海上风电场虚拟电子围栏技术的研究与应用

崔 凯

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

0 引言

随着风电行业的不断发展，海上风电场的优势将是不可替代的，近海风电将是我国东部沿海地区风电发展的重点。但是，海上风电场建立在离岸数千米～几十千米之外，环境恶劣，天气状况复杂，人员出海受到各类因素的制约，给风电场的运行管理、安全、通航及并网控制等带来很多管理和技术困难。海上风电场的基建期与运维期，各类船舶来往不断，随意的抛锚对风机、海缆的安全造成极大隐患。

虚拟电子围栏技术在城市停车、船舶进出港口方面都有应用案例，实现了对船舶、汽车在一定固定区域的监控识别，一旦船舶、汽车驶离此区域即可提醒管理人员。但此前研究案例都在通信网络服务发达地区，在离岸较远海上风电场等通信网络服务较弱地区鲜有研究案例，也没有使用数字化模型立体展示。为此，在借鉴前人研究成果的基础上[1–2]，对海上风电场应用虚拟电子围栏技术进行深入研究。

1 海上虚拟电子围栏研究

虚拟电子围栏顾名思义就是此围栏无物理实体，仅在软件系统上可见。基于风电场的风机 GIS坐标数据，将所有风机坐标连成多边形，并根据风电场风机的坐标形状外轮廓线，将轮廓线适当外扩一定距离，此轮廓线即定义为海上虚拟电子围栏。

借助船舶 AIS（自动识别系统）技术实现船舶定位，通过计算船舶在海上的坐标与风电场电子围栏相对边界关系，实现一旦外部船舶在风电场虚拟电子围栏范围内闯入、抛锚，系统实时计算风电场周边所有船舶位置关系，实时预警，全天候保证风电场周界安全。

1.1 算法原理

海上风电场区域形状在规划上是规则多边形，在海上风电场区域外围和海缆两侧一定范围搭建虚拟电子围栏，当外部船舶闯入虚拟电子围栏时及时发出报警信息。

判断船舶是否位于虚拟电子围栏内，首先根据多边形的最大最小经纬度坐标做出 1 个矩形，过滤掉不在矩形内的船舶。

过滤掉不在矩形内的船舶后，再根据以下方法判断矩形内的船舶是否在多边形内：1）计算射线与多边形边界相交的次数，任一射线穿过多边形，奇数段位于多边形内，偶数段位于多边形外。2）检查一点是否在多边形内，可以作一射线往任意方向投射：若射线与多边形边的相交次数n为奇数，则点位于多边形内；若射线与多边形相交次数为偶数，则点位于多边形外。算法原理图如图 1 所示。

图1 算法原理图

根据以上基本原理，在已知船舶 AIS 定位的情况下，根据船舶与虚拟围栏区域多边形相交次数，可以判断外部船舶是否闯入虚拟电子围栏。

1.2 船舶监控

风电场项目位置距离海岸较远，岸基 AIS 基站覆盖范围有限，为了获得船舶的 AIS 数据，接入第三方公司的卫星 AIS 数据，融合岸基和卫星的 AIS数据，形成更高精度、更广范围的 AIS 数据。同时，叠加和融合雷达实时图像[3]，对船舶进行实时跟踪和监管。

运维期间，在海上升压站投入运营后，考虑将AIS 基站移至海上升压站，距离更近，可更为有效地监控风电场区域外部船舶。

1.3 人员监控

风电场施工运维期间，在固定点位安装定位基站，出海人员佩戴定位手环或个人信标，当出海人员进入定位基站接收范围内，基于 UWB（超宽带）技术实现人员定位功能[4]。当人员在船上时，通过船舶的 AIS 位置信息指代人员的位置。

人员监控，主要针对的是人员落水情况。当出现人员落水情况时，佩戴在救生衣上的个人信标遇水会自动发送信号，信号通过 AIS 和北斗卫星RDSS（Radio Determination Satellite Service）等通信设备实现卫星精确定位、自动报警、位置持续跟踪、落水人员历史轨迹查询功能[5]。

2 海上虚拟电子围栏应用

江苏某海上风电场位于黄海近海海域，场区中心点离海岸距离约为 44 km，海底地形有一定起伏，海底高程为 -2～-14 m。风电场近似呈梯形，东西方向平均长度约为 6.5 km，南北宽度约为 5.7 km，规划海域面积约为 37 km2。

2.1 海面超视距通信

2.1.1 超视距通信原理

在满足一定的气象条件的情况下，靠近海面的水蒸气由于蒸发效果，使得大气湿度随高度增加而逐渐降低，而电磁波非常容易受到大气折射的影响使得传播折射轨迹弯曲向水面。近地表层波导强度能力以蒸发波导高度表征。蒸发波导对电磁波传播的影响主要表现在对电磁波的陷获作用上，这种效应对应了微波信号在蒸发波导环境下所具有的异常传输能力——超视距传播。海面蒸发波导对电磁波传播的影响示意图如图 2 所示。

图2 蒸发波导对电磁波传播的影响示意图

微波通信若利用海面蒸发波导形成超视距传播需要满足以下基本条件[6]：

1）海面必须存在一定高度的蒸发波导。根据统计，全球海域蒸发波导平均高度在 13～16 m 之间。低纬度出现可利用波导高度的概率为 60%～80%，我国大部分海域处于低纬度，充分利用这种信道资源，则微波通信系统可望实现较高可靠度的超视距传输。

2）系统工作频率必须高于最低陷获频率。蒸发波导陷获电磁波的能力依赖于系统的频率，根据波导模式理论，中性层结条件下波导所能捕获的最低电磁波频率为fmin= 360.33z–1.5GHz（z为蒸发波导高度）。国外研究表明，海面蒸发波导通常只对频率高于 3 GHz 的系统具有陷获电磁波的能力，但频率如果高于 20 GHz 则不再以海面蒸发波导传播为主，因此，微波通信系统的工作频率应在 3～20 GHz 之间。对距离海岸较远的风电场区域，需要实时获取船舶 AIS 位置数据及人员的实时位置，通过微波通信技术可实现海上风电场与集控中心的实时网络通信。

2.1.2 超视距通信解决方案

根据海域环境在沿岸制高点架设 5 GHz 伺服微波基站（高于最低陷获频率）。考虑到海岸边建筑物的高度及接入网络运营商的便利性，一般选择将伺服微波基站挂在运营商的基站铁塔上。

利用高增益扇区天线覆盖风电场区海域（46 km）范围，以其中 1 条海上固定大船作为主船安装链路回传终端，形成骨干链路，链路带宽约为 20 Mbit/s。微波基站工程按 4 个作业面考虑，同时在主船上设置 5.8 GHz 无线基站，在其余 3 条施工船上安装船载终端，形成分支链路，分支链路可以覆盖主船周边 8 km 海域，链路带宽约为 30 Mbit/s。考虑到通信设备投资，其余 3 条施工船均以主船作为通信中继，借助骨干链路将信号回传至陆地，解决方案示意图如图 3 所示。根据实际海况测试，当风机海域最远端距离岸上基站超过 60 km 时，此解决方案提供的通信网络质量不再满足通信要求。

图3 超视距通信解决方案示意图

为满足基建期管理要求，在每艘施工船的舱内安装覆盖 AP（无线接入点），可实时将高清摄像机视频传输至陆上集控中心，并且达到船上人员实时与陆上人员利用手机软件（微信等工具软件）实现视频及语音通话的目的。

基建期结束后，将主船上的终端站移至海上升压站，并将其余几个船载终端站移至适当风机上，形成岸基中心站至海上升压站的骨干主链路，以及风机与海上升压站之间的分支链路。借助此通信链路的搭建，在运维期提供光纤通信与卫星电话以外的备用通信网络。

2.2 虚拟电子围栏技术

2.2.1 海上风电场数字化模型的建立

海上风电场数字化模型建设时考虑到海上风电场涉及的专业较多（包含结构、土建、电气一次、电气二次等专业），在对多家三维建模软件 Revit，MicroStation，Catia 等进行比较后，针对 Bentley 软件在专业覆盖规模上的全面性，最终采用 Bentley 公司基于 MicroStation 平台的建模软件进行海上风电场的全专业数字化模型建立。海上风电场数字化模型包括升压站、风机、陆上集控中心等模型，数字化模型压缩后发布至网页端，可以形象立体地展示模型与电子围栏的位置关系。建立的海上升压站模型如图 4所示。

图4 海上升压站模型

2.2.2 虚拟电子围栏的实践应用

利用船舶 AIS 和GIS 及三维建筑信息模型（BIM）技术，构建风电场虚拟电子围栏。运用 BIM 技术搭建完善的风电场全专业数字化模型，把物理风电场完全以数字化形态展现，同时利用虚拟现实（VR）技术建立虚拟海上风电场 3D 演示系统。虚拟电子围栏与风电场全专业数字化模型结合，以立体形象的数字化方式保障海上风电场安全[7]，如图 5 所示。

图5 海上虚拟电子围栏

江苏某海上风电场的风机 GIS 坐标形成一个规则的梯形，将风电场的梯形轮廓线外扩 200 m，此扩大的梯形定义为风电场的虚拟电子围栏。

虚拟电子围栏设置如下：内部船舶默认可以在风电场内任意航行；外部船舶进入、停留都可以根据 AIS 信息获取船舶具体 MMSI（海上移动业务识别）码，并可跟踪船舶轨迹[8]。从实际风电场中闯入电子围栏的外部船舶报警信息中，可以看到闯入船舶的名称、时间、位置等信息。对于在风电场区域范围内的船舶，可以根据需要定位船舶位置，并查询一定时间范围内船舶的行驶轨迹。

基于虚拟电子围栏技术开发的识别监控软件安装于陆上集控中心中控室内主机上，当有外部船舶闯入风电场电子围栏内，系统会有报警声音提示风电场维护人员处理。

3 结语

本研究通过在江苏某风电场的实践应用，所有外部船舶在管控风电场的抛锚、穿越都会及时提醒风电场管理人员，并提供外部船舶抛锚穿越轨迹路线，充分展示了虚拟电子围栏技术在风电场安全管控方面的作用。对于深远海区域的风电场，由于目前海上超视距通信限制，无法完美解决深远海区域风电场网络通信问题，本研究软件系统暂无深远海风电场测试效果。与目前已有的成果相较而言，研究的海上虚拟电子围栏技术应用于海上通信网络信号不发达区域，解决了通信问题，并拓展研究深度，对船舶的轨迹进行跟踪，满足风电场业主实际需求。在目前已能追踪外部船舶闯入风电场过程的基础上，进一步的研究方向是在外部船舶闯入时直接干预，可接入远程喊话系统直接通知有外部船舶的闯入，避免事故的发生。研究的虚拟电子围栏技术，对各个风电场特性不存在依赖关系，技术通用性强，可为国内其他风电场建设运维期的安全管控起到示范作用。虚拟电子围栏技术可帮助项目管理人员实时了解风电场运行及异常情况，动态跟踪作业人员安全，提高海上风电场运行管理水平。