基于變電站數(shù)字化移交成果的全景信息監(jiān)視平臺(tái)

李穎，李峰，李賓皚，劉莉

（1.國(guó)網(wǎng)上海市電力公司，上海　100120；2.上海秉科建筑設(shè)計(jì)咨詢有限公司，上海　200241）

基于變電站數(shù)字化移交成果的全景信息監(jiān)視平臺(tái)

李穎1，李峰1，李賓皚1，劉莉2

（1.國(guó)網(wǎng)上海市電力公司，上海100120；2.上海秉科建筑設(shè)計(jì)咨詢有限公司，上海200241）

為解決目前變電站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性和共享性問(wèn)題，研究設(shè)計(jì)并研發(fā)了基于IFC的數(shù)字化變電站全景監(jiān)視平臺(tái)。從設(shè)計(jì)目標(biāo)、信息模型建立、IFC類別擴(kuò)展和數(shù)據(jù)庫(kù)架構(gòu)等方面對(duì)全景監(jiān)視平臺(tái)進(jìn)行了全面的闡述，驗(yàn)證了其技術(shù)可行性，為數(shù)字化變電站的智能化統(tǒng)一化管理提供了新的解決方案。

IFC；全景監(jiān)視；變電站；數(shù)字化模型

自從20世紀(jì)70年代從國(guó)外引進(jìn)了智能電網(wǎng)的概念后，大批采用IEC61850標(biāo)準(zhǔn)體系的數(shù)字化變電站投入運(yùn)行，國(guó)內(nèi)數(shù)字化變電站的建設(shè)得到了國(guó)家政策的大力支持和推進(jìn)，正在向縱深方向發(fā)展。目前，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)建設(shè)投運(yùn)的數(shù)字化變電站有上百座，國(guó)家電網(wǎng)公司已經(jīng)批復(fù)的第一批和第二批智能化變電站項(xiàng)目數(shù)十座，南方電網(wǎng)已批復(fù)在建的智能化變電站數(shù)十座［1］。盡管如此，智能化變電站的建設(shè)仍然面臨諸多問(wèn)題：

1）目前在建或者已經(jīng)運(yùn)行的智能化變電站雖然均符合DL/T 860標(biāo)準(zhǔn)，但由于各地采用的技術(shù)方法和智能化程度不盡相同，且已建成站和在建站之間的智能化程度也有所差異，因此各個(gè)站點(diǎn)的運(yùn)營(yíng)維護(hù)和管理手段無(wú)法達(dá)成統(tǒng)一和規(guī)范。

2）站內(nèi)設(shè)備的監(jiān)控系統(tǒng)相互獨(dú)立，數(shù)據(jù)之間也無(wú)法直接轉(zhuǎn)換，造成海量數(shù)據(jù)的分析難度大增。

3）智能化變電站只能在建設(shè)階段進(jìn)行一次性設(shè)計(jì)，后期改進(jìn)空間小，系統(tǒng)擴(kuò)展能力低［1-3］。

近年來(lái)隨著建設(shè)過(guò)程本身智能化程度的加強(qiáng)和BIM（building information modeling）概念的引入，數(shù)字化信息模型的概念也逐漸應(yīng)用在了后期的設(shè)備運(yùn)營(yíng)管理過(guò)程中。文獻(xiàn)［2］針對(duì)物業(yè)管理開發(fā)出了數(shù)字化物業(yè)管理框架，提出了用于物業(yè)管理的數(shù)字化模型。物業(yè)管理數(shù)字化模型框架的提出，使得基于數(shù)字化模型的智能變電站管理平臺(tái)成為可能，也為監(jiān)控海量數(shù)據(jù)統(tǒng)一化和標(biāo)準(zhǔn)化以及增強(qiáng)系統(tǒng)的后期擴(kuò)展性提供了新的解決方案。

1　IFC變電站信息模型的建立

1.1IFC標(biāo)準(zhǔn)

BIM建筑信息模型的出現(xiàn)，為設(shè)計(jì)信息、施工信息、造價(jià)信息和管理信息的整合和集成提供了可能性，但目前市場(chǎng)上BIM信息模型的格式眾多，包含的信息內(nèi)容和數(shù)據(jù)表達(dá)方式都有很大差異，這并不利于模型間信息的交互。基于此，IAI（international alliance for interoperability）組織制定并發(fā)布了IFC標(biāo)準(zhǔn)，即Industry Foundation Classes標(biāo)準(zhǔn)［3］。這是一種開放的用于描述建筑產(chǎn)品各方面信息的數(shù)據(jù)表達(dá)與交換的標(biāo)準(zhǔn)，是建筑工程軟件格式交互和信息共享的基礎(chǔ)，從根本上解決了建筑信息模型格式的多樣性和數(shù)據(jù)格式不互通的問(wèn)題。因此，選擇IFC標(biāo)準(zhǔn)為智能化變電站管理的模型信息標(biāo)準(zhǔn)，更有利于減少上游設(shè)計(jì)單位用于模型建立的軟件限制，同時(shí)為智能變電站監(jiān)控管理系統(tǒng)的更新?lián)Q代提供了充足的可擴(kuò)展空間［4-8］。

1.2初始信息模型的建立

經(jīng)過(guò)對(duì)大量的BIM建模軟件的調(diào)研，本次試點(diǎn)項(xiàng)目決定采用Autodesk Revit產(chǎn)品。Revit本身支持IFC 2×3標(biāo)準(zhǔn)的導(dǎo)出，同時(shí)Revit中的“族庫(kù)類別”和IFC的“實(shí)體類型”存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，如圖1所示。在初始信息模型的建立過(guò)程中，遇到了很多限制，如Revit無(wú)法自定義族庫(kù)類別，而其內(nèi)部的輸變電相關(guān)的類別又很有限，只有紅圈內(nèi)部的幾個(gè)類別，不能對(duì)變電站內(nèi)數(shù)10種一次電氣、二次電氣設(shè)備進(jìn)行準(zhǔn)確的描述，同時(shí)也不能導(dǎo)入到IFC相應(yīng)的實(shí)體類型中。

圖1　類別對(duì)應(yīng)關(guān)系圖Fig.1　The diagram of corresponding categories

為解決這個(gè)問(wèn)題，編制了輸變電統(tǒng)一的編碼體系，以變壓器為例，其編碼體系的結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，類別代碼一項(xiàng)采用2位字母進(jìn)行定義，既可以滿足Revit本身類別定義的不足，又可以作為IFC的識(shí)別標(biāo)志，并且可以預(yù)留今后擴(kuò)展的需要。主要電氣設(shè)備的類別代碼示例如圖3所示。

圖2　變壓器編碼體系結(jié)構(gòu)Fig.2　Transformer encoding architecture

圖3　電氣設(shè)備類別代碼示例Fig.3　Example of the electrical equipment category code

1.3基于變電站的IFC擴(kuò)展模型

變電站的IFC數(shù)字化模型是全景監(jiān)視系統(tǒng)的基礎(chǔ)，因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和研發(fā)之前，首先要對(duì)數(shù)字化模型進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化工作。IFC模型體系由類型定義、函數(shù)、規(guī)則和預(yù)定義屬性集組成［4］。其中類型定義中的“實(shí)體類型”，是用于描述變電站中主要設(shè)備設(shè)施類別的信息表達(dá)方式。IFC標(biāo)準(zhǔn)中已經(jīng)對(duì)建筑產(chǎn)品的大部分類別進(jìn)行了定義，但由于輸變電工程本身的行業(yè)特殊性，使得變電站中的主要設(shè)備設(shè)施，如交直流電源、GIS設(shè)備等，在IFC中均無(wú)法找到相對(duì)應(yīng)的類別定義［9-10］?；诖?，在全景監(jiān)視系統(tǒng)開發(fā)前，首先對(duì)變電站中的主要設(shè)備進(jìn)行IFC實(shí)體類型的擴(kuò)展，圖4是基于IFC 2×3標(biāo)準(zhǔn)的部分電氣設(shè)備類型的擴(kuò)展結(jié)果。

經(jīng)過(guò)擴(kuò)展以后的IFC標(biāo)準(zhǔn)，涵蓋了輸變電工程的38類設(shè)備，基本上可以滿足數(shù)字化變電站的模型標(biāo)準(zhǔn)化要求。

2　變電站全景監(jiān)視系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

所謂變電站全景監(jiān)視系統(tǒng)，主要包含3方面的內(nèi)容：變電站的三維全景信息模型、統(tǒng)一的可擴(kuò)展性的全景數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和完整的同一斷面的全站實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

圖4　IFC電氣設(shè)備類型擴(kuò)展示例Fig.4　Example of electrical equipment type extension

變電站的全景監(jiān)視系統(tǒng)，不僅要求其具有三維的直觀化效果，還強(qiáng)調(diào)其與變電站實(shí)景的一一對(duì)應(yīng)，尤其是地理信息、物理位置、關(guān)鍵細(xì)節(jié)體現(xiàn)以及與工程數(shù)據(jù)信息的整合。其中工程數(shù)據(jù)信息包含所有設(shè)計(jì)信息、真實(shí)設(shè)備信息、各種專業(yè)屬性信息以及運(yùn)營(yíng)維護(hù)和管理信息等；更值得一提的是，這些信息無(wú)需后期人工錄入，是在整個(gè)變電站建設(shè)過(guò)程中由不同的項(xiàng)目參建方分項(xiàng)錄入和更新的。其不但節(jié)省了后期錄入的人力和時(shí)間成本，而且最大限度地保障了數(shù)據(jù)的時(shí)效性、完整性和準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)了與現(xiàn)場(chǎng)最大程度的一致，是目前現(xiàn)有的變電站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所不能達(dá)到的。

2.1設(shè)計(jì)目標(biāo)

本次全景監(jiān)視系統(tǒng)需要達(dá)到的目標(biāo)有：

1）實(shí)現(xiàn)IFC變電站擴(kuò)展模型的實(shí)體類型、系統(tǒng)信息和屬性信息的識(shí)別，根據(jù)不同的信息內(nèi)容進(jìn)行模型分類和檢索，并實(shí)現(xiàn)每個(gè)專業(yè)系統(tǒng)的分項(xiàng)查找和顯示。

2）實(shí)現(xiàn)變電站內(nèi)部監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的集成，包括電氣一次遙信系統(tǒng)、遙測(cè)系統(tǒng)和輔助控制系統(tǒng)，并為其他系統(tǒng)預(yù)留擴(kuò)展接口。

3）實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與模型的聯(lián)動(dòng)，包括信息模型所包含的靜態(tài)信息和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)得到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的綜合查詢、以及報(bào)警的三維定位和信息查看。

2.2關(guān)鍵技術(shù)

在項(xiàng)目研究過(guò)程中，有4大關(guān)鍵技術(shù)，分別為：IFC數(shù)字化模型的解析、IFC三維引擎的設(shè)計(jì)、變電站數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)及不同協(xié)議和規(guī)約的解析。

1）IFC數(shù)字化模型的解析。不同于標(biāo)準(zhǔn)的IFC模型，本次變電站全景監(jiān)視系統(tǒng)所使用的IFC模型，是經(jīng)過(guò)擴(kuò)展和自定義類別的。因此，如何在商業(yè)化的建模軟件中進(jìn)行擴(kuò)展類別的定義并轉(zhuǎn)換到IFC文件中，然后從IFC文件中進(jìn)行提取和重新定義使之符合IFC體系標(biāo)準(zhǔn)的框架，同時(shí)保障模型的正常顯示和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確處理，是本次項(xiàng)目研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一。

2）IFC三維引擎設(shè)計(jì)。目前市場(chǎng)上現(xiàn)有的IFC三維引擎，多數(shù)基于C/S架構(gòu)的IFC模型信息讀取和展示工具，而不能支持基于網(wǎng)絡(luò)的模型訪問(wèn)和數(shù)據(jù)訪問(wèn)。因此，本次項(xiàng)目研發(fā)的IFC三維引擎，不僅需要基于B/S架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，還需滿足輸變電行業(yè)的屬性標(biāo)準(zhǔn)和監(jiān)測(cè)顯示要求。

3）變電站數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)。根據(jù)本項(xiàng)目的需要，數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)和管理的數(shù)據(jù)主要包括以下幾種：①IFC數(shù)字化模型數(shù)據(jù)。用于描述變電站幾何模型、位置信息和屬性信息的數(shù)據(jù)集。②動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。包含變電站內(nèi)各個(gè)子系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)值。③變電站運(yùn)營(yíng)維護(hù)管理相關(guān)文件信息，如圖紙、設(shè)備維修手冊(cè)等的數(shù)據(jù)集。本次試點(diǎn)項(xiàng)目建立的數(shù)據(jù)庫(kù)包含多種類型數(shù)據(jù)之間的相互關(guān)聯(lián)和快速檢索，需要根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的更新進(jìn)行秒級(jí)的更新工作。因此，數(shù)據(jù)庫(kù)本身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是重要的環(huán)節(jié)之一。

4）不同協(xié)議和規(guī)約的解析。由于本次試點(diǎn)工程的變電站內(nèi)部包含2大監(jiān)控系統(tǒng)，分別采用104規(guī)約和IEC61850規(guī)約進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并且2大系統(tǒng)分處不同的安全分區(qū)，給數(shù)據(jù)接口的開發(fā)和數(shù)據(jù)傳輸造成了很大困難。因此，規(guī)約解析也成為本次項(xiàng)目的難點(diǎn)之一。

3　變電站全景監(jiān)視系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)

3.1系統(tǒng)原理

本次變電站的全景信息監(jiān)視系統(tǒng)是基于現(xiàn)有站內(nèi)一體化監(jiān)控系統(tǒng)上的三維全景信息系統(tǒng)，主要由3部分構(gòu)成：基于IFC三維信息模型的用戶管理界面、解析并轉(zhuǎn)換監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口和存儲(chǔ)、分析實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)。

本系統(tǒng)的原理如圖5所示。由圖5可知，即墨站的全部設(shè)備和系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，包括一次設(shè)備的遙信、遙測(cè)以及輔控系統(tǒng)的所有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均經(jīng)由數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)庫(kù)可讀取格式，傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器上，并經(jīng)由數(shù)據(jù)庫(kù)整理、分析后解析成為IFC標(biāo)準(zhǔn)框架，并且與三維IFC模型屬性進(jìn)行一一對(duì)應(yīng)。同時(shí)，根據(jù)管理人員的操作需要，將所需數(shù)據(jù)在主機(jī)屏幕上進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)更新和顯示，并實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障信息的同步報(bào)警和IFC三維模型的自動(dòng)定位。

圖5　全景監(jiān)視系統(tǒng)原理圖Fig.5　Panorama monitoring system

另外，數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)將進(jìn)行周期性存儲(chǔ)，供設(shè)備維護(hù)和管理人員進(jìn)行查詢和分析，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的定期備份，保障數(shù)據(jù)的安全性和系統(tǒng)可靠性［11］。

3.2數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于數(shù)據(jù)穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性的考慮，數(shù)據(jù)庫(kù)的選擇采用My SQL數(shù)據(jù)庫(kù)。根據(jù)前期對(duì)于IFC格式的研究、模型轉(zhuǎn)換策略的制定以及監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)的確定，綜合考慮數(shù)據(jù)顯示、模型顯示和數(shù)據(jù)傳輸存儲(chǔ)等因素，數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)主要分為動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)和靜態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)2大類，其數(shù)據(jù)分別來(lái)源于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和IFC模型。數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換過(guò)程和數(shù)據(jù)庫(kù)架構(gòu)如圖6所示。

圖6　全景監(jiān)視系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)架構(gòu)Fig.6　Database architecture of the panoramic monitoring system

由圖6可知，原始的Revit文件和符合IFC4的分類信息及其他管理類附加屬性信息通過(guò)格式轉(zhuǎn)換分別轉(zhuǎn)為IFC4文件和FBX文件，其中IFC4文件記錄了項(xiàng)目設(shè)備分類信息、形體信息和專業(yè)屬性信息，而FBX文件作為展示平臺(tái)渲染和貼材質(zhì)的需要，存儲(chǔ)了附加的材質(zhì)信息和場(chǎng)景信息等。這些信息在項(xiàng)目竣工以后作為靜態(tài)信息存入數(shù)據(jù)庫(kù)，盡管管理類屬性信息也會(huì)更新和變動(dòng)，但因?yàn)樽儎?dòng)頻率較低，且為人工寫入，可以歸為靜態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容［12-13］。

來(lái)源于綜合應(yīng)用服務(wù)器的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息經(jīng)過(guò)規(guī)約轉(zhuǎn)換接口后，將作為動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)保持與監(jiān)控系統(tǒng)頻率相同的更新速率并動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)和自動(dòng)備份。

3.3功能模塊設(shè)計(jì)

基于IFC的變電站全景監(jiān)視系統(tǒng)，其功能模塊設(shè)計(jì)包含2大部分內(nèi)容：全景瀏覽模塊和設(shè)備管理模塊，如圖7所示。其中全景瀏覽模塊主要是建立在信息模型的瀏覽基礎(chǔ)上，除傳統(tǒng)的漫游、旋轉(zhuǎn)等功能外，可以充分利用模型信息進(jìn)行任意系統(tǒng)和類別的專項(xiàng)查看，并同時(shí)查看相關(guān)屬性參數(shù)；而設(shè)備管理模塊則包含了智能管理的內(nèi)容，不僅可以同時(shí)查看多個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，還可以集成各個(gè)平臺(tái)的報(bào)警數(shù)據(jù)并在模型中智能定位，極大地提高了設(shè)備管理的效率和準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)了變電站的數(shù)字化智能管理。

圖7　全景監(jiān)視系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)Fig.7　Function module design of the panoramic monitoring system

4　結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)通過(guò)前期對(duì)IFC標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展，形成了滿足輸變電行業(yè)要求的IFC擴(kuò)展模型標(biāo)準(zhǔn)，并基于此建立了變電站的數(shù)字化信息模型。以IFC數(shù)字模型為基礎(chǔ)，結(jié)合各個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)建立了集靜態(tài)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)于一身的數(shù)據(jù)庫(kù)，并在此基礎(chǔ)上研究開發(fā)了集中化的變電站全景監(jiān)視和管理系統(tǒng)。當(dāng)然，考慮到用電安全性和系統(tǒng)可靠性的要求，目前系統(tǒng)的功能還僅限于各個(gè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)，并不涉及系統(tǒng)和設(shè)備的聯(lián)動(dòng)控制。盡管如此，其集中的數(shù)據(jù)處理能力已經(jīng)顯現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢(shì)，綜合的顯示和查詢能力也為設(shè)備管理提供了強(qiáng)有力的工具。

本系統(tǒng)在上海市220 kV即墨站進(jìn)行成功安裝和調(diào)試使用，并考慮在其他變電站推廣使用。

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A Panoramic Information Monitoring Platform Based on the Digital Substation Handover Results

LI Ying1，LI Feng1，LI Bin'ai1，LIU Li2
（1.State Grid Shanghai Municipal Electric Power Company，Shanghai 100120，China；2.Shanghai Grasp Architectural Design Consulting Co.，Ltd.，Shanghai 200241，China）

To solve data consistency and sharing issues between the current substation monitoring systems，a new panoramic substation monitoring system based on IFC digital models is designed and developed.This paper introduces this new panoramic substation monitoring system from its design intent，the establishment of information digital model，the category extension based on IFC standards and database scheme and it also verifies the technical feasibility of this system，therefore providing a new solution for digital substation intelligent management.

IFC；panoramic monitoring；substation；digital model

1674-3814（2015）12-0057-05

TM76；TU17

A

2015-04-03。

李穎（1976—），女，碩士，工程師，從事電力系統(tǒng)調(diào)度自動(dòng)化工作。

（編輯董小兵）

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）資助項(xiàng)目（2014AA051901）。

Project Supported by National High Tech Research and Development Program（863 Program）（2014AA051901）.