變電站三維建模及精細(xì)化管理

金石 易歡歡 王琳 李瑋暉 李勇

摘要：隨著電網(wǎng)信息化建設(shè)加快，大運(yùn)行和調(diào)控一體化深入建設(shè)，新建變電站數(shù)量與日俱增。變電站無人值守逐步實現(xiàn)，設(shè)備監(jiān)控人員對變電站現(xiàn)場情況越來越陌生，同時在對監(jiān)控運(yùn)行數(shù)據(jù)的處理和信息軟件應(yīng)用學(xué)習(xí)中，需要耗費(fèi)大量時間和精力。通過對變電站進(jìn)行三維測繪建模以及實景掃描拍攝，實現(xiàn)變電站場景的數(shù)字化還原，并進(jìn)一步根據(jù)變電站內(nèi)設(shè)備接線圖進(jìn)行模型關(guān)聯(lián)，在變電站的精細(xì)化管理上展開深化應(yīng)用，改變傳統(tǒng)設(shè)計模式下的工作問題。

Abstract： With the continuous development of grid informationization， as well as the all-round implementations of large running and integrated dispatching and control， the number of new substations has been increasing. With the unattended substation gradually achieved， substation site conditions could be new to personnel of equipment monitor. Meanwhile， monitoring personnel need spend so much of time and energy focused on process of monitoring data and learning of information software. This article presents a digital restoration of substation scene by three-dimensional mapping modeling and real scene scanning for substation， and further completes the model association according to wiring diagram of equipment in the substation. Furthermore， the deepening of the application in the substation fine management could change work problems under the traditional design mode.

關(guān)鍵詞：三維變電站;可視化;精細(xì)管理

Key words： three-dimensional substation;visualization;fine management

中圖分類號：F426 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）08-0062-03

0 ?引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度不斷提升，國民對電力資源“質(zhì)”和“量”的需求也在不斷提高。近年來為了滿足廣大人民群眾的用電需求，我國的電力行業(yè)發(fā)展異常迅速，隨著流程化建立電網(wǎng)建設(shè)的速度大幅加快，變電站數(shù)量激增的同時變電站運(yùn)行中出現(xiàn)的運(yùn)行管理問題也明顯地暴露出來，變電站的精細(xì)化管理需求日益提高。

傳統(tǒng)變電站管理方式多通過運(yùn)行監(jiān)控平臺的流程控制，以紙質(zhì)單據(jù)或電子表格形式形成運(yùn)行管理狀況匯報。但隨著變電站逐步完成集中監(jiān)控?zé)o人值守，設(shè)備監(jiān)控人員對變電站現(xiàn)場設(shè)備情況越來越陌生，在變電站設(shè)備發(fā)生異常及故障的情況下，受制于目前的監(jiān)控方式和視頻監(jiān)控覆蓋率的局限性，監(jiān)控人員缺乏及時了解現(xiàn)場狀況的必要手段。同時，針對“調(diào)控一體化”工作完善過程中暴露出來的監(jiān)控員現(xiàn)場運(yùn)行經(jīng)驗缺乏、設(shè)備原理不熟悉等問題，提出變電站三維建模的數(shù)字化可視化方案。三維數(shù)字化信息管理平臺基于變電站三維可視化的技術(shù)，在變電站的精細(xì)化管理上展開詳細(xì)的深化應(yīng)用設(shè)計，以改變傳統(tǒng)設(shè)計模式下的管理協(xié)同工作困難問題。

1 ?變電站管理現(xiàn)存問題

隨著新建變電站投入量的增多，變電站設(shè)備監(jiān)控工作變得更為繁重，加之沒有直觀易用的工作協(xié)同工具，導(dǎo)致變電站運(yùn)行管理問題逐漸凸顯，主要表現(xiàn)為以下幾個方面。

1.1 圖檔的準(zhǔn)確性及完整性有誤 ?基于變電站基建完成后移交的竣工圖紙資料，圖紙內(nèi)容信息存在表達(dá)錯誤、缺失以及不一致的問題，通過建立變電站三維對象化模型，還原與圖紙資料一致的變電站虛擬場景，在建模過程中記錄，形成文檔記錄。

1.2 監(jiān)控員設(shè)備不熟悉 ?監(jiān)控員現(xiàn)場運(yùn)行經(jīng)驗缺乏、設(shè)備原理不熟悉。變電站設(shè)備運(yùn)行管理容易出現(xiàn)因粗心大意導(dǎo)致的巡查不到位現(xiàn)象，故障及缺陷處理缺乏計劃性和靈活性。

1.3 施工作業(yè)效率低下 ?實際操作傳動開關(guān)、主變有載開關(guān)及重合閘、備自投功能軟壓板等進(jìn)行實控驗證。遙控軟壓板后，檢查監(jiān)控畫面上軟壓板位置信號是否正確變位，重合閘充電、備自投充電等遙信信號是否對應(yīng)變位，均需要人工到現(xiàn)場進(jìn)行勘察。

1.4 缺少安全分析工具 ?沒有直觀的現(xiàn)場施工作業(yè)指導(dǎo)系統(tǒng)，對施工車進(jìn)場需要人員提前到場進(jìn)行實際勘測。進(jìn)行限高限寬監(jiān)測。同時為保證現(xiàn)場施工安全，對設(shè)備帶電情況還需做其他工作，工作時間長，大修等停電維護(hù)時間久。

1.5 設(shè)備監(jiān)測形式陳舊 ?設(shè)備的具體位置和帶電情況從圖表的展現(xiàn)方式查看，并不直觀，容易忽視現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行隱患。遇到設(shè)備事故、異常、越限等問題時不能及時定位以及分析關(guān)聯(lián)設(shè)備影響，容易對事故風(fēng)險和影響范圍分析有誤。

2 ?三維變電站精細(xì)化管理設(shè)計

三維變電站精細(xì)化管理主要設(shè)計三維數(shù)字化信息管理與三維虛擬仿真驗證平臺兩大功能模組。其中，在三維數(shù)字化信息管理模組中以實現(xiàn)三維模型管理、三維模型瀏覽、分類信息管理、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)瀏覽、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)管理、數(shù)據(jù)批量導(dǎo)入管理、權(quán)限管理、系統(tǒng)配置，以及還原模型和智能報表等功能模塊。并在三維虛擬仿真驗證平臺上實現(xiàn)仿真漫游、多人聯(lián)機(jī)培訓(xùn)、實時監(jiān)控數(shù)據(jù)整合、仿真可視化、機(jī)器人巡檢、視頻監(jiān)控功能、測距功能等功能模塊。整體通過依托于高精度建模得來的變電站內(nèi)模型，構(gòu)建功能完備、性能卓越的變電三維信息管理平臺，將現(xiàn)有變電站運(yùn)維數(shù)據(jù)同虛擬化變電站相融合，實現(xiàn)對電網(wǎng)自動控制、智能調(diào)節(jié)、在線決策、協(xié)同互動的新一代運(yùn)維管理手段。提升運(yùn)維工作整體業(yè)務(wù)效率與質(zhì)量。

變電站三維建模精細(xì)化管理采用主流基于HTML5技術(shù)的B/S架構(gòu)開發(fā)，符合信息管理平臺技術(shù)發(fā)展方向，可以為日后系統(tǒng)功能維護(hù)升級，進(jìn)一步拓展完善需求，降低維護(hù)成本，提高項目經(jīng)濟(jì)效益打好基礎(chǔ)。全部平臺功能通過web頁面實現(xiàn)，以便于實際降低運(yùn)維人員使用難度，降低人工培訓(xùn)學(xué)習(xí)成本，改善培訓(xùn)方式1。

系統(tǒng)整體功能結(jié)構(gòu)如圖1。

2.1 變電站圖檔信息管理 ?通過收集圖紙文檔資料并形成電子文檔。以設(shè)計院圖紙為依據(jù)，對施工方提供的施工圖紙以及設(shè)備廠家提供的設(shè)備接線圖紙進(jìn)行校驗，對圖紙以及文檔中存在的問題進(jìn)行核對校驗，檢查廠房，電氣溝渠，桿塔及一次設(shè)備安裝位置，以及設(shè)備電壓等級是否匹配，設(shè)計容量是否達(dá)標(biāo)，設(shè)備尺寸是否合適等。根據(jù)交叉校驗結(jié)果，輸出問題處理報告。在圖紙階段對三維虛擬變電站模型有整體了解，并協(xié)助進(jìn)行修改和完善。

2.2 變電站三維建模管理 ?基于高精度場站的掃描結(jié)果建模，實現(xiàn)已有變電站三維模型的導(dǎo)入，充分考慮同地區(qū)多場站模型切換，實現(xiàn)三維模型管理。對于攝像頭、風(fēng)速計等輔助監(jiān)控設(shè)備，支持變動調(diào)整，可以在場景內(nèi)添加、刪除、移動，靈活應(yīng)對實際環(huán)境下的變化，提高模型對實際場站還原的準(zhǔn)確度。

系統(tǒng)應(yīng)用地面激光掃描技術(shù)，快速對現(xiàn)場實際環(huán)境進(jìn)行點云數(shù)據(jù)采集，并同時利用全景相機(jī)對現(xiàn)場進(jìn)行高清全景拍照。后期通過計算機(jī)輔助建模，利用采集的高精度點云數(shù)據(jù)，生成同現(xiàn)場完全一致的三維模型，精確重現(xiàn)變電站內(nèi)各設(shè)備、儀表、線纜、銘牌等細(xì)節(jié)，而后根據(jù)全景照片，制作實景貼圖進(jìn)行模型外觀美化，達(dá)到精密化建模要求。三維模型進(jìn)行系統(tǒng)建模審查，并結(jié)合電網(wǎng)拓?fù)潢P(guān)系，根據(jù)場站實際的一次接線圖情況對精細(xì)化模型進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)致定義。將現(xiàn)實場景進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)數(shù)字化轉(zhuǎn)換，為其它功能提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2.3 場景漫游管理 ?通過1：1數(shù)字化變電站三維場景，顯示精細(xì)化模型，并實現(xiàn)在場景內(nèi)進(jìn)行漫游瀏覽。模型覆蓋一次設(shè)備區(qū)、室外廠區(qū)和室內(nèi)區(qū)域。其中室外區(qū)域包含站內(nèi)實際的變壓器、斷路器、隔離刀閘、電容器、電抗器、避雷器、監(jiān)控?zé)魲U、鐵塔、柵欄、房屋。通過場景漫游瀏覽，遠(yuǎn)程對現(xiàn)場情況進(jìn)行了解，直觀查看更利于掌握現(xiàn)場情況，提高運(yùn)維工作效率。

室內(nèi)建模主要包含保護(hù)室、開關(guān)室、直流設(shè)備室等站內(nèi)房間。其中的保護(hù)屏柜等電力設(shè)備特寫均為現(xiàn)場實際高清拍攝照片的還原復(fù)現(xiàn)，可以精確反應(yīng)設(shè)備面板實際情況。

整個漫游瀏覽過程，操作人員通過鼠標(biāo)鍵盤進(jìn)行在場景范圍內(nèi)無限制的漫游瀏覽，可自主控制前進(jìn)、后退、上升、下降以及轉(zhuǎn)向。

同時基于操作人員可能對站內(nèi)設(shè)施不熟悉的問題，增加全站地圖作為導(dǎo)航顯示，將變電站俯視圖100：1縮放作為地圖，進(jìn)行變電站同當(dāng)前位置的關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)點擊地圖快速定位當(dāng)前視角到目標(biāo)位置，以及移動時同步當(dāng)前坐標(biāo)到地圖內(nèi)導(dǎo)向標(biāo)。

2.4 數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)瀏覽 ?在三維平臺內(nèi)，實現(xiàn)點擊具體設(shè)備模型，查看與該設(shè)備相關(guān)聯(lián)的運(yùn)行監(jiān)控數(shù)據(jù)。關(guān)聯(lián)設(shè)備ID查看設(shè)備參數(shù)信息、智能告警信息、運(yùn)行參數(shù)信息、檢測數(shù)據(jù)信息和巡檢結(jié)果信息等信息，統(tǒng)一提取到Web前端展示，通過后臺服務(wù)器同現(xiàn)場數(shù)據(jù)源進(jìn)行對接，實時刷新關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)內(nèi)容，輔助操作人員對變電站進(jìn)行監(jiān)控管理。

以三維設(shè)備模型為中心實現(xiàn)關(guān)聯(lián)檢索功能。一鍵式快速查看當(dāng)前設(shè)備的各維度圖紙、操作文檔等資料。主要包括三維模型、竣工圖紙、使用說明、設(shè)備配置以及其他文檔資料。

同時系統(tǒng)實現(xiàn)二三維的站內(nèi)接線圖切換，能夠自定義檢索查看模式，查看所有信息。系統(tǒng)將采用數(shù)據(jù)表格、頁面展示和三維圖形的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)展示。

按照提供數(shù)據(jù)文件批量導(dǎo)入，按照使用習(xí)慣，進(jìn)行三維變電站模型、二維變電站圖紙、電子文檔資料等數(shù)據(jù)的分類。

2.5 虛擬仿真培訓(xùn) ?以工單為指導(dǎo)，以學(xué)員參與為核心。通過交互式的三維場景培訓(xùn)使工作過程可視化、形象化，人機(jī)交互可操作三維設(shè)備模型，區(qū)別于傳統(tǒng)的文字、圖像、影像等教學(xué)模式，虛擬實景仿真培訓(xùn)可以增加學(xué)員的參與感，從視覺、聽覺等多方面強(qiáng)化培訓(xùn)效果，學(xué)員以角色帶入場景，完成工單賦予該角色的所有操作步驟。通過培訓(xùn)學(xué)員即可以熟悉設(shè)備的操作過程，也可以掌握操作流程、操作步驟以及不同角色相互之間的協(xié)作工作，為實際現(xiàn)場操作積累經(jīng)驗，更好的提高了培訓(xùn)效果。

基于系統(tǒng)建立的變電站三維模型，直觀展示站內(nèi)設(shè)備。通過系統(tǒng)培訓(xùn)，更有利于組織人員的培訓(xùn)。模擬操作的功能，能方便培訓(xùn)人員快速了解現(xiàn)場設(shè)備的操作。同時，系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)查詢，將更加利于人員了解現(xiàn)場設(shè)備信息，包括圖紙信息、設(shè)備參數(shù)、技術(shù)資料等。

2.6 機(jī)器人巡檢 ?平臺與巡檢機(jī)器人相結(jié)合，利用系統(tǒng)高精度模型遠(yuǎn)程對機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行管理，并可在系統(tǒng)內(nèi)對機(jī)器人巡檢任務(wù)進(jìn)行可視化設(shè)置，并模擬巡檢，提高任務(wù)編制效率。具備遠(yuǎn)程實時查看當(dāng)前機(jī)器人位置以及回傳圖像的功能，可利用高精度場站模型，同現(xiàn)場進(jìn)行對比?？焖僮R別站內(nèi)隱患點。

2.7 視頻監(jiān)控 ?變電三維信息管理平臺系統(tǒng)與視頻監(jiān)控平臺相結(jié)合，主站操作者可直接通過點擊監(jiān)控攝像機(jī)模型調(diào)取對應(yīng)的場站監(jiān)控攝像頭實時監(jiān)控畫面，專業(yè)人員可以借助于系統(tǒng)內(nèi)三維模型，充分了解當(dāng)前的監(jiān)控周邊環(huán)境狀態(tài)，在掌控全局的基礎(chǔ)上對監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以便掌握實時動態(tài)，避免場站內(nèi)監(jiān)控畫面過于雷同的困擾。

2.8 其他功能點 ?①熱敏點標(biāo)注。全景場景內(nèi)設(shè)備熱敏點標(biāo)記功能，可以通過不同圖標(biāo)進(jìn)行場站內(nèi)重點信息的標(biāo)記，如對于新投退設(shè)備進(jìn)行標(biāo)注，對于有故障檢修設(shè)備進(jìn)行標(biāo)注，或?qū)τ诖嬗腥毕荽幚碓O(shè)備進(jìn)行標(biāo)注。

②設(shè)備機(jī)構(gòu)原理動畫。通過對設(shè)備進(jìn)行深層次內(nèi)部建模，利用三維骨架進(jìn)行機(jī)構(gòu)原理的動作動畫建模，可以讓不熟悉設(shè)備工作原理的人員了解設(shè)備內(nèi)部運(yùn)作機(jī)制，同時顯示各類監(jiān)控信號的釋義等。例如：斷路器工作原理動畫，隔離開關(guān)拉開、閉合動畫等。

3 ?產(chǎn)品特色與效益

①系統(tǒng)基于HTML5技術(shù)開發(fā)，所有功能均基于頁面開發(fā)技術(shù)，完全支持Web瀏覽器使用，對客戶機(jī)無需安裝部署額外軟件，非嵌入服務(wù)，無需客戶端安裝插件即可使用全部功能，易于使用，并可以作為應(yīng)用模塊嵌入各成熟平臺中。

②系統(tǒng)利用先進(jìn)的激光建模技術(shù)，對變電站設(shè)備進(jìn)行精準(zhǔn)的三維建模，滿足國網(wǎng)330kV以上變電站建模規(guī)范，精確到毫米級精度，能極大的保證變電站三維模型建立的準(zhǔn)確性和效率。

③系統(tǒng)基于變電站實際場景（全景信息）采集的精確數(shù)據(jù)，可通過平臺對場地內(nèi)設(shè)備的布局，設(shè)備實景情況進(jìn)行直觀了解，結(jié)合距離高度測量功能，對場景內(nèi)設(shè)備精確管理。三維場景結(jié)合全景圖隨意切換，經(jīng)過系統(tǒng)的坐標(biāo)系整合，視角方向完全統(tǒng)一，優(yōu)勢互補(bǔ)。

④系統(tǒng)可與運(yùn)檢在線監(jiān)控平臺，PMS平臺，在線監(jiān)測系統(tǒng)等現(xiàn)有系統(tǒng)平臺數(shù)據(jù)對接，將數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總展示，在三維平臺內(nèi)結(jié)合直觀視圖，把數(shù)據(jù)同模型相結(jié)合，便于對現(xiàn)場設(shè)備的實時監(jiān)控。

⑤沉浸式三維變電站瀏覽，第一人稱視角移動方便快捷，操作簡便，并可隨時切換同視角同位置的全景圖像，同時提供地圖縮略圖快速導(dǎo)航，當(dāng)前位置提示，移動隨動標(biāo)示，室內(nèi)導(dǎo)航定位等漫游瀏覽功能。

⑥全站設(shè)備與電網(wǎng)一次接線圖進(jìn)行關(guān)聯(lián)，基于拓?fù)鋱D進(jìn)行電網(wǎng)模型建模，將三維可視化與電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)相結(jié)合，可進(jìn)行電網(wǎng)帶電拓?fù)涞脑O(shè)備帶電可視化顯示。積累了多年調(diào)度領(lǐng)域的研發(fā)經(jīng)驗，已實現(xiàn)基于設(shè)備狀態(tài)變化的全站設(shè)備帶電狀態(tài)自動刷新。

⑦精確到設(shè)備級別的設(shè)備定位，展開全站設(shè)備樹，可以快速定位，結(jié)合設(shè)備告警、設(shè)備報缺、設(shè)備檢修計劃等，可以快速定位關(guān)鍵設(shè)備，便于用戶應(yīng)用到實際工作中。

⑧系統(tǒng)可與當(dāng)今智能巡檢機(jī)器人監(jiān)控平臺進(jìn)行對接，在三維場景中，利用現(xiàn)場監(jiān)控機(jī)器人，進(jìn)行巡檢設(shè)置，巡檢模擬，啟動現(xiàn)場機(jī)器人巡檢等功能。讓操作人員直觀獲得現(xiàn)場周圍實際情況，輔助管理人員應(yīng)用機(jī)器人工作。

⑨系統(tǒng)與現(xiàn)場視頻監(jiān)控平臺結(jié)合，利用現(xiàn)場已有監(jiān)控設(shè)備，結(jié)合虛擬場景，實時同實際視頻進(jìn)行對比，便于管理人員查找可疑點，提高管理人員管控能力。

⑩系統(tǒng)支持絕大多數(shù)基于三維可視化開展的業(yè)務(wù)功能，系統(tǒng)拓展性強(qiáng)，且隨著軟硬件技術(shù)發(fā)展逐步優(yōu)化系統(tǒng)整體性能。

4 ?結(jié)論

系統(tǒng)的三維模型平臺具有良好的實用性以及應(yīng)用針對性，可以最大化的解決電網(wǎng)運(yùn)行的實際問題。使用本系統(tǒng)的三維模型平臺將會帶來以下的應(yīng)用價值：

①系統(tǒng)集合多種應(yīng)用于一體，從根源上解決對變電站維護(hù)監(jiān)控及培訓(xùn)學(xué)習(xí)過于復(fù)雜的問題，為管理人員高效管理系統(tǒng)、把控全局提供了良好的助力。

②系統(tǒng)將各種實時監(jiān)控功能集合展示，線上線下緊密結(jié)合，方便了管理人員對變電站實際情況的直觀化了解，避免了因管理人員對電站現(xiàn)場實際狀況不熟悉而導(dǎo)致的計劃設(shè)計和結(jié)果評估等方面的失誤發(fā)生。

③系統(tǒng)數(shù)據(jù)查看方面，各頁面調(diào)取方便、展示結(jié)構(gòu)合理，使信息化數(shù)據(jù)得到了最大限度的充分利用，有效節(jié)約了工作人員各個系統(tǒng)間反復(fù)查找數(shù)據(jù)的時間。

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