智能變電站二次系統(tǒng)三維數字化設計與裝配關鍵技術

劉清泉,李鐵成,王獻志,任江波,趙宇皓

(1.國網河北省電力有限公司電力科學研究院,河北 石家莊 050021;2.國網河北省電力有限公司,河北 石家莊 050021)

0 引言

電網三維數字化設計是對建模技術、信息技術、網絡技術的一次集成創(chuàng)新,有利于優(yōu)化設計、施工安裝和生產運維,提升電網工程全壽命周期本質安全水平,是建設智能電網的重要技術支撐。三維技術可以實現(xiàn)電網全信息仿真,具備數字化、可視化特點,可以有效提高工程建設、運檢管理水平,同時為構建數字電網奠定基礎[1-3]。

在國內以三維信息技術為基礎,進行變電工程的數字化設計已進入推廣階段,國家電網有限公司相關部門已陸續(xù)發(fā)布電網工程的數字化設計移交規(guī)范[4-5],但變電站二次系統(tǒng)的三維設計規(guī)范尚未建立,目前圍繞變電站二次系統(tǒng)三維設計方面已有一些學者開展了相關工作。文獻[6]提出了基于公共信息模型(Common Information Model,CIM)的變電站三維可視化信息交互技術,該技術能夠解決傳統(tǒng)方式下設備信息展示不直觀及交互困難等問題,但對三維場景的構建仍然使用傳統(tǒng)碰撞方式,對二次系統(tǒng)適應性不強。文獻[7]提出了基于變電站端子排圖、電纜清冊等信息的三維設計方法,該方法需要收集大量原始資料,且建模過程耗時耗力,效率不高。文獻[8]提出了二次專業(yè)與其他專業(yè)協(xié)同的設計方案,該方案雖然能夠全面考慮二次系統(tǒng)三維設計,但對設計軟件的兼容度以及各部門的協(xié)調性要求較高,不利于實際實施。文獻[9]采用虛擬現(xiàn)實技術的三維設計方法,但該方法不利于所建模型的擴展與維護,一旦變電站結構改變,所有與之關聯(lián)的設計都需修改,給系統(tǒng)維護和更新帶來困難。文獻[10-11]著重研究了三維模型在二次系統(tǒng)智能運檢中的應用,但對如何快速有效地建立三維模型沒有具體闡述,無法為設計人員提供有效的建模方法。

針對以上研究內容的不足,本文以智能變電站二次系統(tǒng)多個關鍵模型文件為切入點,通過對二次模型文件的應用整合分析,研究模型文件與三維設計之間關系,提出基于擴展模型的三維裝配技術,包括標準族庫技術、文件解析技術以及自動成圖技術,該技術能夠實現(xiàn)變電站二次系統(tǒng)三維模型的高效集成,模型實物與邏輯關系的耦合,為三維模型在二次系統(tǒng)中的仿真分析、在線監(jiān)測和故障診斷等高級應用奠定基礎。

1 二次系統(tǒng)三維數字化設計整體思路

智能變電站三維數字化設計模型的建立最終以二次專業(yè)實際應用場景為目的,從而在仿真分析、在線監(jiān)測和故障診斷方面為運維人員提供更加直接高效的手段?，F(xiàn)階段智能變電站信息交互模型的建立基于Q/GDW 396-2009《IEC 61850工程繼電保護應用模型》(簡稱“IEC 61850”),該標準對智能變電站智能電子設備(Intelligent E-lectronic Equipment,IED)的交互語言和信息交互方式進行了詳細規(guī)范[12],智能變電站二次系統(tǒng)正常運維均基于二次系統(tǒng)模型文件,其中關鍵模型包括全站系統(tǒng)配置(Substation Configuration Description,SCD)、系統(tǒng)規(guī)范描述(System Specification Description,SSD)以及電網信息模型(Grid Information Model,GIM)等文件。

本文三維數字化設計以上述3個核心模型文件為基礎進行構建與應用,如圖1所示。對智能變電站3類模型文件進行應用分析,構建二次設備三維數字化設計的內在聯(lián)系機理。其中,SCD模型文件為二次設備三維模型之間的通信提供邏輯連接信息;SSD模型文件為一二次設備三維模型之間的關聯(lián)提供層級屬性信息;GIM模型文件為二次系統(tǒng)三維模型的移交與應用提供文檔信息。以上述模型文件為基礎,通過研究二次設備三維模型標準族庫技術、文件解析技術以及自動成圖技術,從而完成二次設備三維外在可視化模型。在對二次系統(tǒng)三維數字化設計的基礎上,通過研究二次系統(tǒng)三維模型與運行信息接口技術、在線監(jiān)測與診斷技術,從而完成二次系統(tǒng)三維模型在實際運維中的高級應用。

圖1 二次系統(tǒng)三維數字化設計思路

2 二次系統(tǒng)關鍵模型文件應用分析

2.1 SCD文件應用分析

智能變電站SCD模型文件基于IEC 61850規(guī)范,以XML語言編制,它規(guī)定了智能變電站內部IED之間的信息共享交互操作。基于文獻[13]介紹的方法,解析SCD文件,獲取變電站內各IED之間的通信關系,包括IED模型信息、子網分配信息以及虛回路信息。SCD文件包含5個元素,分別為:信息頭(Header)、變電站描述(Substation)、智能電子設備描述(IED)、通信系統(tǒng)描述(Communication)和數據類型模板(Data Type Template)[13]。同時SCD文件按照IEC 61850規(guī)范建立了3種信息服務模型:制造報文規(guī)范(MMS)、通用面向變電站時間對象(GOOSE)和采樣值(SV)。MMS信息以標準化格式為主站上送各IED設備運行維護信息,GOOSE信息包含了IED之間及IED與智能終端之間的交互信息,SV信息包含了IED設備與合并單元之間的采樣值。

通過解析不同IED節(jié)點下LN0內的GOOSE控制塊節(jié)點,Inputs、SV控制塊節(jié)點信息,即可獲取該IED設備關于GOOSE/SV的虛回路信息,如圖2所示,包含了保護裝置之間的失靈跳閘信息、保護裝置的電壓電流采樣信息以及保護裝置的跳閘信息等。

圖2 SCD虛回路連接

SCD模型文件可以為二次系統(tǒng)三維模型之間的信息傳輸提供邏輯關系描述,IEC 61850提供了IED設備端口之間的光纖物理連接關系,通過獲取IED設備之間邏輯回路關系與實際光纖進行匹配,可以實現(xiàn)二次系統(tǒng)在三維模型中的虛實關聯(lián)映射。

2.2 SSD文件應用分析

智能變電站SSD文件描述了變電站一次系統(tǒng)結構以及相關聯(lián)的邏輯節(jié)點,為設備屬性及連接關系提供了有效的依據,同時對系統(tǒng)一二次設備關系進行了詳細描述,能夠通過配置工具實現(xiàn)系統(tǒng)的圖形化。文獻[14]描述了SSD文件結構,其主要包括的對象模型:變電站(Substation)、電壓等級(VoltageLevel)、變壓器(Power Transformer或 Transformer)、間隔(Bay)、設備(E-quipment)、子設備(Sub Equipment)、功能(Function)、連接節(jié)點(Connectivity Node)、端點(Terminal)、邏輯節(jié)點(LNode)等。

SSD文件描述了變電站一次設備以及二次裝置的模型,建立了“電網·變電站·間隔·設備·部件·屬性”層級結構,并對電網一次設備進行了參數設置。SSD文件遵循Q/GDW 11662-2017《智能變電站系統(tǒng)配置描述文件技術規(guī)范》的要求,建立了電網一次設備圖元,在工程中應采用基于間隔(Bay)的建模方法,即把設備或功能根據其關聯(lián)關系或功能關系組織到一系列的間隔中。

完成一次設備間隔建模后進行一二次關聯(lián),對LNode的屬性lnClass、ied Name等進行賦值,一二次設備按照以下規(guī)則建立關聯(lián)關系:

a.二次設備中的功能和信息通過邏輯節(jié)點實現(xiàn)與一次設備的關聯(lián),將保護設備邏輯節(jié)點LPHD配置關聯(lián)到對應一次設備;

b.所有與一次設備相關聯(lián)的四遙數據,通過所在邏輯節(jié)點關聯(lián)到對應的一次設備的對象中;

c.所有與一次設備相關聯(lián)的保護動作信息和定值信息等,通過所在邏輯節(jié)點關聯(lián)到對應的一次設備對象中;

d.所有與一次設備相關聯(lián)的過程層信息,通過所在邏輯節(jié)點關聯(lián)到對應的一次設備的對象中。

通過上述過程,實現(xiàn)了一次設備與二次設備二維圖形的關聯(lián),如圖3所示。利用圖模一體化技術實現(xiàn)一二次設備的圖形化展示。

圖3 一次設備與二次節(jié)點關聯(lián)

因此,在二次設備三維模型的構建中,為使裝配過程盡量簡單,本文采用圖模一體化技術,在一次設備可視化組件構造的過程中關聯(lián)二次設備的三維模型,保證設備的二維模塊與三維模塊狀態(tài)保持一致。

2.3 GIM文件應用分析

GIM主要應用于輸變電工程的設計與建造[15],本文針對國家電網有限公司GIM規(guī)范進行了二次系統(tǒng)內容的擴充,其中包括各廠家的保護裝置、智能終端、合并單元、測控裝置、交換機、安穩(wěn)裝置、錄波器等二次設備以及相關的二次附屬元件。例如對于二次保護裝置規(guī)定了“保護裝置模型幾何細度”、“保護裝置工程信息”以及“保護裝置屬性細度”。

建立的變電站二次系統(tǒng)三維模型按照國家電網有限公司GIM標準格式進行移交,如圖4所示,模型包括:數字高程模型(*.mod)、工程模型(*.cbm)、物理模型(*dev)、組合模型(*.phm)。

圖4 GIM移交模型組成

通過規(guī)范的GIM進行移交,可以實現(xiàn):

a.數據規(guī)范性檢查。包括三維模型完整性檢查、GIM格式的規(guī)范性檢查、三維模型與設計圖紙的一致性檢查。

b.模型可視化編輯。對已建立的三維模型進行可視化查看,顯示建成的二次系統(tǒng)的三維模型,可對模型中錯誤部分進行修改。

c.模型變動過程管控。通過對模型進行規(guī)范性審查和一致性校驗,將模型進行存檔管理,當現(xiàn)場存在變動時及時修改入庫模型,并進行標記,保證入庫模型與現(xiàn)場一致。

3 二次系統(tǒng)三維模型裝配關鍵技術

為了提升二次系統(tǒng)三維設計的效率與質量,確保三維模型設計的完整性,如圖5所示,本文以面向對象的方式開發(fā)二次系統(tǒng)標準族庫與材料庫,對二次模型文件進行三維信息擴展,研究模型文件識別解析技術、自動組屏與編輯技術從而實現(xiàn)二次系統(tǒng)三維模型的自動裝配。

圖5 二次系統(tǒng)三維建模流程

3.1 三維元件族庫與材料庫技術

本文二次系統(tǒng)采用Autodesk Revit軟件[16]進行三維建模,建立包含二次屏柜和二次附屬元件族庫,其中二次附屬元件包括:壓板、按鈕、指示燈、空開、端子排、把手、光纖、配線架。所有二次間隔屏柜和二次設備附屬元件的基本屬性信息均包括名稱、類型、基本形狀和按標準比例縮放的尺寸,其中族庫中還包括了元件的不同狀態(tài)。

為了快速、準確創(chuàng)建三維模型,根據不同廠家、不同型號二次設備建立已封裝完備的二次設備材料庫。材料庫包含不同廠家、不同型號二次設備的三維模型,三維模型包含了二次設備的廠家信息、型號信息、保護類型信息、裝置插件信息、三維空間信息。材料庫中二次設備三維模型如圖6所示。

圖6 材料庫中合并單元模型

3.2 二次模型三維信息擴展

由于現(xiàn)階段智能變電站二次模型文件不包含相關的三維信息,因此基于變電站SSD文件,對其進行擴展,完善了二次設備的三維屬性信息,為三維模型構建提供模型支撐,同時能夠保證變電站二次設備二維信息與三維信息的一致性。

針對SSD文件中描述的一二次設備層級結構,建立了二次小室(room)、二次屏柜(cabinet)、二次附屬元件(unit)在內的屬性信息,形成了“電網·廠站·小室·間隔·屏柜·裝置·屬性”完整的層級結構。

在三維空間信息方面,二次屏柜在小室內的具體位置采用空間坐標系(X,Y,Z)來描述,對于二次裝置及附屬元件采用相對于坐標(F層級,U層級,L層級)的方式來描述,其中,用F表示從前往后排列的層級,用U表示從上往下排列的層級,用L表示從左往右排列的層級,進而完成屏柜、裝置及元件空間位置信息的屬性添加,如圖7所示。

圖7 擴展的SSD模型文件

3.3 模型解析與自動組屏技術

該文采用基于文檔對象模型(Document Object Model,DOM)的解析方法對擴展SSD文件進行解析[17]。該方法將整個SCL文件內容一次性讀入內存,配置文件信息被轉化成對象節(jié)點樹,從而提取二次小室、二次屏柜、二次裝置及元件的屬性(attribute)和空間位置(position)信息。對智能變電站SCD模型文件進行解析,得出二次設備之間的邏輯連接關系以及光纖、電纜之間連接地址。

根據電氣二次設計的基本規(guī)則,系統(tǒng)邏輯數據中的編號在同級目錄下具有唯一性原則,通過模型解析結果,根據映射的標準模塊化族庫中的模塊族,提取系統(tǒng)設計中二次設備族模型。利用模型文件中屏柜箱體、電纜光纖的邏輯關系,以及柜體、元件、設備、接線的編號屬性信息,由外層柜體到內部裝置、端子排設備進行組建,調用匹配的模塊族,分析其位置布局,自動生成二次系統(tǒng)的三維模型,最終生成變電站二次系統(tǒng)三維模型的GIM文件進行移交驗收,整體流程如圖8所示。

圖8 基于擴展模型文件的三維建模流程

4 應用案例

本文提出的二次系統(tǒng)三維模型裝配技術在河北省220 k V秋山變電站開展了試點應用,取得了良好的效果,證明了該方法的可行性與有效性。

4.1 二次系統(tǒng)三維建模規(guī)范起草

結合國家電網有限公司GIM規(guī)范以及《輸變電工程變電站(換流站)三維設計建模規(guī)范》、《架空輸電線路的三維設計建模規(guī)范》,通過對智能變電站二次系統(tǒng)特點研究,起草了《變電站二次系統(tǒng)三維建模技術規(guī)范》(草案),二次系統(tǒng)三維建模技術方案的建模范圍包含屏柜及裝置、安防系統(tǒng)、火災報警系統(tǒng)、蓄電池組、預制艙5個大類,以及保護裝置等18個小類,進一步完善了電網三維模型規(guī)范內容,為試點變電站三維模型的建立提供了規(guī)范依據。

4.2 試點站二次系統(tǒng)三維模型建立

a.本文使用Autodesk Revit軟件進行智能變電站二次系統(tǒng)三維建模,通過STD-R賦值設備屬性,形成具有普適性的標準屏柜箱體、裝置設備、端子排、元器件、電纜光纖模塊化族庫,并進行效果渲染,為試點變電站的三維模型建立奠定基礎。變電二次系統(tǒng)通用模型族庫可重復載入到任意模型工程項目中,作為變電站二次系統(tǒng)三維模型的資源積累,實現(xiàn)了三維模型資源重復利用,減少建模工作量,提高建模工作效率。

b.對220 k V秋山變電站SSD模型文件進行三維信息擴展,通過對秋山變電站各電壓等級小室、屏柜位置實際測量,確定各個屏柜位置信息,進行設備參數化設置,同時確定各個二次裝置及附屬元件的相對位置,完成三維信息的添加;對220 k V秋山變電站SCD模型文件進行解析,確定過程層以及間隔層各個IED設備的邏輯信息連接,構建整站虛回路與實回路映射。

c.根據建立的擴展SSD文件二次設備三維屬性的解析以及SCD文件中的設備連接關系,結合標準設備材料庫和標準模塊化族庫的關聯(lián)信息,進行模型集成設計,實現(xiàn)秋山變電站工程設計階段中二次三維模型屏柜箱體的實例化,如圖9所示。

圖9 秋山變電站二次屏柜及匯控柜三維模型

d.將秋山變電站三維模型應用于三維全景可視化,可視化數據支撐包含擴展SSD模型文件、標準SVG圖形文件、標準GIM文件、在線監(jiān)測實時監(jiān)測數據。三維引擎展示技術通過解析標準GIM文件,進行變電站三維全景的可視化展示;與在線監(jiān)測系統(tǒng)平臺通過TCP協(xié)議和接口訪問技術進行集成,當監(jiān)測到故障信息時與三維引擎進行接口交互和展示,實現(xiàn)在三維場景下的全景感知與故障定位[1820],如圖10-11所示。

圖10 二次系統(tǒng)三維在線監(jiān)視

圖11 三維模型故障定位

220 k V秋山變電站采用本文提出的三維建模方法實現(xiàn)了二次系統(tǒng)三維模型的快速建立,由于三維模型的建立基于二次系統(tǒng)模型文件,從而保證了三維模型與二維模型的一致性,同時保證了三維在線監(jiān)視信息與變電站實際運行信息的一致性,實現(xiàn)了智能變電站二次系統(tǒng)仿真分析、在線監(jiān)測以及故障診斷在三維場景下的有效應用,為工作人員提供更加友好直觀體驗,大幅提升二次系統(tǒng)運維效率。

5 結束語

本文介紹了一種智能變電站二次系統(tǒng)三維裝配技術。針對現(xiàn)階段二次系統(tǒng)三維建模研究現(xiàn)狀進行了具體的分析,指出已有裝配技術的不足,提出了基于變電站二次系統(tǒng)模型文件的三維模型裝配技術。該方法在設計過程中充分考慮了一次設備與二次設備的關聯(lián),邏輯回路與實回路的映射,通過運用標準族庫技術、文件解析技術以及自動成圖技術,實現(xiàn)三維模型實物與邏輯關系的耦合,保證變電站在運行過程中的安全性以及改擴建工程的擴展性,通過試點案例驗證了該技術的有效性。隨著能源互聯(lián)網建設的進一步推進,電網數字化轉型要求進一步提升,三維數字化技術有效契合數字化主動電網技術特征,對推動數字化主動電網的建設起到重大的示范作用。