變電站智能管控一體化平臺建設(shè)與應(yīng)用

陳 彪

變電站智能管控一體化平臺建設(shè)與應(yīng)用

陳 彪

（國網(wǎng)浙江杭州市富陽區(qū)供電公司，杭州 311400）

隨著三維實(shí)景建模、一鍵順控、自動巡檢、移動作業(yè)等智能運(yùn)檢新技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，傳統(tǒng)的檢修體系已不能適應(yīng)集堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)與電力物聯(lián)網(wǎng)特征于一體的變電站。本文提出一種基于信息全景可視化的變電站智慧運(yùn)檢管控體系，通過對變電站三維實(shí)景建模、電力物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)融合承載及豐富的三維可視化智能管控增值應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對變電站全站空間精確測量、一次接線圖實(shí)景對位設(shè)備三維實(shí)體、車輛模型三維實(shí)景演示、人員定位、設(shè)備異常告警三維動圖及電力物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與對比等功能，提升變電站運(yùn)維檢修、設(shè)備管控及人員管理效率。

智慧運(yùn)檢；電力物聯(lián)網(wǎng)；三維實(shí)景建模；大數(shù)據(jù)

0 引言

隨著國家電網(wǎng)公司電網(wǎng)建設(shè)進(jìn)入一個(gè)新時(shí)期，智能電網(wǎng)、變電站設(shè)備運(yùn)行的復(fù)雜程度顯著增大，集堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)與電力物聯(lián)網(wǎng)特征于一體的變電站智能化運(yùn)檢管控體系顯得越來越重要。如何快速建設(shè)變電站智能管控一體化平臺，實(shí)現(xiàn)資源調(diào)配，形成典型規(guī)范的管理流程，實(shí)現(xiàn)科學(xué)規(guī)范的企業(yè)管理，對整體項(xiàng)目進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃和控制，從而在安全管理、質(zhì)量管控等方面取得顯著提高，使得企業(yè)能最大限度地適應(yīng)現(xiàn)代化社會發(fā)展，成為電力企業(yè)管理提升的熱點(diǎn)[1]。

目前，國內(nèi)外針對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和變電站的智能化運(yùn)檢管控體系已經(jīng)開展了一系列的研究。文獻(xiàn)[2]介紹了一套變電站設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)智能監(jiān)控系統(tǒng)，集成目前監(jiān)控系統(tǒng)所有數(shù)據(jù)及運(yùn)行環(huán)境數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)變電站設(shè)備狀態(tài)的全景監(jiān)控和綜合分析，提升設(shè)備狀態(tài)評估效率。文獻(xiàn)[3]提出了閥廳內(nèi)裝設(shè)紅外智能監(jiān)測系統(tǒng)，可以對閥廳內(nèi)重要設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)紅外熱像及可見光視頻監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)自動測溫功能及高溫報(bào)警功能。文獻(xiàn)[4]構(gòu)建了智能運(yùn)檢管控體系進(jìn)行統(tǒng)籌有序管理，介紹了特高壓直流輸電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的現(xiàn)狀、存在的問題及智能運(yùn)檢管控體系構(gòu)建方案。文獻(xiàn)[5]針對±500kV高壓變電站中的直流側(cè)金屬氧化物避雷器設(shè)計(jì)了一種在線監(jiān)測系統(tǒng)，對避雷器的泄漏電流和雷擊動作次數(shù)等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并運(yùn)用現(xiàn)代數(shù)字信號處理算法對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析和診斷。文獻(xiàn)[6]從電力系統(tǒng)發(fā)展歷程和面臨的問題出發(fā)，分析建設(shè)電力物聯(lián)網(wǎng)的意義及其實(shí)施策略，提出可能遇到的關(guān)鍵問題。文獻(xiàn)[7]對電力物聯(lián)網(wǎng)的概念、體系架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行梳理和綜述，并分析討論其在配電系統(tǒng)中的典型應(yīng)用。文獻(xiàn)[8]在分析電力物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，針對輸電、變電和配電三種不同電力設(shè)備的運(yùn)行特點(diǎn)，分析了其對應(yīng)的監(jiān)測需求，同時(shí)構(gòu)建了三種不同類型的物聯(lián)網(wǎng)建設(shè) 方案。

本文提出的基于三維技術(shù)的變電站實(shí)景管控系統(tǒng)，將基于精確空間坐標(biāo)信息的三維實(shí)景彩色點(diǎn)云掃描重構(gòu)技術(shù)引入變電站綜合管控之中，打造電力物聯(lián)網(wǎng)感知融合智能生態(tài)圈，結(jié)合現(xiàn)有的輔助監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控（supervisory control and data acquisition, SCADA）系統(tǒng)、設(shè)備管理體系（plant management system, PMS）臺賬等各類電力數(shù)據(jù)，構(gòu)建交互性好、真實(shí)精確的沉浸式變電站三維全景可視化平臺，同時(shí)使站內(nèi)的生產(chǎn)調(diào)度、運(yùn)行維護(hù)、督導(dǎo)管理方式發(fā)生巨大的變化。

1 現(xiàn)狀分析

隨著全球能源互聯(lián)網(wǎng)的推廣，交、直流電網(wǎng)飛速發(fā)展，電力物聯(lián)網(wǎng)體系的建設(shè)不斷深入和優(yōu)化，變電站的運(yùn)行設(shè)備不斷增多，變電站運(yùn)維工作人員日常維護(hù)工作的難度也相應(yīng)增加[9]。各種在線監(jiān)測系統(tǒng)、智能電氣設(shè)備、輔助控制系統(tǒng)、電力機(jī)器人巡檢系統(tǒng)等所產(chǎn)生的電力大數(shù)據(jù)，以及數(shù)據(jù)互聯(lián)互通的橫向到邊、縱向到底的結(jié)構(gòu)學(xué)特性涌現(xiàn)，從而衍生出適應(yīng)智能電力應(yīng)用的、以電力系統(tǒng)、電氣設(shè)備為核心的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)融合需求。變電站智能管控一體化平臺摒棄了原先單一系統(tǒng)、孤立數(shù)據(jù)形成的信息孤島，建立能夠?qū)崿F(xiàn)物物相連，縱貫感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層、應(yīng)用層，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合共享的承載平臺、更為友善的人機(jī)界面及感知適應(yīng)場景變化的臨境能力[10]。

2 系統(tǒng)建設(shè)

客觀世界中的物體多以三維立體的形式展現(xiàn)，包含外形特征、表面紋理等信息。傳統(tǒng)的建筑物模型制作所需要的空間信息多是采用全站儀測點(diǎn)、測距儀鋼卷尺測邊、照相機(jī)拍照貼圖等技術(shù)手段完成，但由于獲取數(shù)據(jù)的局限性，難以得到貼合實(shí)際相應(yīng)比例的建筑物三維模型[11]。

本文通過對變電站激光雷達(dá)彩色掃描，采用三維實(shí)景建模、電力物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)融合承載及豐富的三維可視化智能管控增值應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對變電站全站空間精確測量、一次接線圖實(shí)景對位設(shè)備三維實(shí)體和車輛模型三維實(shí)景演示、人員定位、設(shè)備異常告警三維動圖及電力物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與對比等功能。變電站三維實(shí)景管控系統(tǒng)部署架構(gòu)如圖1所示。

2.1 三維實(shí)景重構(gòu)

三維實(shí)景技術(shù)又稱實(shí)景虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的最新分支。它是采用專業(yè)的數(shù)碼相機(jī)對選定的場景進(jìn)行多角度拍攝，然后再對拍攝的照片進(jìn)行后期縫合的一種三維虛擬展示技術(shù)。與傳統(tǒng)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過對實(shí)物進(jìn)行三維建模來實(shí)現(xiàn)模擬所不同的是，三維全景技術(shù)通常采用真實(shí)場景的實(shí)景圖片來搭建整個(gè)虛擬空間，其仿真度更高、沉浸感更為強(qiáng)烈[12]。

變電站三維實(shí)景管控系統(tǒng)應(yīng)用激光掃描、點(diǎn)云建模技術(shù)，基于融合式三維引擎實(shí)現(xiàn)全維度空間實(shí)景重構(gòu)。變電站三維實(shí)景管控系統(tǒng)如圖2所示。

2.2 電力物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)融合

變電站三維實(shí)景管控系統(tǒng)可融合承載電力物聯(lián)網(wǎng)各類數(shù)據(jù)，如Ⅰ區(qū)綜合自動化管理系統(tǒng)，Ⅱ區(qū)在線監(jiān)測系統(tǒng)、PMS，Ⅳ區(qū)視頻圖像系統(tǒng)等，通過正向隔離裝置接入Ⅳ區(qū)變電站三維實(shí)景管控系統(tǒng)，基于電力規(guī)約可以在具備數(shù)據(jù)中心的局端平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)一對接，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)站端數(shù)據(jù)、云平臺、第三方數(shù)據(jù)平臺等多源數(shù)據(jù)的集成。通過三維可視化融合承載，賦予場景中所有設(shè)備或物聯(lián)網(wǎng)前端傳感器豐富的表現(xiàn)含義，實(shí)現(xiàn)以設(shè)備為中心、物物相連的電力數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化融合展示。

1）一次設(shè)備在線監(jiān)測數(shù)據(jù)融合

將各種在線監(jiān)測設(shè)備整合到變電站三維實(shí)景現(xiàn)實(shí)平臺中，為系統(tǒng)跨平臺巡視、分析、診斷、預(yù)警提供快速便捷的有效方式。將在線監(jiān)測設(shè)備按真實(shí)場景位置融入變電站三維實(shí)景管控系統(tǒng)中，直觀、便捷地展示實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)，在線監(jiān)測數(shù)據(jù)展示如圖3所示。

圖1 變電站三維實(shí)景管控系統(tǒng)部署架構(gòu)

圖2 變電站三維實(shí)景管控系統(tǒng)

2）視頻監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合

將視頻監(jiān)控系統(tǒng)變電站前端采集物聯(lián)網(wǎng)傳感器的攝像機(jī)數(shù)據(jù)融入三維場景中，并按照真實(shí)場景中的位置在三維實(shí)景中展示，迅速進(jìn)行符合電力物聯(lián)網(wǎng)物物相連的相應(yīng)關(guān)聯(lián)綁定，只需點(diǎn)擊攝像頭，即可展示實(shí)時(shí)拍攝的圖像信息，如果站內(nèi)布置云臺機(jī)，還可以在場景中控制球機(jī)對拍攝的圖像進(jìn)行方位的切換，同時(shí)對圖像可以進(jìn)行截圖保存等操作，用于提取編輯。

圖3 在線監(jiān)測數(shù)據(jù)展示

3）PMS臺賬數(shù)據(jù)融合

在初期，將PMS設(shè)備臺賬數(shù)據(jù)通過離線拷貝的方式接入三維實(shí)景模型中，從而在三維實(shí)景中直觀展示設(shè)備的臺賬信息，PMS設(shè)備臺賬信息展示如圖4所示。

圖4 PMS設(shè)備臺賬信息展示

4）巡檢機(jī)器人數(shù)據(jù)融合

2.3 功能應(yīng)用

1）統(tǒng)計(jì)比對功能應(yīng)用

基于歷史數(shù)據(jù)，可根據(jù)時(shí)間、數(shù)據(jù)類型、統(tǒng)計(jì)規(guī)則快速檢索和統(tǒng)計(jì)，支持統(tǒng)計(jì)結(jié)果的快捷保存?？蛇x擇具體設(shè)備及其需比對的設(shè)備屬性，形成按時(shí)間軸展開的數(shù)據(jù)對比曲線，支持多個(gè)設(shè)備數(shù)據(jù)的對比功能，曲線圖支持局部放大查看，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與數(shù)據(jù)對比如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與數(shù)據(jù)對比

2）設(shè)備異常動圖告警功能應(yīng)用

在變電站三維實(shí)景管控系統(tǒng)中能實(shí)時(shí)同步設(shè)備告警狀態(tài)，一旦設(shè)備出現(xiàn)告警會在三維平臺中進(jìn)行標(biāo)識，提供直觀動圖查看方式。

3）遠(yuǎn)程空間測量功能應(yīng)用

變電站的現(xiàn)場勘查需要耗費(fèi)較大的人力等成本，在檢修作業(yè)前多次的現(xiàn)場勘查不但耗費(fèi)大量時(shí)間，而且效率低下。在三維場景中進(jìn)行遠(yuǎn)程勘查，可調(diào)取測量工具執(zhí)行空間測量（包括手動測量、對地測距和角度測量），執(zhí)行尺寸檢查、編輯、刪除等操作；身臨其境地對現(xiàn)場進(jìn)行查看和測量，然后進(jìn)行現(xiàn)場作業(yè)的決策、精確評估，利用精確的空間距離信息可實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場立體場景中各種空間操作的計(jì)算評估，大大提高工作效率，遠(yuǎn)程距離勘測如圖6所示。

圖6 遠(yuǎn)程距離勘測

4）車輛模型實(shí)景演示功能應(yīng)用

從車輛庫中調(diào)取車輛模型導(dǎo)入三維場景中能操作車輛前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)，可調(diào)節(jié)吊車和登高車的轉(zhuǎn)臺角度、吊臂角度和吊臂長度，車輛頂端可執(zhí)行距離檢測，用不同半徑的球面進(jìn)行展示。當(dāng)檢測到有空間碰撞，提供告警提示。

5）人員安全管控功能應(yīng)用

人員實(shí)時(shí)管理是變電站管理工作中的一個(gè)盲點(diǎn)，在一些大型項(xiàng)目中往往出現(xiàn)施工人員實(shí)時(shí)督查難，現(xiàn)場帶班人員敷衍職責(zé)等問題，現(xiàn)場管理水平低下是目前變電站內(nèi)發(fā)生作業(yè)事故的一個(gè)重要 原因。

為加強(qiáng)人員到崗情況動態(tài)考核，監(jiān)督現(xiàn)場工作情況，通過人員定位模塊，采用載波相位差分技術(shù)（real-time kinematic, RTK），實(shí)現(xiàn)高精度定位，可實(shí)時(shí)獲取場所內(nèi)工作人員的位置信息，并在變電站三維實(shí)景管控系統(tǒng)中實(shí)時(shí)展示；基于平臺配置的告警策略，還能實(shí)現(xiàn)對定位人員的任務(wù)路線監(jiān)控和危險(xiǎn)作業(yè)的告警提醒，保障人員安全、作業(yè)安全、設(shè)備安全[10]。

圖7為現(xiàn)場人員平臺展示，基于三維實(shí)景，實(shí)時(shí)獲取全景范圍人員精確分布，人員位置一目了然，能夠直觀獲取在場人員信息，支持快速定位人員所在場景，提供人員定位相關(guān)報(bào)警功能，實(shí)現(xiàn)全局 掌控。

圖7 現(xiàn)場人員平臺展示

運(yùn)維人員可在變電站三維實(shí)景管控系統(tǒng)中設(shè)立電子防護(hù)欄，建立危險(xiǎn)區(qū)域和安全區(qū)域。危險(xiǎn)區(qū)域不許人員進(jìn)入，安全區(qū)域不許人員離開，可根據(jù)不同的安全和作業(yè)需求來編輯該區(qū)域具體信息（如設(shè)備帶電危險(xiǎn)區(qū)域、安全距離、現(xiàn)場作業(yè)安全區(qū)域等）、起止時(shí)間，并以不同的顏色區(qū)別顯示。當(dāng)工作人員出現(xiàn)違規(guī)行為時(shí)發(fā)出警示，保障工作人員的人身 安全。

3 結(jié)論

本文通過建設(shè)與應(yīng)用基于信息全景可視化的變電站智能管控一體化平臺，在建立設(shè)備和場景三維物理模型、可視化狀態(tài)檢測、模擬培訓(xùn)的基礎(chǔ)上，建立了涵蓋變電站設(shè)計(jì)、運(yùn)營、事故等的臨境式站所管控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)變電站運(yùn)行設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測和故障原因的快速查找和處理。通過平臺內(nèi)統(tǒng)計(jì)比對、設(shè)備異常動圖告警、車輛模型實(shí)景演示等功能的應(yīng)用，提升了運(yùn)維檢修、設(shè)備管控及人員管理效率。

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Construction and application of intelligent operation inspection and control system for converter station

CHEN Biao

(Zhejiang Hangzhou Fuyang Power Supply Company, Hangzhou 311400)

New technologies such as three-dimensional real-world modeling, one-key sequence control, automatic inspection and mobile operations have begun to develop and apply. The traditional maintenance system can no longer adapt to the substation that combines the characteristics of a strong smart grid and power Internet of Things. This paper proposes a substation intelligent operation inspection and control system based on information panoramic visualization. This system establishes a three-dimensional real-world model of the substation, applies the power Internet of Things big data fusion bearer, and applies three-dimensional visualized intelligent management and control. In this way, the functions of accurate measurement of the entire substation space, real-time display of wiring diagrams, three-dimensional physical display of alignment equipment, three-dimensional real-life demonstration of vehicle models, personnel positioning, three-dimensional animation of equipment abnormal alarms, and power Internet of Things data statistics and comparison are realized. It improves the efficiency of substation operation and maintenance, equipment control and personnel management.

intelligent operation and maintenance; power Internet of Things; three-dimensional scene modeling; big data

2020-12-15

2020-12-30

陳 彪（1969—），男，本科，高級工程師，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)及其自動化。