基于北斗定位技术的风力发电场远程三维可视化巡检方法

杨锡锋　缪京东　王洋羊　谢飞飞　侯艺伟　何书君

摘 要 针对风力发电场风机、叶片等设备容易偏航，日常巡检周期较长，维护难度较大的现状，提出基于北斗定位技术的风力发电场远程三维可视化巡检方法。实验结果表明：该方法可以精准采集地形数据，风力发电场的自然景观等附属场景模拟效果较优，通过风力发电场三维可视化模型可以快速定位风力发电场的故障位置。

关键词 北斗定位技术 风力发电场 三维可视 球面经纬度坐标 故障定位

中图分类号 TP274；TM63   文献标识码 A   文章编号 1000-3932（2023）04-0564-05

风力发电场是新能源配电网的核心场所，风力发电场设有大量机组设备，风力发电场的风机、叶片等设备容易偏航，进而影响电力系统运行的安全性［1］。为了保证配电网生产作业和安全，风力发电场的巡检水平极为重要。文献［2］应用多机等值模型，充分反映风电场的动态特性，通过风力发电场的远程三维可视化巡检，实时监测风力发电场内机组设备的状态，提升了風力发电场运行的可靠性。为了更准确地研究风力发电结构在风荷载下的结构响应，文献［3］利用最小二乘法拟合各分布函数参数，结合最大基本风速规范建议值，确认基本风速下的风力发电结构的安全性。

风力发电场面积较广，作业过程出现异常时，如果不能及时明确异常位置，巡检人员就无法获取精准的故障位置。北斗定位技术是卫星导航系统中的重要技术，北斗定位技术包括用户段、地面段和空间段，在复杂环境下，仍然可以获取精准的定位数据。文献［4］针对鄱阳湖区域风场，研究了风场数据后端动态抓取、解析及存储技术，进行了三维动态可视化研究，建立了粒子从地理坐标至屏幕画布坐标的转换模型，对于掌握湖区及周边风场数据有重要意义。文献［5］以北斗短报文等特色服务为主要信息传输，融合互联网和人工智能技术，展示了北斗物联网技术架构创新驱动发展的新动能。

由于风力发电场的日常巡检周期较长，无法获取序列化的、精准的定位信息，难以提升风力发电场的巡检效率。为此，笔者提出基于北斗定位技术的风力发电场远程三维可视化巡检方法，创新性地在利用北斗定位技术获取风力发电场的精准地形数据的基础上，二次确认风力发电场的坐标信息，构建风力发电场三维可视化模型，以实现风力发电场的远程巡检。

1 风力发电场远程三维可视化巡检方法

1.1 风力发电场地形数据采集

利用北斗定位技术获取风力发电场的高精度地形定位数据，流程如图1所示。

利用北斗定位技术采集风力发电场的地形数据，卫星采集的球面经、纬度坐标数据有流层延迟误差存在，需要对所采集数据处理后，应用于风力发电场的三维可视化巡检中。

1.2 远程三维可视化模型

选用3Dmax软件构建风力发电场三维模型的流程如图2所示。

1.2.1 场景漫游可视化

风力发电场的可视化是风力发电场三维可视化巡检的重要内容。风力发电场三维可视化是利用计算机技术将风力发电场实际运行场景模拟出来，直观、逼真地展示风力发电场的全部运行状况和运行环境，巡检人员通过风力发电场的三维可视化场景漫游完成巡检工作。

风力发电场三维场景模型漫游过程如下：

a. 为场景添加太阳光。Unity 3D软件中包含不同类型的光源，可以模拟风力发电场不同天气环境下的光源，通过调整参数设置风力发电场的平行光、聚光灯和点光源。风力发电场的太阳光用平行光模拟，将UI滑动条设置于场景中，将相应脚本挂载于滑动条中，关联平行光，对风力发电场的太阳光利用滑动条的滑动调整，利用风力发电场场景内的设备阴影实现风力发电场场景的昼夜交替。

b. 创建附属模型。风力发电场三维模型内不仅需要设置风电机组模型，还需要设置周边环境的附属模型，将自然景观与外部场景添加于风力发电场中，结合风机、叶片等设备的偏移量，依据风力发电场的实际场景进行调配与设置。

c. 场景的碰撞检测。在进行风力发电场三维可视化巡检时，需要用第一人视角进行场景漫游，通过场景碰撞检测，避免巡检人员在风力发电场巡检时，与场景的其他模型发生重合，避免影响风力发电场的巡检效果。风力发电场巡检人员与风电设备发生碰撞时，无法体现风力发电场的实际运行状况。设置刚体碰撞器于场景模型中，将胶囊体添加于场景模型中。模型具备刚体特性，满足刚体物理规则，实现场景内不同设备的碰撞检测，使得三维虚拟场景模型更加合理与完善。

d. 添加场景的天空盒。利用Unity 3D软件为风力发电场的三维可视化场景添加天空盒，该软件具有天空盒接口，包含天空盒模块，可将天空盒添加在不同场景中。完成场景的天空盒添加后，进行场景材质贴图与渲染工作，设置三维可视化场景的天空景象，提升巡检过程中场景的三维立体效果。

利用Unity 3D软件管理场景模型，将风电机组模型、天空盒、外部环境等众多场景组合为整体场景，实现全部虚拟风力发电场场景的显示与渲染，完成风力发电场的三维可视化。

1.2.2 巡检场景交互

选取三维可视化软件Cyber Maker中的核心控制模块、输入模块、输出模块和应用模块，完成风力发电场三维可视化巡检过程中的人机交互。

核心控制模块。将核心控制模块作为三维可视化各应用程序的入口，该模块可实现风力发电场三维模型公共资源以及进程线程的管理，控制软件各部分动作以及各模块的启停。

输入模块。利用输入模块管理风力发电场可视化巡检的输入信号以及硬件输入设备，更新输入设备状态。由输入模块分析输入信号是否为已注册命令，将已注册命令分配至相应的命令列表中。

输出模块。利用输出模块管理风力发电场可视化巡检的输出信号和硬件输出通道，输出模块支持不同感官效果的输出，可以读取用户设置的各项输出，利用外设设备输出。输出模块向输入模块发送注册命令，检测各项输入命令，执行输入命令的各项操作。

应用模块。利用应用模块创建与管理风力发电场三维模拟场景巡检需要的各项数据，应用模块读取用户可视化巡检风力发电场三维模型的仿真信号，执行各项模拟操作，实时修改风力发电场三维场景模型的各项数据，执行各模块的巡检命令操作。

2 实例测试

为了验证基于北斗定位技术的风力发电场远程三维可视化巡检方法的实际巡检性能，选取某风力发电场作为研究对象，风力发电场内包含36台风电机组，每台发电机1 h的发电量为600～1 100 kW·h。利用风电机组为配电网提供电能。

该巡检方法利用北斗系统采集风力发电场的地形数据，利用所采集地形数据构建风力发电场的三维可视化模型。北斗系统的参数设置为：接收机坐标的初始标准差50 m，接收机速度的初始标准差3 m/s，接收机加速度的初始标准差3 m/s2，接收机钟误差（User Clock Error）的初始标准差500 m，模糊度的标准差500 m。

采集的风力发电场的地形数据如图3所示，可以看出，采集数据与实际地形数据相差较小，说明北斗定位技术具有良好的定位效果，可以获取精准的风力发电场的地形信息，便于风力发电场三维可视化巡检时巡检人员发现风电机组故障，利用精准的定位结果，快速确定故障具体位置，提升风力发电场的运维水平。

用图3地形数据构建的风力发电场的风电机组模型结果如图4所示。

依据风电机组的实际运行状态，采集风电机组的运行参数，构建与风力发电场内的风电机组具有相同运行状态的风电机组。所构建风电机组的三维模型纹理清晰，可以直观展示风电机组的细节信息。

采用所提方法构建的风力发电场最终的三维可视化模型如图5所示，可以看出，采用笔者方法可以利用所构建的风电机组三维模型组合为风力发电场三维可视化场景模型，不仅可以真实展现风力发电场内风电机组的运行状态，还可以模拟风力发电场的自然景观等附属场景。

应用该方法，进行实例测试与结果分析，风力发电场2021年3月11日的巡检结果见表1。

可以看出，采用该方法可以实现风力发电场的三维可视化巡检，获取风力发电场的风向、风速等信息，即通过风力发电场的三维可视化巡检，利用北斗定位技术的定位功能，精准定位故障點，提升风力发电场内风电机组的运行可靠性。

3 结束语

利用北斗定位技术构建风力发电场的数字地图，构建风力发电场的三维可视化模型，实现了风力发电场的远程巡检，在提升配电网的安全巡检水平和巡检效率同时减少了风力发电场巡检人员数量，加快了风力发电场突发事件和故障的处置速度，使风力发电场的巡检工作满足可管可控的要求，应用前景广阔。

参 考 文 献

［1］ 许世健，赵丹，苏铖宇，等.面向流场可视化的沉浸式虚拟现实交互系统研究［J］.系统仿真学报，2022，34（5）：1160-1172.

［2］ 苏柯文，张永明，胡维飞.基于参数测量的风力发电场等值建模方法研究［J］.电测与仪表，2020，57（18）：29-35.

［3］ 李万润，张广隶，李林，等.基于长期实测数据的西北地区风力发电场风速风向联合概率分布分析［J］.兰州理工大学学报，2022，48（3）：115-124.

［4］ 袁武彬，廖明伟，廖明，等.鄱阳湖区域风场矢量的Web三维动态可视化［J］.地理与地理信息科学，2020，36（1）：22-26.

［5］ 谢军，庄建楼，康成斌.基于北斗系统的物联网技术与应用［J］.南京航空航天大学学报，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