数字孪生 3D 风电场，智慧风电之陆上风电

前言

“十四五”期间，在传统产业数字化升级和绿色改造领域、绿色低碳城镇化和现代城市建设领域、绿色低碳消费领域，和可再生能源或电力系统建设等领域，总投资可以达到近 45 万亿，平均每年大约是 8.9 万亿，占到 2021 年全社会总投资的 16% 左右，这将是一个可观的投资增长动能。

“双碳”目标提出后，为了提升能源利用效率、降低碳排放，很多行业都开展了电能替代。2022 年一季度，我国可再生能源新增装机 2541 万千瓦，占全国新增发电装机的 80%。其中，水电新增 343 万千瓦、风电新增 790 万千瓦、光伏发电新增 1321 万千瓦、生物质发电新增 87 万千瓦。截至 2022 年 3 月底，我国可再生能源发电装机达 10.88 亿千瓦。

效果展示

随着新能源装机占比不断提高，适配新能源风力发电三维可视化的需求也逐渐增加。为了使风力发电得到集中化管控，提升用户企业数字化、智能化水平，实现数据可视化管理，打造一套适配新能源的三维可视化集中管理模块就成了新的主流趋势。

运用 Hightopo 自主研发的前端可视化引擎 HT for Web 实现可交互式的 Web 风力发电数字孪生三维场景。可根据时间和天气接口实现白天、黑夜、晴、阴、雨的切换，呈现出与现实世界一致的时空状态。

图扑软件的数字孪生 3D 可视化系统能实现风力发电机组、升压站、配电室的漫游巡检和远程监测。场景内设置了漫游动画、暂停动画、停止动画、初始视角四个按钮，针对不同的场景可进行第一人称视角漫游或者无人机视角漫游。

系统分析

鸟瞰漫游

第一人称视角漫游可带来“我在世界中心，万物以我为原点 ”的奇特感受，模拟在风电场内的巡视过程，带来沉浸式体验。对于可能存在危险的场地，可通过图扑软件提供的漫游功能进行风电场户外、室内巡检漫游。同时通过无人机视角漫游从升压站到空中漫游查看，直观展示出风电场的宏大，带来与众不同的震撼观感。

生产监测

风力发电机因风量不稳定，且对电力系统运行的支撑能力不如其他发电领域，所以对风电基地设施的监测数据更需要具备时效性。将风电场的关键生产数据集中于界面的左右两侧，为管理人员提供直观的数据展示，及时掌控。

图扑软件三维可视化技术采用 B/S 架构，页面自适应多种分辨率，用户可通过 PC 、 PAD 或是智能手机，只要打开浏览器可随时随地访问三维可视化系统，实现远程监查和管控。

利用图扑软件的可视化场景将智能设备的实时运行参数接入两侧的 2D 面板，将项目概况、实时指标、机组状态、环境参数、发电统计、节能减排等复杂、抽象的数据以丰富的图表、图形和设计元素展现，实现集中管控。通过对历史数据的融合分析，管理者可实现资源的优化配置，构建智慧风电管理系统。

项目概况

本项目采用 H140-2.5MW 双馈风力发电机机组，数量 40 台，总装机容量 100MW，从 2D 数据面板中还可直观查看累计投运时间信息。

实时指标

通过图扑软件 HT 2D 面板可以实时观测整个风电场总的风电负荷，从“风机预警处理率”以及“未处理风机数”可及时进行事件决策与处理。

环境参数

风速及风向的变化对大型风力发电机的发电量有较大的影响，可将环境监测系统接入图扑软件的可视化场景，完成对能见度、降水量、风速、温度的实时监测，在恶劣天气来临前做好应对措施。

发电统计

发电量是生产监测模块管理人员最关注的数据，面板中展示了当日发电量、当月发电量以及累计发电量；用柱状图的形式展现了所有风力发电机日发电量排行情况。

节能减排

通过图扑软件的可视化系统远程监测风电基地氮氧化合物的排放数据并作统计，可遵循规律达到节能减排的最优解。

科普小贴士：

联合国欧洲经济委员会关于《全生命周期发电选择》的报告指出，在一座电站的全生命周期内，没有使用碳捕捉技术的风能发电，每千瓦时碳排放为 10 克二氧化碳。

机组状态数量

运用图扑软件的多样化图表形式，显示正常发电、带病发电、待机、自身限功率、计划停机、通讯中断的风力发电机数量，方便实时获取全场风机的运行状态。

升压站监测

通过现场取景照片、卫星图、CAD 图等资料，Hightopo 可快速将现实的风电基地在线上进行还原，通过数据接入实现数字孪生。以流光效果模拟出不同风机集电线路电流向升压站汇聚的过程，更直观地展示风力发电流程，带来更好的沉浸体验、观看体验、交互体验。

风电场升压站是指将风电机组的输出电压升高到更高等级电压并送出的设施。由于风机大多为异步发电机，风电场在发出有功功率的同时会吸收无功功率，且风电机组大多不能进行持续有效的有功、无功调节，如不采取相应的控制措施，可能对电网的无功、电压稳定性造成影响，或者增加电网的网络损耗。

为解决大规模风电场并网运行时带来的送出系统电压稳定问题，风电场汇集升压站内无功补偿方式一般采用静止无功发生器（SVG）和并联电容器组联合运行的方式。

点击升压站三维模型可跳转至升压站视角，展示站内主要观测数据，如环境信息、负荷统计、风功率预测、消防检查信息、巡检车信息等。

环境信息

图扑软件数字孪生三维可视化系统中的升压站环境信息监测主要整合了整个风电基地的天气、平均温度、主要风向、平均风速数据，方便实施把控风场大环境信息。

风功率预测

用 Hightopo 双曲线图的形式展现风电基地整体实时功率与预测功率，方便管理人员随时进行决策分析，有效进行节能减排。

消防检查信息

升压站长期处于高压状态，消防信息便是需要关注的重点，界面面板中展示了消防设施运行情况、消防检查历史记录以及最近预警时间。

巡检车信息

消防与巡检相辅相成，园区无人值守机器人巡检功能是电力行业的刚需，升压站内设置 AGV 巡检车辆，通过 HT for Web 渲染出的可视化界面可以实时查看车辆位置、行驶速度、电量、电池状态、运行状态等信息。

故障列表

巡检车辆在检测到设备故障时，将信息上报登记至后台，将主要故障信息展示于图扑软件监管平台的前端故障列表中，并按照故障时间置顶排序，方便维修人员及时查看与处理。

配电室

点击 Hightopo 智慧风电监管平台的 3D 升压站内配电室建筑模型，可跳转至配电室内部，主场景采用写实风格还原配电室的内部布局，点击相应配电柜可显示不同主变高压侧测控的数据。

科普小贴士：

配电室是指带有低压负荷的室内配电场所，主要为低压用户配送电能，设有中压进线（可有少量出线）、配电变压器和低压配电装置。10kV 及以下电压等级设备的设施，分为高压配电室和低压配电室。

施工管理监测

通过图扑软件可视化系统对风力发电机组施工进度、施工质量、施工安全、施工计划、施工详情的远程监控，可免去管理人员频繁到现场巡查的烦恼。

科普小贴士：

陆上风力发电机的主要部件一般由风轮、主轴、变桨系统、偏航装置、齿轮箱、发电机、变频器、塔筒、塔基等组成。对单个风力发电机的运行我们也有完整的监测系统，会在后续文章详细介绍。

利用图扑软件 HT 丰富的图表形式将施工详情统计。总体进度、分步进度直观展现，让运维人员及时了解项目施工进度；施工质量主要将关键的问题数、已整改数、未整改数、整改状态、负责人信息进行展示；施工计划主要包括不同节点施工时间、施工对象、施工人数的清单数据；施工详情中统计了施工人员总数、施工吊机统计以及塔基施工、塔筒吊装等统计数据，实现数字化管理。

实现价值

新能源长期稳定提供电力保障的能力较差，且受气象数据滚动更新影响，新能源功率预测仍然与实际结果存在偏差。新能源大规模接入使既有常规电源和抽蓄调节能力消耗殆尽，“源随荷动”的平衡模式难以为继，系统平衡调节能力亟待提升，需加快构建“源网荷储”互动的新型电力系统。

“源网荷储一体化及多能互补平台”以数据中台为体系，采用微服务架构，利用物联网、大数据、智能 AI 等技术，实现电源侧、负荷侧、储能侧的各类可控资源的数据接入、数据处理，实现数据资源透明感知、特性建模、性能评估和建模应用，为电力系统提供资源信息管理、评估类服务、生产类服务、资源可调控能力及交易能力评估和可调负荷应用服务夯实数据基础，并提供准确的评估手段。