng)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(guī)模。學員操作站、教練員站上均配置有基于3D虛擬現(xiàn)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(tǒng)維護、升級及更新等。

1.2軟件結構

系統(tǒng)以電力設備數(shù)學建模、2D監(jiān)控交互平臺建模、風電場3D虛擬現(xiàn)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(tǒng)的監(jiān)視與控制（2D虛擬監(jiān)視與控制）、模擬現(xiàn)場設備的監(jiān)視（3D虛擬監(jiān)視）、模擬現(xiàn)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(tǒng)軟件的功能結構見圖2所示。

圖1　硬件結構

圖2　系統(tǒng)軟件功能結構

平臺軟件采用分層式結構，分為數(shù)學模型層、虛擬現(xiàn)實模型層。其中數(shù)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(tài)或邊界條件切換時的運動過程；虛擬現(xiàn)實模型是表現(xiàn)層，用以實現(xiàn)數(shù)學模型的觸發(fā)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(tǒng)將操作指令送入電力設備數(shù)學模型，改變了數(shù)學模型的邊界條件，系統(tǒng)的運行狀態(tài)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(shù)學建模

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

圖3　風電機組數(shù)學建?？蚣?/p>

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(fā)電機、電網(wǎng)均進行數(shù)學建模，同時，各模型之間需彼此互聯(lián)，協(xié)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(tài)，圖4展示了異步雙饋風電機組建模時各設備模型間協(xié)聯(lián)關系[3]。

圖4　異步雙饋風電機組設備模型間協(xié)聯(lián)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(tǒng)模型輸出的為發(fā)電機的機械力矩，為發(fā)電機的原動力。

除了單臺風電機組建模以外，系統(tǒng)還將箱式變壓器、場用電、升壓站系統(tǒng)、無功補償站等均進行了數(shù)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(shù)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(shù)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(xiàn)風電場絕大部分設備的操作與控制。2D數(shù)字化圖形界面采用自制的2D圖形化組態(tài)軟件設計，2D圖形模型上預留數(shù)據(jù)接口，與電力設備數(shù)學模型、3D虛擬現(xiàn)實模型、實時數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)等信息交互。數(shù)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(xiàn)風電機組的控制與調節(jié)，還展示了大量運行數(shù)據(jù)，包括：

1）數(shù)字狀態(tài)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(tǒng)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(tài)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(tǒng)計分析量，包括風機當日發(fā)電量、投運合計發(fā)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(xiàn)實建模

風電場3D虛擬現(xiàn)實建模有以下目的：

1）實現(xiàn)SCADA系統(tǒng)不可達的風電設備的控制與調節(jié)，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(tǒng)構成，如定子系統(tǒng)、轉子系統(tǒng)、變速箱系統(tǒng)、軸承系統(tǒng)、風輪系統(tǒng)等。每個系統(tǒng)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(lián)接與匹配。為實現(xiàn)風電機組3D虛擬現(xiàn)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(jié)進行分析[4]。

風電機組3D虛擬現(xiàn)實建模過程見圖6所示。風電機組3D虛擬現(xiàn)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(xiàn)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(jù)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(xiàn)實模型。

圖7　風電機組的3D虛擬現(xiàn)實模型

圖8　風電場電容器3D虛擬現(xiàn)實場景

4.2運行場景3D虛擬現(xiàn)實建模

運行場景的3D虛擬現(xiàn)實建模便于受訓人員對風電場進行巡檢與監(jiān)測，并能確保受訓人員在現(xiàn)地對風電設備進行操作。運行場景的3D虛擬現(xiàn)實建模采用靜態(tài)的3D數(shù)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(shù)據(jù)接口，可實現(xiàn)與操作命令的輸入，并保證與風電設備數(shù)學模型的信息交互，確保能夠在3D界面上實現(xiàn)設備的操作與控制。

圖9為風電場典型運行場景3D虛擬現(xiàn)實模型。

圖9　開關站3D虛擬現(xiàn)實運行場景

通過與SCADA系統(tǒng)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(tǒng)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(xiàn)了虛擬設備巡檢功能。

4.3工具的3D虛擬現(xiàn)實建模

為了保證仿真的完整性，實現(xiàn)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(xiàn)實模型。

圖10　操作工具的3D虛擬現(xiàn)實模型

5　系統(tǒng)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(tài)下的監(jiān)控能力、異常和事故狀態(tài)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(guī)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(fā)生故障的原因和結果，可重演真實電站中已發(fā)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(fā)，研制開發(fā)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(shù)學建模、SCADA系統(tǒng)界面圖形化建模、運行場景及工具3D虛擬現(xiàn)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(shù)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(yōu)勢。

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[4]胡小強.虛擬現(xiàn)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(tǒng)一平臺的風電場中央監(jiān)控系統(tǒng)主站設計[J].電力系統(tǒng)及其自動化學報，2014，26 （2）:313-317.

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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(fā)電生產、發(fā)電仿真教學工作。