风电场数字化系统模型及编码轻量化方法

周怡冰，范朝峰，徐彦帆

(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.国家电投集团江苏海上风力发电有限公司，江苏 盐城 224000)

电厂标识系统是对电厂系统及设备分类与编码的系统，作为一种公用的语言和唯一标识码来协调不同部门之间的通信、生产管理、经营管理等工作。随着三维数字化技术在各类电厂运维阶段的深入应用，通过电厂标识系统对三维模型进行编码、并通过该唯一编码对模型信息进行管理的方式已成为主流，可协助风电场的精细化运维，助力大数据等信息化手段准确掌握设备状态、提高发电水平[1]。然而，风电场项目风机数量众多，存在模型体量大、编码数量多、模型及编码重复性高的特点，这些特点为三维模型展示及模型编码工作带来较大的困难，广泛应用于水电项目的总装模型展示方式已不适用于风电项目；但同时，风电场项目可以从项目本身特点入手，利用其模型可复用的特点，探索新的三维展示及编码方式。

1 项目概况

国家电投滨海南H3号300 MW海上风电场项目位于江苏省盐城市滨海县，风电场在废黄河口至扁担港口之间的近海海域，滨海港水域港界南侧，离岸距离36 km，海底地形变化较小，水深约18 m。风电场形状呈平行四边形，平行于海岸线方向的距离约为13 km，垂直于海岸线方向的平均距离约为6.8 km，安装75台4 MW风机，总装机容量300 MW。

2 三维数字化技术在工程运维中的应用背景

2.1 三维可视化技术

随着BIM(建筑信息模型)及三维数字化技术的发展，现有的工程项目已不满足于三维建模的简单应用，各类工程公司及运维单位开始通过三维可视化及各类信息技术手段，对项目的全生命周期进行数字化、智能化管理提升。其中，海上风电生产管理业务可以依托先进的网络通讯、三维模拟、大数据等技术，使风电场运维人员实现高效与安全的运检作业，降低运维人员工作强度，实现设备模型与设备资源信息的互联互通(见图1)，促进作业数据移动化、信息流转自动化、综合分析智能化，提升运检作业现场管理的穿透力，全面提高运检作业效能[2]。

图1 通过设备模型查看设备资源信息

生产管理的三维数字化离不开在线三维可视化技术的发展。现有的WebGL技术标准可以借助系统显卡在浏览器里流畅地展示3D场景和模型，免去了开发网页专用渲染插件的麻烦，使得网页端三维展示及数据可视化变为可能。目前，WebGL技术已广泛使用于工程三维数字化领域，但其对模型的大小及精细度仍有一定限制。

2.2 三维模型编码技术

在水电或其他电厂工程项目中，三维模型的虚实映射[3]往往通过模型编码来实现。编码作为电厂的公用语言和系统设备的唯一标识，能保证资产信息的完整、一致性[4]，协助企业加强内部科学管理，在运维阶段的作用举足轻重。同样，在电厂三维数字化管理系统中，编码作为存储设备信息的数据库主键，是检索模型、关联设备信息和实时数据的必要环节。

在现有三维数字化设计项目中，往往使用软件自带或二次开发的工具对模型赋予编码信息，部分行业可以做到自动编码。但由于电厂涉及专业众多，各专业之间也存在数据格式不同等问题，现有的编码工作还是需要设计人员进行手动关联。

3 风电项目特点研究

3.1 模型体量

国家电投滨海南H3号300 MW海上风电场项目共安装75台风机。1台风机的详细模型(包含内部的设备和结构细节)大小在500 M左右，轻量化处理后体量在200 M左右。如果按照水电项目经验，将所有风机模型总装至一个模型，模型大小会上升至数个G，其体量将远远超过现有网页端三维引擎的承载能力。这会导致三维数字化系统建设困难，基于网页端三维展示技术的相关运维应用也无法顺利开展。

3.2 编码工作量

上文提到，基于网页端三维展示技术的运维应用需要依赖模型的唯一编码进行数据存储，这项功能的前提是在建模阶段对模型赋予相应的编码信息。单台风机内部所有系统及设备存在近千条编码信息，其中与运维相关的主要设备编码数量在200条左右，如果对所有风机内部的主要设备进行编码，其数量会过万。单纯的编码工作就会给模型处理及设计人员带来巨大的工作量，不符合三维数字化管理经济、高效的初衷。

3.3 模型重复性

其实从以上两个特点中不难看出，风电场模型虽然体量巨大，但是其模型和设备存在高度的重复性，一个项目往往采购同一种风机，其模型、编码可复用性强。根据项目经验，这一特性可以作为风电场三维数字化系统展示方式研究的切入点，展开进一步的探讨。

4 风电场模型展示及管理方式探讨

4.1 模型展示方式

在传统的水电项目中，也会遇到机组模型过大、而无法加载至总装模型的问题。在这种情况下，一般的解决方法是将总装模型和机组模型进行拆分，通过不同的页面进行模型加载。

根据前文提到的风电场项目特点，结合以往水电项目经验，需要将体现风电场整体布置的总装模型和体现风机细节的详细模型进行分级展示(见图2(a))：首先在总装模型中，仅布置风机外壳模型(或简化模型)进行整体模型的展示(见图2(b))；在选中某台风机后，通过链接的方式打开并进一步查看风机详细模型(见图2(c))。在这里，项目中所有相同的风机设备可共用同一个风机详细模型链接。

图2 分级展示风机模型

通过这种展示模式，首先可以解决模型总装过大无法发布的问题，让风电场系统设备模型的流畅展示变为可能；其次数10台风机可共用一个详细模型，极大地减轻了模型处理、发布和管理的工作量。

4.2 模型管理方式

工程三维数字化运维管理系统的重点并非简单的三维模型展示，设备模型与各类数据信息的互联互通才是其核心价值所在。系统的数据管理方式从前端展示上看，是在模型上附着属性信息、工程运维信息等数据；从后台数据库角度出发，实际上是以模型的唯一编码(在电力行业采用电厂标识系统)作为主键和外键，高效关联技术台账、开关量、模拟量、计数量[5]等各类工程数据，保证了数据的一致性。

根据电厂标识系统特点，风机内设备编码应该为“风力发电机组系统码”(一级编码)+“设备编码”(二级及其他子节点编码)。根据3.1中提到的模型展示方式，由于整个风电场共用一套风机详细模型，该模型也仅有一套设备编码，缺乏一级编码信息，并不能满足全场风机模型的管理要求。

针对这个问题，可采用如下方式进行编码的拼接：系统需要在用户选取风机简模时获取该风机(风力发电机组系统)编码，并将其叠加至风机详细模型中的设备编码之前。如此可以获得风机内部设备的完整编码，用于关联各类运维数据信息，保证了信息和模型的完全匹配。分级对风机模型进行编码见图3。

图3 分级对风机模型进行编码

5 结 语

通过对风电项目特点的剖析和研究，在现有水电站三维数字化运维管理系统的基础上，衍生出一套适合风电场项目三维数字化运维的模型展示和管理方法，解决了系统建设中遇到的模型过大难题，同时减轻了模型处理及编码工作量，降低了系统数据规模。相关研究结果可以与实际项目相结合，进一步应用于类似的工程项目中。