基于GIM模型的智能變電站二次回路三維可視化系統(tǒng)設(shè)計

章劍光，陳曉宇，朱松濤，盧 笛，董曉紅

基于GIM模型的智能變電站二次回路三維可視化系統(tǒng)設(shè)計

章劍光1，陳曉宇1，朱松濤1，盧 笛1，董曉紅2

(1.國網(wǎng)紹興供電公司，浙江 紹興 312000；2.省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點實驗室(河北工業(yè)大學(xué))，天津 300130)

由于智能變電站內(nèi)二次回路需要模擬的對象較多，并且具有時序性特征與非時序性特征，導(dǎo)致智能變電站二次回路三維可視化效果較差。基于此設(shè)計了一個基于電網(wǎng)信息模型(grid information model, GIM)模型的智能變電站二次回路三維可視化系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件部分，重點設(shè)計處理器、互感器采樣模塊與互感器采樣模塊；系統(tǒng)軟件部分，對空間數(shù)據(jù)組織與管理、幾何元素間求交計算、模型切割、模型貼合。在此基礎(chǔ)上采用GIM模型建立時序模型，完成智能變電站二次回路三維可視化系統(tǒng)的設(shè)計。實驗結(jié)果表明，所提基于GIM模型的智能變電站二次回路三維可視化系統(tǒng)不僅提高了建模幀速、可視化效率與可視化效果，所設(shè)計系統(tǒng)的可視化結(jié)果基本不存在缺陷。所設(shè)計系統(tǒng)還減少了施工變更次數(shù)、施工成本與施工周期，施工成本最大降幅接近0.5倍。因此，說明所設(shè)計系統(tǒng)提高了變電站二次回路三維可視化效果，可以滿足系統(tǒng)設(shè)計需求。

GIM模型；智能變電站；二次回路；三維可視化；時序模型

0 引言

在智能變電站中，二次回路能夠監(jiān)測一次回路中相關(guān)的運行參數(shù)，對提高變電站運行安全性有重要意義[1-2]?；谄溥@個優(yōu)點，二次回路已經(jīng)逐漸替代了傳統(tǒng)的電纜回路，因此對二次回路的監(jiān)測具有重要的研究價值。當(dāng)前，三維可視化技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到各行各業(yè)中，但是在智能變電站中還沒有系統(tǒng)地開展，并且在設(shè)計時，三維模型構(gòu)建起來比較困難。

針對二次回路三維可視化存在的問題，有較多學(xué)者進行了相關(guān)研究，文獻[3]研究了基于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞臄?shù)字化變電站虛回路三維可視化系統(tǒng)設(shè)計方法，針對變電所網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和二次回路特點，設(shè)計了數(shù)字化變電站回路三維可視化系統(tǒng)。文獻[4]研究了智能變電站二次電纜回路可視化系統(tǒng)，該系統(tǒng)建立二次回路模型，然后設(shè)定二次電纜線路的配置流程，通過可視化工具實現(xiàn)變電站二次回路的多維可視化顯示。文獻[5]研究智能變電站三維可視化系統(tǒng)，將回路模型投影，生成正投影圖。采用聚合度函數(shù)聚合投影后的回路模型，利用多叉樹混合模型建立索引并生成三維展示模型。

上述研究雖然能夠?qū)崿F(xiàn)二次回路三維可視化設(shè)計，但是可視化效果較差，已經(jīng)不能滿足二次回路三維可視化的應(yīng)用需求。電網(wǎng)信息模型(grid information model, GIM)技術(shù)能夠結(jié)合對象的時序性特征進行三維可視化模型設(shè)計，具有協(xié)同設(shè)計、信息共享等優(yōu)點?；贕IM技術(shù)的特點，設(shè)計一個基于GIM模型的智能變電站二次回路三維可視化系統(tǒng)。該系統(tǒng)設(shè)計共分為兩部分：硬件部分設(shè)計處理器、互感器采樣模塊與振動監(jiān)測儀；軟件部分主要采用GIM模型建立時序模型，從而實現(xiàn)智能變電站二次回路的三維可視化。通過上述設(shè)計可以有效解決當(dāng)前變電站二次回路三維可視化設(shè)計時存在的問題。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文研究的基于GIM模型的智能變電站二次回路三維可視化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

所設(shè)計的系統(tǒng)主要由上位機層、下位機層與中間層3個層次構(gòu)成。

上位機層。該層能夠?qū)Πl(fā)送過來的智能變電站二次回路運行數(shù)據(jù)進行分析與處理，生成三維可視化模型，并能夠展示可視化模型，為智能變電站管理提供基礎(chǔ)依據(jù)。

中間層。該層主要用于發(fā)送系統(tǒng)運行的全部數(shù)據(jù)，是整個系統(tǒng)的連接紐帶。

下位機層[6]。下位機層中包含有較多的傳感設(shè)備，能夠?qū)崟r采集系統(tǒng)內(nèi)部信息，并能夠生成模型，具有實時收集信息的功能。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本文所設(shè)計的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

從圖2中可以看出，系統(tǒng)硬件部分主要由S3C2440處理器、電源裝置、C++應(yīng)用程序、RS232通信接口、隔離器、振動監(jiān)測儀及存儲器組成。其中，S3C2440處理器是系統(tǒng)硬件的核心控制單元，也是系統(tǒng)的核心組成部分，主要負(fù)責(zé)變電站二次回路運行數(shù)據(jù)的處理；電源裝置為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源；RS232接口主要為系統(tǒng)提供通信功能；隔離器可以避免其他信號產(chǎn)生的干擾；攝像頭與振動監(jiān)測儀主要負(fù)責(zé)采集變電站二次回路運行的相關(guān)數(shù)據(jù)[7]。

2.1 處理器設(shè)計

在系統(tǒng)硬件中，將S3C2440處理器作為核心器件，該器件主要包含內(nèi)存、以太網(wǎng)卡與聲卡等[8]。該處理器具有數(shù)據(jù)通道高速與處理速度快的優(yōu)點，同時在該處理器上構(gòu)建嵌入式平臺，實現(xiàn)圖像采集功能，并能夠在圖像采集后將壓縮后的圖像傳輸至終端[9]，通過上位機顯示。

2.2 互感器采樣模塊設(shè)計

在系統(tǒng)設(shè)計中，互感器能夠連接一次回路與二次回路，采樣模塊主要由電流裝置[8]、濾波器等組成，能夠?qū)Χ螖?shù)據(jù)進一步采集，二次數(shù)據(jù)主要包括信號接口發(fā)送、接收振動強度數(shù)據(jù)、通信口運行狀態(tài)數(shù)據(jù)、接口溫度數(shù)據(jù)、面向通用對象的變電站事件(generic object oriented substation event, GOOSE)數(shù)據(jù)[10-11]、采樣值報文速度等，采集后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)蕉卧O(shè)備中。研究采用的互感器型號為AKH互感器，其額定電流比為100 A/5 A，準(zhǔn)確級為1級，本身未含有輔助電源。

2.3 振動監(jiān)測儀設(shè)計

本研究采用型號為AMS20192410的振動監(jiān)測儀，該監(jiān)測儀具有較高精確度，采用可充電鋰電池，振幅動態(tài)范圍為0～120 dB，最小頻率范圍為0～10 Hz，最大頻率范圍為0～80 Hz，內(nèi)存為1 GB，數(shù)據(jù)監(jiān)控頻率為6 s/次[12]。所采用的AMS20192410振動監(jiān)測儀搭載了Peak Vue Plus技術(shù)，可通過沖擊脈沖對虛擬二次回路的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測，并且該監(jiān)測儀的外部接線可以直接與虛擬二次回路連接，實現(xiàn)監(jiān)測信息的采集與同步處理。為了提高采集和處理信息的在線監(jiān)測精度，將測量精度設(shè)在6400線或12 800線上，提高了二次回路監(jiān)測信息的準(zhǔn)確性。虛擬二次回路監(jiān)控信息采用融合共享機制，以適應(yīng)智能變電站設(shè)備的運行狀態(tài)[13]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 空間數(shù)據(jù)組織與管理

在繪制三維可視化場景時，采用金字塔層次結(jié)構(gòu)對DEM進行分層分割[14]，以保證三維場景的繪制效率。在創(chuàng)建層次結(jié)構(gòu)時，將每個像素基于第一層采樣結(jié)果重新進行像素分割，然后再進行分組處理，從而構(gòu)成完整的金字塔層次結(jié)構(gòu)。當(dāng)場景間隔較小時，加載分辨率較高的圖像，如果場景間隔越大，則該圖像的分辨率越高，反之，該圖像的分辨率越低[15]。

3.2 變電站二次回路三維實景模型構(gòu)建

3.2.1幾何元素間求交計算

上述計算可用于判斷兩點之間的距離是否為零，如果計算結(jié)果等于0則代表空間上兩個點是重合的，否則是不重合的[19]。

點與線求交計算[20]。該計算的實質(zhì)就是對點到線的最小距離進行計算[21]，計算過程中將點記作，計算公式表示為

上述計算結(jié)果等于零，則表明點落在平面內(nèi)。

3.2.2模型切割

在實際工況下，由于變電站二次回路中有大量曲線以及曲面的相關(guān)結(jié)構(gòu)[22]，如不能正確處理，則會影響可視化效果。因此在本小節(jié)中進行模型的切割處理，模型切割的一般原則是根據(jù)模型上3個共線的點進行切割，3個不共線點構(gòu)成的平面為切割平面，一個切割平面可將模型切割為兩個部分，因此切割算法能夠?qū)⒁粋€實體至少分割為兩個[23]，其計算公式表示為

通過上述迭代計算，能夠?qū)崿F(xiàn)變電站二次回路三維實景模型的切割，直至滿足模型的構(gòu)建要求。

3.2.3模型貼合

模型貼合的主要步驟如下：

(1) 對兩個實體進行求交運算[24]，找到實體重合的頂點。由于重合頂點是成對存在的，因此僅需計算頂點對中一個頂點的位置即可，以提高運算效率。

(2) 從新的數(shù)組中選取兩個頂點，將這兩個重合的頂點連接，連接后形成一條新的邊[25]。判斷形成的邊是否與原來兩個貼合實體的邊重合，如果重合，則將原鏈表中的邊刪除。

(3) 遍歷所有頂點與原實體模型中所有的邊，如果有重復(fù)的邊則將其全部刪除。

(5) 遍歷所有頂點和邊，如果兩條半邊的頂點重合，則將這一組的半邊組合成一個新的邊，并將原來的邊刪除。根據(jù)產(chǎn)生的新頂點可以計算出貼合點位置，如式(7)。

基于上述過程得到貼合模型，通過貼合面的處理能夠生成新的面信息。

3.2.4基于GIM的三維可視化模型構(gòu)建

由于在智能變電站模型構(gòu)建中，既有時序性又有非時序性特征，為此需要進一步分析建模[28]。為了不失一般性，假設(shè)在模型構(gòu)建中某個序列隨著自變量變化而形成的序列為

在此基礎(chǔ)上，將上述序列進行微分?jǐn)M合為

數(shù)學(xué)解析式如式(10)所示。

經(jīng)上述計算，得到優(yōu)化后的GIM模型，基于上述過程建立起三維模擬場景。工作人員能夠?qū)υO(shè)備的狀態(tài)信息進行巡視，并能夠根據(jù)預(yù)設(shè)路線對智能變電站進行模擬巡視。同時可以采用鼠標(biāo)加上鍵盤的方式對視角進行控制，生動地展示變電站設(shè)備狀態(tài)信息，使巡視過程更加直觀。

4 實驗

分析所研究的基于GIM模型的智能變電站二次回路三維可視化系統(tǒng)在實際場景中的應(yīng)用效果，并將所設(shè)計系統(tǒng)與文獻[3]提出的基于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞目梢暬到y(tǒng)和文獻[4]提出的智能變電站二次電纜回路可視化系統(tǒng)進行對比。

該實驗以某220 kV智能變電站為實驗對比對象，在變電站內(nèi)設(shè)置下位機硬件設(shè)備，并采用網(wǎng)狀方式對其進行布局，避免了監(jiān)控盲點的發(fā)生。然后打開變電所內(nèi)部傳感裝置及輔助元件，采集實驗數(shù)據(jù)與圖像，并將采集到的信息傳送至上位機進行分析處理，得到實驗數(shù)據(jù)。

4.1 建模效果對比

將本文所提出的方法與基于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞皞鹘y(tǒng)二次回路可視化方法相比較，檢測模型的模擬幀速對比結(jié)果如表1所示。

表1 幀速對比

由表1可知，所提出的變電站二次回路三維可視化系統(tǒng)幀速數(shù)值非常理想，且數(shù)值都較為接近，在10個場景的可視化設(shè)計中，幀速沒有較大的波動，說明所研究的系統(tǒng)性能非常穩(wěn)定。其他兩種系統(tǒng)在模擬過程中，幀速數(shù)值變化較大，一些數(shù)值不是很接近，模擬穩(wěn)定性較提出的系統(tǒng)差。

4.2 三維可視化效率對比

分析在模擬對象數(shù)據(jù)量不斷增加的情況下，所提出的系統(tǒng)與其他兩種系統(tǒng)在變電站二次回路三維可視化設(shè)計中消耗的時間，分析所提出系統(tǒng)的建模效率，時間消耗對比結(jié)果如圖3所示。

分析圖3可知，隨著數(shù)據(jù)量增加，所提出的智能變電站二次回路三維可視化系統(tǒng)消耗的時間無明顯增長，并且所花費的時間都是最少的。將其他兩種系統(tǒng)與所設(shè)計系統(tǒng)相比可知，其他兩種系統(tǒng)均表現(xiàn)出隨著數(shù)據(jù)量增多時間也增多的現(xiàn)象，可視化效率均低于所提出的變電站二次回路三維可視化系統(tǒng)。

圖3 可視化效率對比

4.3 三維可視化效果對比

在本文研究過程中，三維可視化效果的評價主要從三維可視化清晰度、完整度兩方面進行。在該部分實驗中，將手動電控回路保護裝置作為模擬對比，對比3種系統(tǒng)在手動電控回路保護裝置上的可視化模擬效果，可視化效果的對比結(jié)果如圖4所示。

圖4 手動電控回路保護裝置模擬效果對比

由圖4可知，另外兩種系統(tǒng)模擬后的手動電控回路保護裝置在不同地方均出現(xiàn)了模糊現(xiàn)象，并且出現(xiàn)的次數(shù)較多。而所研究的系統(tǒng)在模擬設(shè)計中呈現(xiàn)出的裝置表面非常清晰，沒有出現(xiàn)模糊情況，比其他兩種系統(tǒng)的模擬效果好。

4.4 施工變更次數(shù)對比

對比所設(shè)計的系統(tǒng)與其他兩種系統(tǒng)在可視化模擬后10個場景的施工變更次數(shù)，變更次數(shù)越少說明系統(tǒng)的可視化效果越好，變更次數(shù)越多說明可視化效果越差，可視化效果與實際場景有明顯差距，對比結(jié)果如表2所示。

表2 施工變更次數(shù)對比

通過分析表2能夠發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過所研究的三維可視化系統(tǒng)設(shè)計后，沒有出現(xiàn)施工變更情況。其他兩種系統(tǒng)均發(fā)生了不同次數(shù)的施工變更情況。說明所研究的三維可視化系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確建立變電站二次回路三維實體模型，并能夠理解設(shè)備之間的空間關(guān)系，及時避免了各個設(shè)備之間的碰撞問題，從而減少了施工變更次數(shù)。

4.5 施工工程造價對比

應(yīng)用3種系統(tǒng)對10個場景三維可視化設(shè)計，對比設(shè)計后10個場景在實際中花費的成本，對比結(jié)果如表3所示。

表3 施工工程造價對比

由表3可知，經(jīng)過所研究的系統(tǒng)設(shè)計后，明顯降低了施工成本，說明所研究的系統(tǒng)可視化效果好，能夠最大限度地避免平面設(shè)計的盲區(qū)，并能夠避免設(shè)備、電路之間的碰撞問題，減少不必要資金的花費，從而降低了施工成本。而基于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞目梢暬到y(tǒng)、智能變電站二次電纜回路可視化系統(tǒng)花費的成本較多，原因可能是在可視化過程中出現(xiàn)盲區(qū)或者碰撞問題，增加施工變更情況從而增加了施工的成本。

4.6 施工周期對比

應(yīng)用3種系統(tǒng)對10個場景三維可視化設(shè)計，對比應(yīng)用3種系統(tǒng)后這10個場景的施工周期，對比結(jié)果如表4所示。

表4 施工周期對比

由表4可知，所研究系統(tǒng)的施工周期明顯少于其他兩種系統(tǒng)的施工周期，經(jīng)過所研究系統(tǒng)可視化設(shè)計后，在幾個場景的施工上都能夠有效減少施工周期，因為所研究的三維可視化系統(tǒng)設(shè)計更加方便。在設(shè)備布置發(fā)生改變時，需要對模型改變就能夠生成平面圖、剖面圖以及材料表，出圖速度更快，從而縮短了施工的時間。另兩種系統(tǒng)施工周期比本文研究的系統(tǒng)施工周期長，原因可能是三維設(shè)計時各個設(shè)備布置和電路走向不明確，出現(xiàn)變更情況，從而增加了變電站的施工周期。

綜上所述，所研究的智能變電站二次回路可視化系統(tǒng)不僅有效提高了三維可視化效果與可視化效率，而且減少了施工變更次數(shù)、施工成本和施工周期。所研究系統(tǒng)獲得較好效果的原因是：該設(shè)計方法重點設(shè)計了系統(tǒng)軟件，并將GIM模型應(yīng)用到了系統(tǒng)中，規(guī)劃了可視化流程，同時提出碰撞檢測算法，從根本上提高了三維可視化效果。

5 結(jié)語

本文主要完成智能變電站二次回路三維可視化系統(tǒng)的設(shè)計，該系統(tǒng)有效提高了二次回路可視化效果，在實際應(yīng)用中降低了施工周期、施工成本與施工次數(shù)。本文所設(shè)計系統(tǒng)的主要創(chuàng)新貢獻如下：

1) 在系統(tǒng)硬件部分將S3C2440處理器作為系統(tǒng)的核心部分，使三維可視化系統(tǒng)具有更快的響應(yīng)速度。

2) 在系統(tǒng)軟件部分，提出了碰撞檢測算法，在模型模擬后就能夠避免二次回路三維模擬時出現(xiàn)碰撞情況。

3) 將GIM模型應(yīng)用到了二次回路可視化設(shè)計中，充分考慮了二次回路的時序性特征，提高了系統(tǒng)的應(yīng)用效果。

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Design of a three-dimensional visualization system for the secondary circuit of an intelligent substation based on a GIM model

ZHANG Jianguang1, CHEN Xiaoyu1, ZHU Songtao1, LU Di1, DONG Xiaohong2

(1. State Grid Shaoxing Power Supply Company, Shaoxing 312000, China; 2.State Key Laboratory of Reliability and Intelligence of Electrical Equipment, Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China)

There are many objects to be simulated in the secondary circuit of a smart substation, and it has the characteristics of timing and non timing. This leads to the poor three-dimensional visualization. A three-dimensional visualization system of the secondary circuit of a smart substation based on a GIM model is designed. The hardware part of the system focuses on the design of processor, transformer sampling module and transformer sampling module. In the system software part, the spatial data organization and management, intersection calculation between geometric elements, model cutting and fitting are carried out. The timing model is established using the GIM model to complete the design. The experimental results show that the proposed system not only improves the modeling frame rate, visualization efficiency and effect, but also has no defects in the visualization results. It also reduces the number of construction changes, cost and period, and the maximum reduction of the construction cost is close to 0.5. Therefore it shows that the designed system improves the three-dimensional visualization and can meet the requirements of system design.

GIM model; smart substation; secondary circuit; three-dimensional visualization; time series model

10.19783/j.cnki.pspc.220111

國家電網(wǎng)公司科技項目資助(062901-DMSJY)

This work is supported by the Science and Technology Project of State Grid Corporation of China (No. 062901-DMSJY).

2022-01-25；

2022-03-14

章劍光(1970—)，男，本科，高級工程師，主要研究方向為電網(wǎng)故障診斷與規(guī)劃設(shè)計；E-mail: 83100440@qq.com

陳曉宇(1972—)，男，碩士，高級工程師，主要研究方向為電氣工程；

朱松濤(1970—)，男，本科，高級工程師，主要研究方向為電力系統(tǒng)。

(編輯 魏小麗)