三維數(shù)字化平臺(tái)二次回路全過程可視化研究

陳晨　董平先　宋曉帆　郭放　白萍萍　薛文杰

摘 要：以三維設(shè)計(jì)指導(dǎo)施工的設(shè)計(jì)理念，對(duì)三維設(shè)計(jì)平臺(tái)進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)二次設(shè)備接線、傳輸路徑、二次虛回路的可視化，實(shí)現(xiàn)二次設(shè)備信號(hào)傳輸物理路徑和虛回路的可視化，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試人員可獲取所需信號(hào)的收發(fā)設(shè)備、接續(xù)設(shè)備（交換機(jī)、光配等）以及傳輸路徑的全景信息，提高虛端子、虛鏈路現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試效率，提高設(shè)計(jì)人員和現(xiàn)場(chǎng)施工人員的工作效率。

關(guān)鍵詞：三維數(shù)字化;二次回路;可視化;虛端子

中圖分類號(hào)：TM63 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2021）26-0022-04

The Whole Process Visualization Study of the Secondary

Loop of the 3D Digital Platform

CHEN Chen DONG Pingxian SONG Xiaofan GUO Fang BAI Pingping XUE Wenjie

（State Grid Henan Economic Research Institute， Zhengzhou Henan 450000）

Abstract： Based on the design concept of three-dimensional design guiding construction， this paper secondary develops the three-dimensional design platform to realize the visualization of secondary equipment wiring， transmission path and secondary virtual circuit， and realize the visualization of secondary equipment signal transmission physical path and virtual circuit. The on-site debugging personnel can obtain the transceiver and connection equipment （switch， optical distribution， etc.） of the required signals And the panoramic information of the transmission path， so as to improve the on-site commissioning efficiency of virtual terminal and virtual link， and improve the work efficiency of designers and on-site construction personnel.

Keywords： 3D digitization;secondary circuit;visualization;virtual terminal

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)、設(shè)計(jì)平臺(tái)技術(shù)、項(xiàng)目管理技術(shù)及輔助決策技術(shù)等各個(gè)領(lǐng)域的快速發(fā)展和創(chuàng)新突破，電力工程設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)逐漸向設(shè)計(jì)平臺(tái)一體化、設(shè)計(jì)對(duì)象三維化、設(shè)計(jì)過程協(xié)同化以及設(shè)計(jì)成果數(shù)字化的方向發(fā)展。其中，輸變電工程三維設(shè)計(jì)技術(shù)融合了建模技術(shù)、信息技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的多項(xiàng)集成創(chuàng)新，對(duì)輸變電工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域、施工領(lǐng)域和生產(chǎn)運(yùn)維領(lǐng)域產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。本文提出全新的思路和解決方案，應(yīng)用電氣二次專業(yè)的數(shù)字化技術(shù)手段解決變電站工程在施工中遇到的問題[1]。

①電氣二次圖紙繁多、接線復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)施工工作量繁重且很易出現(xiàn)接線錯(cuò)誤等問題。紙質(zhì)的施工圖紙作為現(xiàn)場(chǎng)的唯一接線依據(jù)，施工人員經(jīng)常會(huì)遇到與實(shí)際情況不一致的問題。從設(shè)計(jì)角度考慮，在預(yù)估線纜長(zhǎng)度時(shí)，設(shè)計(jì)人員通過在軟件上進(jìn)行線纜走徑的模擬，粗略估算線纜長(zhǎng)度。由于缺乏規(guī)范統(tǒng)一的線纜長(zhǎng)度計(jì)算規(guī)則，設(shè)計(jì)人員為保證線纜長(zhǎng)度滿足施工需要，往往給線纜預(yù)估遠(yuǎn)大于實(shí)際需求長(zhǎng)度的余量，造成物資材料的浪費(fèi)。另外，二次專業(yè)因其線纜數(shù)量多、路徑差異大等，使得設(shè)計(jì)人員的電纜清冊(cè)制作過程費(fèi)時(shí)費(fèi)力。從施工角度考慮，在埋管敷設(shè)（涉及電纜、光纜和尾纜）過程中，線路路徑受施工人員經(jīng)驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境等因素影響，易造成實(shí)際線路敷設(shè)結(jié)果與設(shè)計(jì)要求不一致的情況，如敷設(shè)路徑存在差異、電纜溝或槽盒中線纜排布不合理等，致使電纜線路長(zhǎng)度預(yù)留不足或預(yù)留過多、電纜溝敷設(shè)線纜分布不均勻及電纜溝局部溝段纜線過多而旁路電纜溝空余較大，使得電纜溝整體空間利用率偏低。

②在智能變電站被廣泛應(yīng)用的情況下，變電站中的大部分電纜由光纜替代。同樣條件下，單根光纜可以實(shí)現(xiàn)普通數(shù)十根電纜傳輸數(shù)據(jù)的效果。這樣雖然減少了電纜的敷設(shè)工作量，但變相增加了光纜信號(hào)的調(diào)試工作量。從設(shè)計(jì)人員角度考慮，不同廠家定義的設(shè)備收發(fā)信號(hào)的虛端子的地址命名有所差異，指令信息和信號(hào)的含義有所不同。將不同廠家虛端子進(jìn)行連接需要設(shè)計(jì)人員進(jìn)行一個(gè)個(gè)接續(xù)，而當(dāng)變電站規(guī)模較大時(shí)，這種海量的信息和數(shù)據(jù)定義會(huì)給設(shè)計(jì)工作帶來不便，也會(huì)經(jīng)常發(fā)生漏填和錯(cuò)填問題。從施工角度考慮，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試人員通過Excel表格的形式進(jìn)行虛端子的接續(xù)調(diào)試。由于缺乏對(duì)整個(gè)信息傳輸網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的完整視角，在遇到調(diào)試問題時(shí)往往無(wú)法快速判斷出現(xiàn)問題的原因和發(fā)生問題的節(jié)點(diǎn)設(shè)備。

針對(duì)這些問題，本文將結(jié)合一個(gè)220 kV變電站工程，提出三維數(shù)字化平臺(tái)二次回路全過程可視化的實(shí)施方案。通過配置二次設(shè)備接線可視化模塊，使得端子排、設(shè)備光接口及電接口信息數(shù)據(jù)可視化;通過匯總智能變電站設(shè)備信息收發(fā)情況、接線信息和電纜敷設(shè)等情況，實(shí)現(xiàn)單個(gè)模塊的鏈路可視化。這樣現(xiàn)場(chǎng)施工人員可以從這些可視化的二次設(shè)備接線方案和優(yōu)化后的線纜敷設(shè)路徑上獲得施工信息，且現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試人員可以及時(shí)掌握實(shí)時(shí)收發(fā)信息數(shù)據(jù)的完整性以及鏈路是否清晰通暢，從而進(jìn)一步提高施工效率。

1 二次設(shè)備接線信息數(shù)字化設(shè)計(jì)

二次接線信息數(shù)字化設(shè)計(jì)的首要任務(wù)是二次系統(tǒng)設(shè)計(jì)。電氣二次系統(tǒng)從功能上可劃分為7種類型，分別為保護(hù)系統(tǒng)（含保護(hù)、故障錄波、行波測(cè)距等裝置）、測(cè)控系統(tǒng)、計(jì)量系統(tǒng)、時(shí)鐘系統(tǒng)（含主時(shí)鐘及擴(kuò)展時(shí)鐘裝置）、監(jiān)控系統(tǒng)（含過程層交換機(jī)、間隔層交換機(jī)、保護(hù)及故障錄波信息子站、網(wǎng)絡(luò)分析儀等裝置）、電源系統(tǒng)（含電源監(jiān)控、照明配電、交直流分電、UPS主機(jī)等裝置）及輔控系統(tǒng)（含圖像監(jiān)控、電氣一次、二次設(shè)備在線監(jiān)測(cè)等裝置）。二次系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示。作為二次設(shè)備及其接線信息與三維模型聯(lián)動(dòng)的媒介，當(dāng)二次設(shè)備依據(jù)自身功能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的分類和歸屬時(shí)，隸屬于不同系統(tǒng)下的二次設(shè)備可通過參數(shù)模型和物理模型的選擇，實(shí)現(xiàn)二次設(shè)備邏輯模型和物理模型的聯(lián)動(dòng)。

電氣二次設(shè)備種類繁多，不同廠家設(shè)備配套的端子排圖格式不盡相同。同時(shí)，隨著“零端子”技術(shù)的日益成熟，變電站電氣二次設(shè)備朝著光纜、電纜全預(yù)制和“即插即用”的方向快速發(fā)展。本次河南怡德（梁莊）220 kV變電站工程全站采用預(yù)制光電纜設(shè)計(jì)方案，因此本專題在后續(xù)的論述中將對(duì)“零端子”式二次設(shè)備接線和傳統(tǒng)端子排接線兩種接線形式的數(shù)字化設(shè)計(jì)進(jìn)行論述。

對(duì)于“零端子”式二次設(shè)備接線而言，通過三維軟件平臺(tái)將設(shè)備接口中不同纜芯信息進(jìn)行錄入，包括對(duì)應(yīng)的設(shè)備型號(hào)、線纜編號(hào)、纜芯編號(hào)及傳輸?shù)男畔?nèi)容等;對(duì)于端子排接線形式而言，通過三維軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺(tái)對(duì)端子排進(jìn)行錄入，統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范格式，為后續(xù)三維端子排及接線自動(dòng)生成做準(zhǔn)備[2]。端子排數(shù)字化設(shè)計(jì)模塊如圖2所示。通過三維軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺(tái)中的端子排繪制模塊，設(shè)定端子個(gè)數(shù)、端子排列數(shù)及定義等信息，確定端子排安裝位置（即端子排所依附的二次設(shè)備或一次設(shè)備機(jī)構(gòu)箱）以及去向并繪制纜線。當(dāng)所有二次設(shè)備或一次設(shè)備機(jī)構(gòu)箱端子排或預(yù)制光纜、電纜接頭信息接線錄入完畢，可自動(dòng)生成電纜清冊(cè)。電纜清冊(cè)包含起點(diǎn)終點(diǎn)設(shè)備信息、線纜型號(hào)、線纜編號(hào)及備用芯數(shù)等參數(shù)。電纜長(zhǎng)度待設(shè)備物理模型擺放完畢且電纜溝或橋架路徑設(shè)定好后可自動(dòng)進(jìn)行計(jì)算。

2 二次設(shè)備接線信息可視化

2.1 二次設(shè)備模型建模

二次設(shè)備三維模型建模包括屏柜的模型、設(shè)備模型、端子排及光配接線模型（如圖3所示）等。根據(jù)變電站三維設(shè)計(jì)情況，二次電氣設(shè)備模型建設(shè)可以不考慮廠家內(nèi)部配線，重點(diǎn)在端子排外側(cè)的接線上。這樣有具體屬性和數(shù)據(jù)的端子排和接口、接線都可以與所屬屏柜進(jìn)行關(guān)聯(lián)。按照間隔進(jìn)行全站物理回路和邏輯回路建模，需要對(duì)全站元器件進(jìn)行數(shù)字化賦值和建模，并建立設(shè)備庫(kù)、電纜型號(hào)庫(kù)、芯線功能庫(kù)及回路庫(kù)等;把不同類型板卡模型文件通過拼接合成IED文件，或?qū)Χ俗优砰_展數(shù)字化建模形成物理端口自描述文件（IPCD），并對(duì)IED設(shè)備中的裝置板卡和物理端口進(jìn)行描述;利用屏柜構(gòu)成及內(nèi)部連線模型，整體形成屏柜模型（CPCD），如圖4所示。物理回路和邏輯回路建模包括光回路建模和電回路建模。

2.2 線纜接線可視化

通過虛實(shí)對(duì)應(yīng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)邏輯回路和光纖端口的映射，采用纖芯自動(dòng)搜索算法實(shí)現(xiàn)光纖回路和二次電纜回路的自動(dòng)布線，通過P3D文件的二次對(duì)象三維模型和世界坐標(biāo)接口實(shí)現(xiàn)二次系統(tǒng)三維成像及設(shè)備信息查詢?；赟CD文件、P3D文件及三維模型庫(kù)，采用逆向解析的方式，實(shí)現(xiàn)智能變電站二次電纜回路、光纖回路及邏輯回路的三維全景可視化逆向解析三維全景展示流程[3]。二次設(shè)備接線可視化，如圖5所示。

二次對(duì)象三維展示即在三維全景可視化平臺(tái)實(shí)現(xiàn)小室內(nèi)屏柜、設(shè)備、板卡、端口、硬壓板、端子排及線纜等二次對(duì)象的三維成像，并支持平移、縮放及旋轉(zhuǎn)等三維場(chǎng)景交互的幾何變換。

電纜回路三維展示實(shí)現(xiàn)屏柜之間電纜端子排接線的三維場(chǎng)景查看，能直觀展示電纜兩側(cè)所接端子，同時(shí)可查看電纜的長(zhǎng)度、使用芯及備用芯等必要信息。

光纖回路三維展示實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景下屏柜內(nèi)、屏柜間各個(gè)設(shè)備端口跳纖、尾纜、光纜的接入信息展示，同時(shí)可查看跳纖、尾纜、光纖的長(zhǎng)度、使用芯及備用芯等必要信息[4]。

邏輯回路展示實(shí)現(xiàn)每個(gè)光口、光纖上流經(jīng)的邏輯回路信息的可視化展示。

設(shè)計(jì)成果展示可以實(shí)現(xiàn)電氣一次、二次圖紙按間隔進(jìn)行可視化展示，在三維場(chǎng)景下展示IED設(shè)備及端子排等電回路連接信息。

可按間隔進(jìn)行三遙信息表的可視化展示。三遙信息所設(shè)計(jì)的回路可視化展示和三維場(chǎng)景呈現(xiàn)，按間隔逐個(gè)展示SCD數(shù)據(jù)。

3 虛回路信息可視化

下面分析基于三維設(shè)計(jì)平臺(tái)的虛回路可視化技術(shù)方案。如圖6所示（變電站三維模型圖），河南怡德（梁莊）220 kV變電站工程采用模塊化變電站設(shè)計(jì)理念，增設(shè)110 kV、220 kV預(yù)制艙，相關(guān)間隔保護(hù)測(cè)控裝置以及故障錄波、網(wǎng)絡(luò)分析、電源分屏下方至預(yù)制艙內(nèi)，繼電器小室僅保留主要公共設(shè)備。

怡德變網(wǎng)絡(luò)設(shè)備三維模型與邏輯模型相對(duì)應(yīng)，過程層設(shè)備如合并單元、智能終端通過直連或交換機(jī)與間隔層設(shè)備相連接。如前文所述，二次設(shè)備含有若干物理端口。每一個(gè)物理端口包含多個(gè)邏輯的數(shù)據(jù)發(fā)布端和接收端，與不同設(shè)備所需接收或發(fā)送的采樣、開關(guān)量等信號(hào)相對(duì)應(yīng)[5]。由光纖和交換機(jī)組成通信網(wǎng)絡(luò)，形成虛回路信號(hào)通路，至此二次虛回路的起點(diǎn)、終點(diǎn)以及傳輸網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建完成。

當(dāng)前，三維模型的二次設(shè)備僅作為線纜敷設(shè)的起點(diǎn)終點(diǎn)設(shè)備，通過設(shè)備或者線纜接口和線纜的關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)變電站二次回路的可視化連接、電纜敷設(shè)等。在三維展示平面，點(diǎn)擊二次屏柜中某一設(shè)備，可顯示與該設(shè)備相關(guān)聯(lián)的邏輯端口接收和發(fā)送的信息內(nèi)容。選定某一信息可高亮顯示該信息的起始設(shè)備、終點(diǎn)設(shè)備以及傳輸過程中經(jīng)過的光纜。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過對(duì)三維設(shè)計(jì)軟件功能模塊的二次開發(fā)，將邏輯形式存在的端子排接線數(shù)據(jù)可視化，可指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)人員準(zhǔn)確接線，提高施工效率。此外，通過整合智能化變電站電氣設(shè)備具體收發(fā)信息、端子排接線及線纜敷設(shè)等多元化數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)面向單個(gè)信息的虛鏈路可視化，使得現(xiàn)場(chǎng)人員可以方便查詢所需信息的傳輸路徑和起點(diǎn)終點(diǎn)設(shè)備，提高虛回路接線效率。

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