数字孪生 3D 风电场，智慧风电之海上风电

Posted 2022-06-30 图扑软件

前言

 

截止 2021 年，全球已有 127 个国家做出了“碳中和”的承诺，能源低碳转型和实现碳中和已经成为全球共同的战略目标。根据权威机构预测，到 2050 年，可再生能源发电将占到全球总发电量的 75% 以上。作为清洁能源的典型代表，风电将满足 35% 的电力需求，并为气候目标贡献 27% 的碳减排量。

向海图强，奋楫争先。相比于陆上，海上风电更为复杂，堪比登月工程。智能化是海上风电发展的突破口之一。当气象、功率、设备的运行状态、以及用户侧的使用情况得以很好地预测时，能源的利用率和用电的经济性将会产生质的飞跃。

效果展示

基于图扑软件自主研发引擎 HT for Web，无缝融合 2D、3D 技术，实现可交互式的 Web 三维海上风电场景。

全景漫游

场景可根据自由视角、固定路线对风电场进行漫游巡检。

系统还设置了 3 种不同的天气模式，搭配白天与黑夜场景，即可切换查看不同时段的场景变化。并在路径中展示风机设备信息及集控中心信息，为用户呈现风电场整体风貌。

海面效果

场景通过算法将自定义材质绘制成独具拟态化的水面效果和动态化的天空球效果。根据水面纹理和水面波动信息，模拟水面效果。实现水面纹理和波动信息切换；水面纹理方向、纹理和流动方向调节；水面颜色调节；光照反射强度调节；光照角度、颜色的调节；水面波浪大小调节。提高了场景显示的视觉逼真度，增强了三维立体感和层次感。

系统分析

生产监测     

图扑软件 HT 将整体三维风电场的风机模型、布局、 工作、状态根据实际场景进行 1：1 还原。用户可自行选择环游视角，通过对场景进行放大、缩小平移等操作查看场景效果和细节。并将环境参数、实时发电指标、节能减排信息等数据接入图扑软件 HT 2D 面板，便于运维人员对整个基地运行的有效掌控。

环境参数可视化

海上环境相对更加恶劣，特别是在台风等极端天气状况下，环境参量的在线监测显得尤为重要。图扑软件 HT 引擎通过对接传感器监测结果数据和高速传输介质，将海上风电运营区的海洋环境统一展示，包括波浪要素、风速，能见度、降水量、海浪、潮汐、温度、湿度等项目的监测。实现全天候、多环境下的预警防范能力。 

发电统计可视化

海上风电，是将海上风能转换为电能的一种发电方式，是清洁能源、绿色能源的“靓丽名片”。通过智能化的管理手段有利于海上风电发电量的提升。

融合大数据、移动互联、人工智能等现代信息技术、先进通讯技术，实现风电场能效融通。2D 面板显示风机日发电量、月发电量、以及累计发电量总和，并通过柱状图展示不同位置的风机发电量与发电差异。协助工作人员分析损失电量原因，评估低效风机。并可根据维修经验形成风电机组故障诊断系统，基于数据挖掘技术，实现风电机组智能诊断及处理指导。

节能减排可视化

节能减排模块是在其他系统的基础上高度整合，实现节能信息共享和智能管理，在线显示节约标准煤和 NOX 数量以及减排的 CO2 和 SO2 总和，有效提升海上风电运用和管理的效率和效能。为支撑能源清洁低碳转型、助力“双碳”目标实现贡献积极力量。 

实时指标与机组状态可视化

图扑软件 HT 基于风电场的数字化建模，多维度实时监测风机运行状态，负荷参数，实现预防性维护。通过 2D、3D 无缝融合的面板展示风机工作信息实时指标与机组状态数量，包括负荷、风机预警处理率、未处理风机等。以及并网、停机、待机、维护、离线、故障风机数量。依托数据中心建设远程故障预警诊断能力，实现智慧运维服务，提升效益。

安全管理  

安全管理重点围绕风机、海缆、电子围栏三个方面展开运行监管。结合新能源设备的全方位接入，实现全面的数据分析和设备预警功能。加强风险识别和防控能力，保障业务人员安全，科学推动海上风力发电项目进程。 

风机预警统计可视化

通过对风场的主设备“风机”进行 1 对 1 监管，对接不同设备零部件的多种类型故障告警信息接口，满足各种状况下的预警分析需求。

此外，Hightopo 在系统上设置预警反馈和预警消缺的信息模块，包括风机转速异常、机舱控制温度高、液压泵无反馈等问题。通过预警分析能提前发现风机变化趋势，调整运行参数，尽快安排检修处理；通过提前消除缺陷，避免小问题扩大造成故障，为预防性检修工作的开展提供有效的方法和数据分析的支撑，从而实现真正意义上的预防性检修，推动了运行模块实现专业化分工。

对于场景内的非并网状态风机辅以既定的颜色标记，并结合当前风机转速驱动并网状态下的风机转动动画。可快速识别出设备异常，及时发现故障设备，快速定位故障点，并可通过点击故障风机及时查看风机故障信息，以便进行针对性的故障诊断和处理，及时消除隐患。                     

海缆预警统计可视化

海底电缆（集电线路）是海上风电场电能传输的关键部件，然而由于传输功率的变化、海底环境复杂、海洋昼夜温度变化、季节性的温差，以及捕鱼、航运和海底活动，海底电缆易于发生超温、锚害等事故，导致极大的损失。

图扑软件通过对接光纤分布式传感新技术，将海缆分布走向进行绘制渲染。3D 场景内生动形象得展示出海缆的分布运作状态，鼠标左键双击海缆，即可弹出相应的温度、载流量、应变力等海缆相关信息，结合图扑软件 HT 可视化数据，展示参数平均值与最大值信息，方便管理人员推断数据背景下的真实状态，从而进行有效监管。

可根据实际情况自由设置告警类型，例如温度异常，环境侵害等，并实时刷新显示异常状况。并通过对应风机对海缆异常进行报警和定位，判断电缆是否受损或周围环境是否发生变化，保障海缆安全运行。 

电子围栏异常统计可视化

风电水域电子围栏及配备的预警系统是为风电水域的安全监控、预警和维护提供可视化的解决方法。通过对接船事系统可获取到施工船只、渔船、非法入侵船只等相关信息，结合入侵时间、离开时间，可实时定位船舶位置（经度及纬度）和绘制历史轨迹，提高监控管理效率。

利用图扑软件可视化丰富的设计元素将电子围栏庞杂的数据进行直观的展示，当船舶靠近或入侵电子围栏时，及时出现特定的告警信息，提醒监查管理人员迅速进行下一步决策，从而起到保护电子围栏内的相关设备设施的作用。

视频监控预警可视化

传统的视频监控都是集成在自身的视频监控系统之中，通过文字命名的方式来区别摄像头，这种方式容易导致一系列问题：视频分散、孤立、视角不完整、对硬件的位置不明确等。通过 HT 打造的三维可视化系统支持根据现场摄像头实际点位，接入所对应的摄像头视频画面，实现场景还原。

通过三维场景对升压站上的摄像头位置分布一目了然。支持场景交互来调取相应监控视频，满足运维人员对场景进行实时态势感知、历史数据回溯比对、应急处理预案等监测需求。

施工管理  

海上风电场在施工阶段存在大量的高空作业，安全隐患点多，危险性大，尤其对于桩的起吊、运输及人员高空作业等，稍有不慎即可能发生重大安全责任事故，造成重大不良影响。系统的具体功能覆盖了海上风电场建设、运维的全生命周期，涵盖施工安全管控、施工质量、风机、施工进度一体化监控等板块。旨在安全、降本、增效等维度发挥更大的作用。

施工进度与计划可视化

采用图扑软件三维可视化技术交底施工进度。基于 HT 图形引擎，并针对真实场景，通过卫星图、CAD 图纸将真实的风机、海缆等施工场景与数字化平台深度融合。通过对接施工进度数据接口，实现场景内风机搭建全过程实时状态展示，并可根据时间轴还原整体搭建过程。形成总体施工进度可视化、风机与海缆进度可视化。

并辅以施工计划，包含时间、施工对象、船舶数与人数。便于分析施工过程中的各项指标，业务人员无须到现场即可通过平台进行各方协调统筹。

施工质量与安全可视化

将 HT 可视化与施工管理系统相结合，接入海上风电施工管理数据至可视化平台。2D 面板实时更新施工质量与施工安全关键信息，包含发现问题数、整改状态、未整改问题以及相关负责人等。让风电场的监管更为直观，控制更加精准。

施工详情可视化

为充分完成吊装及沉桩施工，不仅要做好前期策划，更要重视施工技术方案把控及复核。图扑软件 HT 引擎通过实时反映风机和升压站的施工指标进行监视跟踪，实现多次对吊装运输方案优化改进；校核风机基础打桩、塔筒吊装、叶片吊装吊、待投入运行以及升压站底部施工、待投入运行、上层建筑吊装等各项技术支撑数据，为后续基础施工积累了经验，为推进深水区海上风电领域蓬勃发展贡献了能建力量。

升压站信息可视化    

海上风电场升压站由两部分组成，分别是海上升压站和陆上开关站。陆上开关站与陆地变电站布置无异。海上升压站采用无人值班方式运行，其管理和控制由陆上的集控中心通过远程方式实行实时监控。

图扑软件 HT 3D 可视化升压站版块高精度建模还原场景内设备，点击相应图标即可快速切换定位至升压站内部结构，助力实现升压站无人值守方式运行。 

支持对海上升压站、陆上开关站的各个接地变兼站、接地变进线以及海缆的电压、电流等的指标进行监视测定，以在设备发生故障之前通过运行异常进行分析，保障设备安全稳定运行。

智能巡检

升压站日常维护需要巡检人员对设备进行检查，不仅效率低下，而且十分危险。图扑软件基于 GIS 室内的空间定位校准，融合远程巡检机器人的室内定位坐标，实现 1：1 场景还原的智能巡检系统，更加形象化地展示出机器人当前的巡检状态。

实现巡视机器人当前状态数据展示，巡检摄像头实时监控信息实时回传，并通过 HT 引擎显示在可视化平台，运维人员和值班人员即可通过手机或者移动终端调看各个主变室应用工况。当高压设备发生接地时，避免人身触电伤害，提高检测精度与效率，减少巡检盲区。

科普小贴士

相比现有的敞开式直流开关、直流 GIS 设备，应用于海上平台的小型化 GIS 设备尺寸小，GIS 室占地面积小，可减少开关设备占用空间 70% 以上，能使海上换流平台体积减小约 10%。

总结

“双碳”目标下，未来五到十年是我国能源转型和发展的关键期。风电作为主力军之一，任务重大。图扑软件通过将工业数据与大数据相结合，创新运维模式和管理方式，有助于风机预防性维护和风场辅助决策，提高风电运维效率、降低风电运维成本、提升发电量。未来，图扑软件将继续发挥工业互联网平台资源优势，践行绿色承诺，拓宽发展路径，为实现国家“双碳”目标贡献力量。

更多行业应用实例可以参考图扑软件官网案例链接：图扑软件 - 构建先进 2D 和 3D 可视化所需要的一切