萬　元，陳海波，黃孝恩

面向運行人員的風(fēng)電場3D虛擬化仿真培訓(xùn)平臺設(shè)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(fēng)電場運行人員的現(xiàn)場操作培訓(xùn)存在“誤動設(shè)備”的潛在風(fēng)險，且短時間內(nèi)不能展示風(fēng)電場所的重要工況，為了解決風(fēng)電場運行實操培訓(xùn)風(fēng)險高、培訓(xùn)內(nèi)容不全面等諸多問題，研制了一套面向運行人員的風(fēng)電場3D虛擬化仿真培訓(xùn)平臺，介紹了平臺的硬件結(jié)構(gòu)與軟件層次結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上，采用虛擬化建模技術(shù)實現(xiàn)了風(fēng)電場的1∶1全景式仿真，即在對電力設(shè)備及其運行狀態(tài)數(shù)學(xué)建模的基礎(chǔ)上，采用建模技術(shù)實現(xiàn)了風(fēng)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(fēng)電場運行人員在全虛擬化的3D環(huán)境中模擬設(shè)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(shè)計的3D培訓(xùn)仿真平臺能讓受訓(xùn)人員體會“身臨其境”感覺，培訓(xùn)效果良好。

風(fēng)電場；仿真培訓(xùn)；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(guān)鍵的任務(wù)之一是保障電力設(shè)備的長時間安全、可靠、穩(wěn)定運行，避免重大設(shè)備事故的發(fā)生[1]，[2]，而人員素質(zhì)決定該任務(wù)能否實現(xiàn)的關(guān)鍵。長期以來，發(fā)電企業(yè)將人員素質(zhì)的培養(yǎng)作為其重要的工作內(nèi)容。然而，發(fā)電系統(tǒng)的運行特性決定其在培訓(xùn)時不能完全采取現(xiàn)場培訓(xùn)的模式，因為如果在培訓(xùn)時不小心“誤動”電力設(shè)備，將直接導(dǎo)致無法預(yù)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(xùn)平臺建設(shè)，并逐步形成共識，即通過數(shù)字化仿真手段建立培訓(xùn)平臺，既能達到預(yù)期的培訓(xùn)效果，又可避免設(shè)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(xùn)平臺設(shè)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(fēng)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(xùn)平臺的設(shè)計方興未艾，目前尚處于探索階段。

鑒于此，本文設(shè)計了面向運行人員的風(fēng)電場3D虛擬化仿真培訓(xùn)平臺，構(gòu)建了平臺的硬件，設(shè)計了分層式軟件結(jié)構(gòu)，平臺采用1:1全景式建模方式建模，實現(xiàn)了電力設(shè)備及其運行狀態(tài)數(shù)學(xué)建模，監(jiān)控系統(tǒng)、運行場景、現(xiàn)場設(shè)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(shè)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(xùn)效果。

1　平臺結(jié)構(gòu)

1.1硬件結(jié)構(gòu)

平臺硬件結(jié)構(gòu)見下頁圖1所示，采用了單網(wǎng)分布式結(jié)構(gòu)，通過核心交換機將所有計算機設(shè)備互聯(lián)，具體包括工程師站、學(xué)員操作站、教練員站等。學(xué)員操作站是獨立并行關(guān)系，均安裝有全套的風(fēng)電場仿真培訓(xùn)軟件。學(xué)員操作站是可以擴充的，系統(tǒng)可通過配置任意地增加學(xué)員操作站以適應(yīng)不同的培訓(xùn)人群規(guī)模。學(xué)員操作站、教練員站上均配置有基于3D虛擬現(xiàn)實的風(fēng)電場仿真軟件，其中，教練員站配置了額外管理軟件，可對學(xué)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(jié)構(gòu)

系統(tǒng)以電力設(shè)備數(shù)學(xué)建模、2D監(jiān)控交互平臺建模、風(fēng)電場3D虛擬現(xiàn)實建模等為基礎(chǔ)，衍生出風(fēng)電場運行人員的日常工作、定期工作、專項工作等的培訓(xùn)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(shè)備的監(jiān)視（3D虛擬監(jiān)視）、模擬現(xiàn)場設(shè)備的控制（3D虛擬控制）、設(shè)備操作、設(shè)備巡檢、事故處理等。系統(tǒng)軟件的功能結(jié)構(gòu)見圖2所示。

圖1　硬件結(jié)構(gòu)

圖2　系統(tǒng)軟件功能結(jié)構(gòu)

平臺軟件采用分層式結(jié)構(gòu)，分為數(shù)學(xué)模型層、虛擬現(xiàn)實模型層。其中數(shù)學(xué)模型層是核心，用于描繪電力設(shè)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(xué)模型的觸發(fā)輸入，用以改變風(fēng)電場的運行邊界條件。

平臺工作原理為：當受訓(xùn)人員在虛擬界面上操作設(shè)備時，系統(tǒng)將操作指令送入電力設(shè)備數(shù)學(xué)模型，改變了數(shù)學(xué)模型的邊界條件，系統(tǒng)的運行狀態(tài)亦相應(yīng)改變，運行結(jié)果將送至虛擬界面上反饋，讓受訓(xùn)者了解風(fēng)電場的運行狀況。

2　電力設(shè)備數(shù)學(xué)建模

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

圖3　風(fēng)電機組數(shù)學(xué)建?？蚣?/p>

對于一臺風(fēng)電機組，為了能全方位模擬其運行工況，需對風(fēng)速、風(fēng)輪機、傳動機構(gòu)、發(fā)電機、電網(wǎng)均進行數(shù)學(xué)建模，同時，各模型之間需彼此互聯(lián)，協(xié)同運行，共同構(gòu)成一個整體，用以模擬風(fēng)電機組全部運行狀態(tài)，圖4展示了異步雙饋風(fēng)電機組建模時各設(shè)備模型間協(xié)聯(lián)關(guān)系[3]。

圖4　異步雙饋風(fēng)電機組設(shè)備模型間協(xié)聯(lián)關(guān)系

其中，風(fēng)輪機模型輸入的為風(fēng)速、風(fēng)機葉片轉(zhuǎn)速，輸出的為風(fēng)力驅(qū)動產(chǎn)生的動力力矩。該動力力矩作為傳動機構(gòu)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(fēng)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(xué)建模，并按照風(fēng)電場的主接線圖，構(gòu)建了以上各模型連接關(guān)系。

風(fēng)電場各設(shè)備數(shù)學(xué)模型方程可參考文獻[3]。

3　SCADA人機交互模型設(shè)計

采用2D圖形建模的方式，構(gòu)建了風(fēng)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(fēng)電機組運行狀況，向風(fēng)電場工作人員展示風(fēng)電機組的總體運行狀況，并能實現(xiàn)風(fēng)電場絕大部分設(shè)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(shè)計，2D圖形模型上預(yù)留數(shù)據(jù)接口，與電力設(shè)備數(shù)學(xué)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(xué)模型計算結(jié)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(fēng)機，2D圖形化模型上不僅能實現(xiàn)風(fēng)電機組的控制與調(diào)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(fēng)機轉(zhuǎn)速、油溫等。

3）運行狀態(tài)量，包括風(fēng)電機組有功、定轉(zhuǎn)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(fēng)機當日發(fā)電量、投運合計發(fā)電量、當日最大風(fēng)速、各部件當日最高溫度等。

圖5　SCADA典型2D圖形化模型

4　風(fēng)電設(shè)備的3　D虛擬現(xiàn)實建模

風(fēng)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(fēng)電設(shè)備的控制與調(diào)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(guān)檢修時措施布置等。

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

3）增加培訓(xùn)的效果與趣味性，使受訓(xùn)人員能夠短時間熟悉風(fēng)電場的設(shè)備與布置。

4.1建模流程

風(fēng)電機組由一個個系統(tǒng)構(gòu)成，如定子系統(tǒng)、轉(zhuǎn)子系統(tǒng)、變速箱系統(tǒng)、軸承系統(tǒng)、風(fēng)輪系統(tǒng)等。每個系統(tǒng)中可分為若干設(shè)備，每個設(shè)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(fēng)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(shè)備的裝配圖、三視圖、剖面圖等多種類型技術(shù)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(jié)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(fēng)電機組3D虛擬現(xiàn)實建模過程見圖6所示。風(fēng)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(jīng)歷以下幾個步驟：

1）資料收集：收集的資料包括技術(shù)資料與多媒體資料。

圖6　風(fēng)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(jié)構(gòu)、零件接口等信息進行分析。

3）圖形分析：根據(jù)分析結(jié)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(shè)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(guān)專家咨詢。

5）與周圍設(shè)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(guān)專家咨詢。

圖7、圖8分別為風(fēng)電機組、風(fēng)電場電容器的3D虛擬現(xiàn)實模型。

圖7　風(fēng)電機組的3D虛擬現(xiàn)實模型

圖8　風(fēng)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(xùn)人員對風(fēng)電場進行巡檢與監(jiān)測，并能確保受訓(xùn)人員在現(xiàn)地對風(fēng)電設(shè)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(fēng)電場的結(jié)構(gòu)與布置，整體上勾勒出風(fēng)電場的三維輪廓，確保3D模型的真實性。模型上預(yù)留數(shù)據(jù)接口，可實現(xiàn)與操作命令的輸入，并保證與風(fēng)電設(shè)備數(shù)學(xué)模型的信息交互，確保能夠在3D界面上實現(xiàn)設(shè)備的操作與控制。

圖9為風(fēng)電場典型運行場景3D虛擬現(xiàn)實模型。

圖9　開關(guān)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(fēng)電機組開關(guān)站開關(guān)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(shè)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(shè)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(fēng)電場運行人員工作的全方位仿真，對風(fēng)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(yīng)用

目前，平臺已完成初步設(shè)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(xué)員熟練地掌握風(fēng)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(jīng)濟運行的能力。

2）它可用于對崗位運行人員、技術(shù)管理人員的定期輪訓(xùn)，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(fēng)電場中所發(fā)生故障的原因和結(jié)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(jié)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(fēng)電場3D虛擬化仿真培訓(xùn)平臺，介紹了硬件結(jié)構(gòu)與軟件結(jié)構(gòu)，論述了風(fēng)電場數(shù)學(xué)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(fēng)電場3D虛擬化仿真培訓(xùn)的方式，對于提高數(shù)字化虛擬培訓(xùn)的真實度，增加培訓(xùn)的趣味性與實效性具有非常大的優(yōu)勢。

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

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[4]胡小強.虛擬現(xiàn)實技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2009.

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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(chǎn)、發(fā)電仿真教學(xué)工作。