基于北斗定位技術的風力發(fā)電場遠程三維可視化巡檢方法

楊錫鋒　繆京東　王洋羊　謝飛飛　侯藝偉　何書君

摘 要 針對風力發(fā)電場風機、葉片等設備容易偏航，日常巡檢周期較長，維護難度較大的現(xiàn)狀，提出基于北斗定位技術的風力發(fā)電場遠程三維可視化巡檢方法。實驗結果表明：該方法可以精準采集地形數(shù)據(jù)，風力發(fā)電場的自然景觀等附屬場景模擬效果較優(yōu)，通過風力發(fā)電場三維可視化模型可以快速定位風力發(fā)電場的故障位置。

關鍵詞 北斗定位技術 風力發(fā)電場 三維可視 球面經(jīng)緯度坐標 故障定位

中圖分類號 TP274；TM63? ?文獻標識碼 A? ?文章編號 1000-3932（2023）04-0564-05

風力發(fā)電場是新能源配電網(wǎng)的核心場所，風力發(fā)電場設有大量機組設備，風力發(fā)電場的風機、葉片等設備容易偏航，進而影響電力系統(tǒng)運行的安全性［1］。為了保證配電網(wǎng)生產(chǎn)作業(yè)和安全，風力發(fā)電場的巡檢水平極為重要。文獻［2］應用多機等值模型，充分反映風電場的動態(tài)特性，通過風力發(fā)電場的遠程三維可視化巡檢，實時監(jiān)測風力發(fā)電場內(nèi)機組設備的狀態(tài)，提升了風力發(fā)電場運行的可靠性。為了更準確地研究風力發(fā)電結構在風荷載下的結構響應，文獻［3］利用最小二乘法擬合各分布函數(shù)參數(shù)，結合最大基本風速規(guī)范建議值，確認基本風速下的風力發(fā)電結構的安全性。

風力發(fā)電場面積較廣，作業(yè)過程出現(xiàn)異常時，如果不能及時明確異常位置，巡檢人員就無法獲取精準的故障位置。北斗定位技術是衛(wèi)星導航系統(tǒng)中的重要技術，北斗定位技術包括用戶段、地面段和空間段，在復雜環(huán)境下，仍然可以獲取精準的定位數(shù)據(jù)。文獻［4］針對鄱陽湖區(qū)域風場，研究了風場數(shù)據(jù)后端動態(tài)抓取、解析及存儲技術，進行了三維動態(tài)可視化研究，建立了粒子從地理坐標至屏幕畫布坐標的轉換模型，對于掌握湖區(qū)及周邊風場數(shù)據(jù)有重要意義。文獻［5］以北斗短報文等特色服務為主要信息傳輸，融合互聯(lián)網(wǎng)和人工智能技術，展示了北斗物聯(lián)網(wǎng)技術架構創(chuàng)新驅動發(fā)展的新動能。

由于風力發(fā)電場的日常巡檢周期較長，無法獲取序列化的、精準的定位信息，難以提升風力發(fā)電場的巡檢效率。為此，筆者提出基于北斗定位技術的風力發(fā)電場遠程三維可視化巡檢方法，創(chuàng)新性地在利用北斗定位技術獲取風力發(fā)電場的精準地形數(shù)據(jù)的基礎上，二次確認風力發(fā)電場的坐標信息，構建風力發(fā)電場三維可視化模型，以實現(xiàn)風力發(fā)電場的遠程巡檢。

1 風力發(fā)電場遠程三維可視化巡檢方法

1.1 風力發(fā)電場地形數(shù)據(jù)采集

利用北斗定位技術獲取風力發(fā)電場的高精度地形定位數(shù)據(jù)，流程如圖1所示。

利用北斗定位技術采集風力發(fā)電場的地形數(shù)據(jù)，衛(wèi)星采集的球面經(jīng)、緯度坐標數(shù)據(jù)有流層延遲誤差存在，需要對所采集數(shù)據(jù)處理后，應用于風力發(fā)電場的三維可視化巡檢中。

1.2 遠程三維可視化模型

選用3Dmax軟件構建風力發(fā)電場三維模型的流程如圖2所示。

1.2.1 場景漫游可視化

風力發(fā)電場的可視化是風力發(fā)電場三維可視化巡檢的重要內(nèi)容。風力發(fā)電場三維可視化是利用計算機技術將風力發(fā)電場實際運行場景模擬出來，直觀、逼真地展示風力發(fā)電場的全部運行狀況和運行環(huán)境，巡檢人員通過風力發(fā)電場的三維可視化場景漫游完成巡檢工作。

風力發(fā)電場三維場景模型漫游過程如下：

a. 為場景添加太陽光。Unity 3D軟件中包含不同類型的光源，可以模擬風力發(fā)電場不同天氣環(huán)境下的光源，通過調(diào)整參數(shù)設置風力發(fā)電場的平行光、聚光燈和點光源。風力發(fā)電場的太陽光用平行光模擬，將UI滑動條設置于場景中，將相應腳本掛載于滑動條中，關聯(lián)平行光，對風力發(fā)電場的太陽光利用滑動條的滑動調(diào)整，利用風力發(fā)電場場景內(nèi)的設備陰影實現(xiàn)風力發(fā)電場場景的晝夜交替。

b. 創(chuàng)建附屬模型。風力發(fā)電場三維模型內(nèi)不僅需要設置風電機組模型，還需要設置周邊環(huán)境的附屬模型，將自然景觀與外部場景添加于風力發(fā)電場中，結合風機、葉片等設備的偏移量，依據(jù)風力發(fā)電場的實際場景進行調(diào)配與設置。

c. 場景的碰撞檢測。在進行風力發(fā)電場三維可視化巡檢時，需要用第一人視角進行場景漫游，通過場景碰撞檢測，避免巡檢人員在風力發(fā)電場巡檢時，與場景的其他模型發(fā)生重合，避免影響風力發(fā)電場的巡檢效果。風力發(fā)電場巡檢人員與風電設備發(fā)生碰撞時，無法體現(xiàn)風力發(fā)電場的實際運行狀況。設置剛體碰撞器于場景模型中，將膠囊體添加于場景模型中。模型具備剛體特性，滿足剛體物理規(guī)則，實現(xiàn)場景內(nèi)不同設備的碰撞檢測，使得三維虛擬場景模型更加合理與完善。

d. 添加場景的天空盒。利用Unity 3D軟件為風力發(fā)電場的三維可視化場景添加天空盒，該軟件具有天空盒接口，包含天空盒模塊，可將天空盒添加在不同場景中。完成場景的天空盒添加后，進行場景材質貼圖與渲染工作，設置三維可視化場景的天空景象，提升巡檢過程中場景的三維立體效果。

利用Unity 3D軟件管理場景模型，將風電機組模型、天空盒、外部環(huán)境等眾多場景組合為整體場景，實現(xiàn)全部虛擬風力發(fā)電場場景的顯示與渲染，完成風力發(fā)電場的三維可視化。

1.2.2 巡檢場景交互

選取三維可視化軟件Cyber Maker中的核心控制模塊、輸入模塊、輸出模塊和應用模塊，完成風力發(fā)電場三維可視化巡檢過程中的人機交互。

核心控制模塊。將核心控制模塊作為三維可視化各應用程序的入口，該模塊可實現(xiàn)風力發(fā)電場三維模型公共資源以及進程線程的管理，控制軟件各部分動作以及各模塊的啟停。

輸入模塊。利用輸入模塊管理風力發(fā)電場可視化巡檢的輸入信號以及硬件輸入設備，更新輸入設備狀態(tài)。由輸入模塊分析輸入信號是否為已注冊命令，將已注冊命令分配至相應的命令列表中。

輸出模塊。利用輸出模塊管理風力發(fā)電場可視化巡檢的輸出信號和硬件輸出通道，輸出模塊支持不同感官效果的輸出，可以讀取用戶設置的各項輸出，利用外設設備輸出。輸出模塊向輸入模塊發(fā)送注冊命令，檢測各項輸入命令，執(zhí)行輸入命令的各項操作。

應用模塊。利用應用模塊創(chuàng)建與管理風力發(fā)電場三維模擬場景巡檢需要的各項數(shù)據(jù)，應用模塊讀取用戶可視化巡檢風力發(fā)電場三維模型的仿真信號，執(zhí)行各項模擬操作，實時修改風力發(fā)電場三維場景模型的各項數(shù)據(jù)，執(zhí)行各模塊的巡檢命令操作。

2 實例測試

為了驗證基于北斗定位技術的風力發(fā)電場遠程三維可視化巡檢方法的實際巡檢性能，選取某風力發(fā)電場作為研究對象，風力發(fā)電場內(nèi)包含36臺風電機組，每臺發(fā)電機1 h的發(fā)電量為600～1 100 kW·h。利用風電機組為配電網(wǎng)提供電能。

該巡檢方法利用北斗系統(tǒng)采集風力發(fā)電場的地形數(shù)據(jù)，利用所采集地形數(shù)據(jù)構建風力發(fā)電場的三維可視化模型。北斗系統(tǒng)的參數(shù)設置為：接收機坐標的初始標準差50 m，接收機速度的初始標準差3 m/s，接收機加速度的初始標準差3 m/s2，接收機鐘誤差（User Clock Error）的初始標準差500 m，模糊度的標準差500 m。

采集的風力發(fā)電場的地形數(shù)據(jù)如圖3所示，可以看出，采集數(shù)據(jù)與實際地形數(shù)據(jù)相差較小，說明北斗定位技術具有良好的定位效果，可以獲取精準的風力發(fā)電場的地形信息，便于風力發(fā)電場三維可視化巡檢時巡檢人員發(fā)現(xiàn)風電機組故障，利用精準的定位結果，快速確定故障具體位置，提升風力發(fā)電場的運維水平。

用圖3地形數(shù)據(jù)構建的風力發(fā)電場的風電機組模型結果如圖4所示。

依據(jù)風電機組的實際運行狀態(tài)，采集風電機組的運行參數(shù)，構建與風力發(fā)電場內(nèi)的風電機組具有相同運行狀態(tài)的風電機組。所構建風電機組的三維模型紋理清晰，可以直觀展示風電機組的細節(jié)信息。

采用所提方法構建的風力發(fā)電場最終的三維可視化模型如圖5所示，可以看出，采用筆者方法可以利用所構建的風電機組三維模型組合為風力發(fā)電場三維可視化場景模型，不僅可以真實展現(xiàn)風力發(fā)電場內(nèi)風電機組的運行狀態(tài)，還可以模擬風力發(fā)電場的自然景觀等附屬場景。

應用該方法，進行實例測試與結果分析，風力發(fā)電場2021年3月11日的巡檢結果見表1。

可以看出，采用該方法可以實現(xiàn)風力發(fā)電場的三維可視化巡檢，獲取風力發(fā)電場的風向、風速等信息，即通過風力發(fā)電場的三維可視化巡檢，利用北斗定位技術的定位功能，精準定位故障點，提升風力發(fā)電場內(nèi)風電機組的運行可靠性。

3 結束語

利用北斗定位技術構建風力發(fā)電場的數(shù)字地圖，構建風力發(fā)電場的三維可視化模型，實現(xiàn)了風力發(fā)電場的遠程巡檢，在提升配電網(wǎng)的安全巡檢水平和巡檢效率同時減少了風力發(fā)電場巡檢人員數(shù)量，加快了風力發(fā)電場突發(fā)事件和故障的處置速度，使風力發(fā)電場的巡檢工作滿足可管可控的要求，應用前景廣闊。

參 考 文 獻

［1］ 許世健，趙丹，蘇鋮宇，等.面向流場可視化的沉浸式虛擬現(xiàn)實交互系統(tǒng)研究［J］.系統(tǒng)仿真學報，2022，34（5）：1160-1172.

［2］ 蘇柯文，張永明，胡維飛.基于參數(shù)測量的風力發(fā)電場等值建模方法研究［J］.電測與儀表，2020，57（18）：29-35.

［3］ 李萬潤，張廣隸，李林，等.基于長期實測數(shù)據(jù)的西北地區(qū)風力發(fā)電場風速風向聯(lián)合概率分布分析［J］.蘭州理工大學學報，2022，48（3）：115-124.

［4］ 袁武彬，廖明偉，廖明，等.鄱陽湖區(qū)域風場矢量的Web三維動態(tài)可視化［J］.地理與地理信息科學，2020，36（1）：22-26.

［5］ 謝軍，莊建樓，康成斌.基于北斗系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)技術與應用［J］.南京航空航天大學學報，2021，53（3）：329-337.

（收稿日期：2023-01-12，修回日期：2023-03-02）

Remote 3D Visualization Inspection Method for Wind Farms

Based on Beidou Positioning Technology

YANG Xi-feng， MIAO Jing-dong， WANG Yang-yang， XIE Fei-fei，

HOU Yi-wei， HE Shu-jun

（Longyuan Power Group （Shanghai）New Energy Co.， Ltd.）

Abstract? ?Fans， blades and other equipment in wind power farms are easy to yaw and the daily inspection cycle is long and the maintenance becomes difficult. In this paper， the remote 3D visualization inspection method for wind farms based on Beidou positioning technology was proposed. The experimental results show that， the method proposed can accurately collect topographic data， and the simulation effect of ancillary scenes such as the natural landscape of wind farms is better. Through 3D visualization model of the wind farm， the fault position of the wind farm can be located quickly.

Key words? ?Beidou positioning technology， wind farm， 3D visualization， spherical latitude and longitude coordinates， fault location