基于三維可視化的變電站管控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李環(huán),陳志勇,李博,詹弘,宋敬國(guó)

(1.平高集團(tuán)有限公司，河南 平頂山 467000；2.國(guó)網(wǎng)山西省電力公司運(yùn)城供電公司，山西 運(yùn)城 044000)

0 引言

隨著社會(huì)智能化、信息化、標(biāo)準(zhǔn)化電網(wǎng)建設(shè)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的二維平面化數(shù)字信息在變電站管控系統(tǒng)中的應(yīng)用漸漸顯示出弱勢(shì)，尤其是在信息表現(xiàn)層面，不能帶來(lái)直觀清晰的感受。三維可視化技術(shù)彌補(bǔ)了這一不足，可以完成從平面數(shù)據(jù)到空間數(shù)據(jù)的采集、解析以及處理?；谌S可視化技術(shù)，可構(gòu)建更為先進(jìn)的變電站管控系統(tǒng)，對(duì)變電站室內(nèi)外各種電力設(shè)備進(jìn)行建模，還原空間關(guān)系，實(shí)現(xiàn)可視化設(shè)備管理、缺陷跟蹤和安全管控，提高整個(gè)管控系統(tǒng)的綜合管理水平。

1 系統(tǒng)需求分析

1.1 整體分析

本文構(gòu)建的系統(tǒng)基于變電站設(shè)計(jì)圖紙和服務(wù)設(shè)備的施工資料，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)可視化展示，實(shí)現(xiàn)變電、輸電以及配電功能。另外，根據(jù)采集到的大量數(shù)據(jù)，利用三維建模技術(shù)達(dá)成從散亂數(shù)據(jù)到可視化圖形的轉(zhuǎn)換。

1.2 設(shè)計(jì)原則

該系統(tǒng)需要在滿足三維可視的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)跨專業(yè)、跨應(yīng)用的數(shù)據(jù)融合，對(duì)系統(tǒng)的原有基礎(chǔ)功能進(jìn)行擴(kuò)展，更順暢地支撐變電站的前期建設(shè)與后期運(yùn)維。

(1)實(shí)用性：搭建三維可視化智能變電站管控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備管理、數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計(jì)分析等管控需求。

(2)穩(wěn)定性：管控系統(tǒng)需在不影響變電站正常運(yùn)行的前提下配置相關(guān)應(yīng)用，對(duì)于測(cè)試階段的功能分批次上線，確保原有基礎(chǔ)功能穩(wěn)定。

(3)可配置：設(shè)計(jì)的功能模塊支持可配置，需要結(jié)合變電站的規(guī)模、位置和電壓等級(jí)等做不同適配，針對(duì)不同類型的變電站匹配最合適功能。

(4)可擴(kuò)展：對(duì)于相同類型的變電站來(lái)說(shuō)，該系統(tǒng)的功能模塊具備可移植性，可以直接部署配置，不需要二次開(kāi)發(fā)。并且隨著需求新增、技術(shù)迭代，系統(tǒng)可擴(kuò)展子功能、子模塊來(lái)滿足業(yè)務(wù)需求，不需要改動(dòng)整體架構(gòu)。

(5)安全性：將功能模塊按照實(shí)時(shí)性要求以及影響程度進(jìn)行分類，將影響面大實(shí)時(shí)響應(yīng)高的模塊與影響面小實(shí)時(shí)響應(yīng)低的模塊分別配置于不同分區(qū)，互不干擾。并且提供完善的安全策略，預(yù)防信息外泄、越級(jí)操作[1]。

1.3 技術(shù)特點(diǎn)

1.3.1 關(guān)鍵技術(shù)

(1)三維建模技術(shù)

在構(gòu)建變電站的地面模型之后，還需要對(duì)變電站內(nèi)的各類基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)建三維可視模型，隨著三維顯示要求的提高，建模的復(fù)雜度也會(huì)隨之上升，當(dāng)前比較主流的建模方法包括數(shù)字立體采集技術(shù)、模型參數(shù)庫(kù)建模技術(shù)等，數(shù)字立體采集技術(shù)主要是利用航空拍攝獲取空間資料信息，而模型參數(shù)庫(kù)建模技術(shù)則是先利用基礎(chǔ)特征昨晚標(biāo)準(zhǔn)化樣本參數(shù)，實(shí)際過(guò)程中根據(jù)用戶對(duì)參數(shù)的調(diào)整對(duì)參數(shù)進(jìn)行修訂，最終得到實(shí)際的數(shù)據(jù)模型。

(2)一體化建模技術(shù)

本系統(tǒng)需要融合變電站模型、輸電配電設(shè)備模型和電網(wǎng)物理電力模型為一體，如此連貫打通，才便于設(shè)備定位以及數(shù)據(jù)分析。另外，可自動(dòng)生成電氣拓?fù)鋱D，功率和電壓等勢(shì)圖，進(jìn)行實(shí)現(xiàn)信息管控。

(3)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)其實(shí)是一種沉浸式的人機(jī)交互性很強(qiáng)的構(gòu)想型技術(shù)，它是一個(gè)綜合的概念，涉及計(jì)算機(jī)圖形、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、傳感器和并行運(yùn)算等多種核心技術(shù)，它實(shí)現(xiàn)了人與機(jī)器之間更為自然流暢的交互手段，通過(guò)管控系統(tǒng)即可遠(yuǎn)程對(duì)變電站進(jìn)行觀測(cè)與堅(jiān)持，并且通過(guò)三維可視化技術(shù)達(dá)到了接近感官實(shí)際真實(shí)體驗(yàn)的漫游效果[2]。

1.3.2 通訊方式優(yōu)勢(shì)

該系統(tǒng)采用面向?qū)ο蟮哪K化、分布式設(shè)計(jì)，系統(tǒng)功能模塊可分布在不同計(jì)算節(jié)點(diǎn)，采用TCP/IP、UDP/IP協(xié)議，通訊模型上既支持傳統(tǒng)規(guī)約，同時(shí)又提供IEC61850通訊方式。IEC61850通訊方案基于網(wǎng)絡(luò)，可與現(xiàn)有規(guī)約直接對(duì)接，前端圖形展示終端與主機(jī)設(shè)備、綜合應(yīng)用設(shè)備、后臺(tái)服務(wù)設(shè)備之間都可以采用IEC61850通訊方式。從安全、影響面和通用角度分析其他串口通信方案相比較，結(jié)果如表1所示。

表1 通信方案比較表

由此可以看出，不管是配合復(fù)雜程度還是易用通用方面，IEC61850方案都有較大優(yōu)勢(shì)，安全性方面只需防火墻做相應(yīng)的禁ping、禁ftp和指定端口設(shè)置白名單等設(shè)置即可保證。通信示意圖如圖1所示。

圖1 IEC61850通信規(guī)約示意圖

1.4 參數(shù)配置

(1)硬件

CPU：≥8 2 GHz

MEM：≥4 G

硬盤：≥100 G

顯卡：≥512 M獨(dú)立顯卡

(2)軟件

開(kāi)發(fā)語(yǔ)言：VC++

數(shù)據(jù)庫(kù)：SQL SERVER

(3)性能要求

動(dòng)態(tài)畫(huà)面響應(yīng)：≤2 s

數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)刷新：≤2 s

遙控檢測(cè)傳送：≤3 s

平均成功率：99.98%

主機(jī)CPU使用率：正?！?5%，故障≤60%

2 數(shù)據(jù)模型構(gòu)建

變電站管控系統(tǒng)是整體真實(shí)感依賴于構(gòu)建模型是否合理，所需功能考慮的是否完善，在現(xiàn)實(shí)生活中，變電站是一個(gè)復(fù)雜度較高的實(shí)用場(chǎng)景，不但包含各類設(shè)置，還涉及線路鋪排，場(chǎng)地安全等各類因素，因此模型與實(shí)際情況的契合度顯得尤為重要[3]。

2.1 建立場(chǎng)景模型

2.1.1 數(shù)據(jù)采集

可視化變電站管控系統(tǒng)的模型建立需要考慮服務(wù)器參數(shù)、設(shè)備連接情況、電氣安全和安全警示等多方面的因素，數(shù)據(jù)的原始積累需要依賴施工圖紙、各類設(shè)備、關(guān)鍵連接的照片以及各個(gè)角度的視頻記錄等，實(shí)際采集過(guò)程中，對(duì)不同類型的數(shù)據(jù)需要有針對(duì)性的處理：對(duì)于設(shè)備數(shù)據(jù)，可通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)圖片以及實(shí)地測(cè)量的位置、紋理以及占地面積等信息；對(duì)于地貌數(shù)據(jù)，則需要利用相機(jī)將層次感與方位記下來(lái)，另外需要對(duì)地形紋理、設(shè)備形狀以及與線桿及電樁之間的高低落差進(jìn)行測(cè)量與記錄，最后使用圖形處理軟件進(jìn)行裁剪及顏色等處理。對(duì)于其他數(shù)據(jù)則依賴于運(yùn)維實(shí)施人員的經(jīng)驗(yàn)與實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)互為補(bǔ)充。

2.1.2 建立模型

(1)地形：本系統(tǒng)通過(guò)規(guī)則格網(wǎng)方法將變電站的整體地形進(jìn)行矩形網(wǎng)格劃分，以各個(gè)網(wǎng)格作為基礎(chǔ)，根據(jù)顏色以及其他參數(shù)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換為不同的材質(zhì)，如圖2所示。

圖2 地形網(wǎng)格生成圖

其中，每個(gè)點(diǎn)的高度由相鄰點(diǎn)的平均值以及隨機(jī)偏移量共同決定，既能體現(xiàn)互相之間的關(guān)聯(lián)又能體現(xiàn)不同的差異。

(2)設(shè)施：變電站的基礎(chǔ)設(shè)施主要包括變壓器、避雷裝置、開(kāi)關(guān)柜、無(wú)功補(bǔ)償設(shè)置等。由于設(shè)置數(shù)量較多，首先，需要進(jìn)行分類，然后針對(duì)其中的一次設(shè)備達(dá)到真實(shí)還原標(biāo)準(zhǔn)，其他非重要物件可相應(yīng)調(diào)整，針對(duì)其中的大型設(shè)備還需要先分割，利用3DS MAX定位基礎(chǔ)坐標(biāo)系，確定最初的多邊形，然后進(jìn)行擠壓、扭曲等操作進(jìn)行立體化處理，先將各個(gè)部分的簡(jiǎn)單模型構(gòu)建好之后，最終做最后的復(fù)雜整合。

(3)環(huán)境：為了最終呈現(xiàn)的模型的真實(shí)程度與可視化美觀效果，還需要對(duì)周邊環(huán)境也進(jìn)行建模，本文采用6面無(wú)縫連接的貼圖方式來(lái)構(gòu)建環(huán)境部分，將周邊的環(huán)境圖片按照區(qū)域進(jìn)行切割，標(biāo)以一定順序的標(biāo)號(hào)，然后進(jìn)行三維的無(wú)縫連接，搭建與實(shí)際情況貼合的環(huán)境模型[4]。

2.2 主要算法

本文采用的LOD技術(shù)是確保三維可視化系統(tǒng)逼真程度的主要技術(shù)，對(duì)于不同層次的模型繪制方法有所區(qū)別，包含的多邊數(shù)目也完全不一樣，最常見(jiàn)的模塊如下。

LOD

{

Level []-設(shè)置層次節(jié)點(diǎn)列表，按照細(xì)節(jié)程度排序。

Center 0.0 0.0 0.0-設(shè)置細(xì)節(jié)層次模型的中心坐標(biāo)。

Range[]-設(shè)置距離列表，例如層次中包含n個(gè)節(jié)點(diǎn)，那么就應(yīng)該有n-1個(gè)距離列表對(duì)應(yīng)，并且必須>0，遞增。

}

在實(shí)際建模過(guò)程中，實(shí)體越復(fù)雜，多邊形的數(shù)量也會(huì)隨之增加，非常不利于后期的管理與維護(hù)，因此，在本文設(shè)計(jì)的三維可視化變電站管控系統(tǒng)中，重點(diǎn)關(guān)注空間位置、設(shè)備連接以及相關(guān)設(shè)置的基本參數(shù)，對(duì)于散熱片柵數(shù)等非重要細(xì)節(jié)利用逐層分解法、頂點(diǎn)生成法和刪除單元法進(jìn)行了簡(jiǎn)化。

(1)在幾何模型中，可以利用逐層分解法基于基礎(chǔ)模型根據(jù)特征進(jìn)行分解，這一方法不適用于細(xì)節(jié)過(guò)多的非幾何模型。

(2)對(duì)于控制柜或者控制箱這種具有對(duì)稱性或者重復(fù)規(guī)則的模型來(lái)說(shuō)，可以采用頂點(diǎn)生成多邊形的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

(3)為了簡(jiǎn)化層次LOD，降低多邊形梳理，可以采用刪除單元法來(lái)刪除多余的“面”，利用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)補(bǔ)充“邊”。

3 后端管控模塊設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)后端管控模塊采用MVC架構(gòu)模式，即模型(Model)->視圖(View)->控制器(Controller)，對(duì)用戶、權(quán)限、位置、設(shè)備、訪問(wèn)帳號(hào)、告警信息等等進(jìn)行統(tǒng)一管控。

(1)通過(guò)http接口從基站定位引擎獲取相關(guān)人員的定位信息。

(2)通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)獲取設(shè)備當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)。

(3)通過(guò)webservice接口與后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)時(shí)交互，對(duì)記錄進(jìn)行新增、刪除、修改、查詢。

(4)通過(guò)開(kāi)發(fā)razor視圖控制前端展示功能。

后臺(tái)MVC框架如圖3所示。

圖3 MVC框架結(jié)構(gòu)圖

4 前端可視化設(shè)計(jì)

(1)可視化臺(tái)賬：將變電站設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)庫(kù)與三維設(shè)備進(jìn)行捆綁，設(shè)備模型、數(shù)據(jù)屬性均可實(shí)現(xiàn)雙向檢索，迅速定位目標(biāo)設(shè)備，查看關(guān)聯(lián)信息，實(shí)現(xiàn)可視化資產(chǎn)管控[5]。查詢流程如圖4所示。

圖4 設(shè)備信息查詢流程圖

(2)可視化控制與展示：模擬開(kāi)關(guān)狀態(tài)，調(diào)節(jié)分接頭位置，自動(dòng)提示相關(guān)參數(shù)，誤操作提醒，模擬操作結(jié)果，確保與現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景一致。另外，在三維可視化界面可查看遙信變位量、解析處理采集到的遙測(cè)量，便于掌控設(shè)備當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

(3)可視化告警：對(duì)于不是人為操作引起的斷路跳閘、已經(jīng)設(shè)備狀態(tài)異常、遙信狀態(tài)異常、節(jié)點(diǎn)狀態(tài)異常、鏈路狀態(tài)異常和電壓合格率異常等異?，F(xiàn)象進(jìn)行可視化告警，自動(dòng)在三維場(chǎng)景示意圖出推出告警信息，并有不同音效的提示音，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障或潛在風(fēng)險(xiǎn)。

(4)缺陷管控：系統(tǒng)設(shè)計(jì)專門的缺陷發(fā)布模塊，通過(guò)選擇XX變電站XX設(shè)備XX模塊，錄入相關(guān)的缺陷信息，包括檢測(cè)人員、歸屬班組、檢測(cè)時(shí)間和檢測(cè)結(jié)論等，并提供字段填寫處理結(jié)果，默認(rèn)為未處理，管理員可更改處理狀態(tài)，填寫處理意見(jiàn)。缺陷邏輯如圖5所示。

圖5 缺陷邏輯圖

(5)權(quán)限管控：數(shù)據(jù)庫(kù)表保存用戶權(quán)限信息，根據(jù)分配的不同權(quán)限展示不同的功能菜單。具備高級(jí)權(quán)限的管理員可操作管理頁(yè)面，可對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)記錄進(jìn)行增刪改查以及審批，并具有管理其他普通用戶的權(quán)限。普通用戶則只具備查看權(quán)限，不允許修改或者刪除記錄。

(6)數(shù)據(jù)分析：為了預(yù)測(cè)潛在風(fēng)險(xiǎn)，避免拒動(dòng)或者誤動(dòng)產(chǎn)生的后果，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)及以往的故障利用波形顯示、游標(biāo)線顯示等方式直觀展示分析結(jié)果，找出各類數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，為阻斷故障發(fā)生提供預(yù)判結(jié)果。

5 驗(yàn)證測(cè)試

本文設(shè)計(jì)的三維可視化變電站管控系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)某變電站進(jìn)行了實(shí)地部署，測(cè)試結(jié)果表明：使用人員可以全方位查看各類設(shè)備的臺(tái)賬信息、運(yùn)行狀態(tài)和告警狀態(tài)，數(shù)據(jù)顯示準(zhǔn)確，權(quán)限控制精準(zhǔn)，告警信息實(shí)時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，為普通操作人員及管理人員都帶來(lái)了極大便利。

6 總結(jié)

本文搭建了基于三維信息技術(shù)的可視化變電站管控系統(tǒng)，詳細(xì)描述了模型構(gòu)建過(guò)程，闡述了其中運(yùn)用的關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)可視化管理、可視化檢索、可視化分析與維護(hù)。打破傳統(tǒng)單純文本的管理模式，使操作人員更加直觀方便，也為管控人員決策提供了數(shù)據(jù)分析結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了變電站系統(tǒng)的智能化管控。