基于三維模型的變電站智能輔助控制系統(tǒng)設(shè)計

劉強, 羅業(yè)雄, 陳璨, 高軒, 王鵬洋, 王林林

(1.廣東電網(wǎng)能源發(fā)展有限公司, 廣州 510160; 2.北京博超時代軟件有限公司, 北京 100001)

隨著國家電網(wǎng)公司智能電網(wǎng)規(guī)模的逐年擴大,各區(qū)域智能變電站協(xié)調(diào)管控、防自然災(zāi)害、防外力破壞的難度將日益增大。因此智能輔助控制系統(tǒng)建設(shè)技術(shù)的發(fā)展應(yīng)當緊緊圍繞強化本質(zhì)安全的核心目標,同時遵循變電站全壽命周期管理理念。通過加快研究更為科學(xué)、先進的智能輔助控制系統(tǒng)模塊化建設(shè)技術(shù),以不斷提高智能變電站設(shè)備運行環(huán)境與公共安全狀態(tài)的遠程監(jiān)測及智能化防控能力[1]。當下,如何進一步深刻理解“大運行、大檢修”模式對智能輔助控制系統(tǒng)的功能建設(shè)需求,是當今需要重點攻克的課題。

三維可視化平臺厘清了智能輔助控制系統(tǒng)中場景控制策略、設(shè)備參數(shù)選擇要求、設(shè)備配置數(shù)量要求、設(shè)備布置原則4個關(guān)鍵設(shè)計輸入元素之間較為復(fù)雜的交集關(guān)系。三維設(shè)計能夠根據(jù)變電站各個設(shè)備結(jié)構(gòu)構(gòu)建幾何模型和構(gòu)件模型,提升變電站整體模型顯示的完整性和直觀性,為變電站智能輔助控制系統(tǒng)穩(wěn)定運行提供保障[2]。在前端設(shè)備效能仿真、二維圖紙自動生成、設(shè)備布置和線纜敷設(shè)設(shè)計方面,應(yīng)用三維可視化平臺進行設(shè)計的質(zhì)量與效率達到傳統(tǒng)計算機輔助設(shè)計(computer aided design,CAD) 難以企及的高度,解決了二維設(shè)計無法進行設(shè)備三維精準布置和線纜敷設(shè)路徑的技術(shù)難題,同時應(yīng)用三維可視化平臺生成的智能輔助控制系統(tǒng)三維模型可供主站端輔助設(shè)施監(jiān)控平臺共享[3]。三維可視化平臺的三維設(shè)計功能、建模標準、工作流程、協(xié)調(diào)管控措施的完成,可實現(xiàn)遠程三維可視化運維、多專業(yè)協(xié)同以及三維設(shè)計成果的共享和應(yīng)用,進一步提升變電站智能化設(shè)計、施工和運維水平,大幅提高勞動生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量和工程全壽命周期服務(wù)功能。因此,研究基于三維模型的變電站智能輔助控制系統(tǒng)具有重要意義。

中國大量學(xué)者也對此展開了研究,如劉士李等[4]提出了基于改進粒子群優(yōu)化算法(particle swarm optimization, PSO)的智能變電站五防閉鎖系統(tǒng)優(yōu)化控制,根據(jù)已擬定的有功潮流調(diào)度數(shù)值構(gòu)建智能變電站無功優(yōu)化數(shù)學(xué)模型,并在基礎(chǔ)PSO算法內(nèi)添加慣性因子與變異算子,優(yōu)化其搜索精確度獲得局部最優(yōu)解,能在一定程度上提高變電站智能化防控能力,但該方法對變電站智能輔助控制的魯棒性不好,抗干擾能力不強;陳紅等[5]提出了一種基于深度學(xué)習(xí)的電網(wǎng)三維設(shè)計智能輔助評審系統(tǒng),通過深度學(xué)習(xí)算法對電網(wǎng)工程建設(shè)進行三維建模,從而進行智能輔助評審,滿足智能輔助控制需求,但該三維建模方法的時間開銷較大,人機交互性不好。章劍光等[6]提出了基于電網(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)設(shè)計,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。但該方法進行三維建模的結(jié)構(gòu)化儲存性能不好,變電站設(shè)備的遠程監(jiān)控及智能化防控能力不高。

針對上述方法存在的問題,現(xiàn)提出一種基于三維模型的變電站智能輔助控制系統(tǒng)設(shè)計。首先進行三維建模的數(shù)據(jù)庫設(shè)計,進行智能輔助控制系統(tǒng)的總體構(gòu)架設(shè)計,建立典型設(shè)備庫、專家策略庫、工程數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)庫架構(gòu)設(shè)計,采用三維模型實現(xiàn)變電站智能輔助控制系統(tǒng)的遠程三維可視化,進行變電站智能輔助控制系統(tǒng)的三維設(shè)計模型校驗,最后進行仿真實驗分析,展示該系統(tǒng)在提高變電站智能輔助控制方面的優(yōu)越性能。

1 變電站智能輔助控制系統(tǒng)總體構(gòu)架及集成設(shè)計

1.1 系統(tǒng)總體構(gòu)架

變電站智能輔助控制系統(tǒng)的任務(wù)是為設(shè)備管理、故障檢修和重大決策提供綜合管控手段,擬解決數(shù)據(jù)輔助不到位問題。輔助控制系統(tǒng)對象為變電站內(nèi)各類基礎(chǔ)設(shè)施及輸電配電設(shè)備,可以有效解決輸出功率較高且波動幅度較大問題。變電站智能輔助控制系統(tǒng)需要達成優(yōu)化配電設(shè)計、提升電能質(zhì)量,減輕工作人員勞動力的目標,提高整個輔助控制系統(tǒng)的綜合管理水平。變電站智能輔助控制系統(tǒng)以關(guān)系型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)SQL Server作為數(shù)據(jù)管理引擎,采用Revit軟件管理三維數(shù)字化模型,AutoCAD管理設(shè)計圖紙資料。該系統(tǒng)在典型設(shè)備庫、專家策略庫等資源管理模塊基礎(chǔ)上,構(gòu)建系統(tǒng)平臺應(yīng)用功能的集成環(huán)境,完成智能輔助控制系統(tǒng)平臺框架搭建,為系統(tǒng)平臺應(yīng)用功能的實現(xiàn)和集成提供底層技術(shù)基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)服務(wù)。系統(tǒng)總體構(gòu)架圖如圖1所示。

1.1.1 數(shù)據(jù)管理平臺

數(shù)據(jù)管理平臺包括工程設(shè)備庫、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫、三維模型庫和圖紙文件資料庫等數(shù)據(jù)服務(wù)模塊,為應(yīng)用功能提供數(shù)據(jù)服務(wù)[7]。其中工程數(shù)據(jù)庫參照設(shè)備廠家提供的設(shè)備運行參數(shù)、設(shè)備型號、設(shè)備關(guān)聯(lián)的文件資料等數(shù)據(jù),建立工程設(shè)備庫的設(shè)備目錄表、51個設(shè)備屬性表及三維模型表;根據(jù)對前端設(shè)備、二次屏柜、功能單元、屏柜接線端口之間邏輯接線關(guān)系的分析結(jié)果,建立業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫,為實現(xiàn)二次回路輔助設(shè)計數(shù)據(jù)的數(shù)字化流轉(zhuǎn)提供數(shù)據(jù)服務(wù)。

1.1.2 資源管理層

資源管理層是變電站智能輔助控制系統(tǒng)平臺核心規(guī)則的數(shù)據(jù)服務(wù)模塊。資源管理層包括典型設(shè)備庫、專家策略庫,存儲前端設(shè)備的選型規(guī)則、布置算法、場景化智能輔助聯(lián)動控制策略。

(1)典型設(shè)備庫。根據(jù)需求調(diào)研資料中前端設(shè)備的分類和關(guān)鍵參數(shù)要求,建立典型設(shè)備庫,并將5個子系統(tǒng)的51類前端設(shè)備入庫,對設(shè)備分類、關(guān)鍵參數(shù)和設(shè)備三維模型統(tǒng)一管理,為智能輔助控制系統(tǒng)進行自動設(shè)備選型布置提供典型數(shù)據(jù)。

(2)專家策略庫。基于現(xiàn)有智能輔助控制系統(tǒng)規(guī)范,結(jié)合智能輔助控制系統(tǒng)的現(xiàn)有工程設(shè)計實例,得出變電站智能輔助控制系統(tǒng)的場景信息、聯(lián)動策略、前端設(shè)備配置規(guī)則及前端設(shè)備布置規(guī)則。

1.1.3 應(yīng)用功能層

應(yīng)用功能層包括三維設(shè)計模型校驗、設(shè)備自動選型布置、設(shè)備效能仿真校驗、二次回路輔助設(shè)計、線纜敷設(shè)設(shè)計五個功能子模塊;通過三維設(shè)計模型的校驗,完成變電站設(shè)備的自動選型布置、效能仿真校驗,二次回路輔助設(shè)計及線纜敷設(shè)設(shè)計。

1.1.4 成果輸出層

成果輸出層完成智能輔助控制系統(tǒng)的三維數(shù)字化模型、設(shè)計施工圖圖紙、效能仿真報告及報表等設(shè)計成果的輸出,實現(xiàn)三維設(shè)計成果的共享。

圖1 系統(tǒng)總體構(gòu)架圖Fig.1 Overall architecture of the system

1.2 系統(tǒng)集成設(shè)計

基于三維模型的智能輔助控制系統(tǒng)的集成設(shè)計流程如圖2所示。

由圖2可知,首先應(yīng)按照變電站的現(xiàn)行規(guī)程規(guī)范,結(jié)合現(xiàn)有工程的設(shè)計資料,對前端設(shè)備的安裝、接線、控制方式進行了詳細分析,再整理了屏柜、功能單元、前端設(shè)備的邏輯關(guān)系,結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)格式,存儲格式,接線規(guī)則,編號規(guī)則等資料。將智能輔助控制系統(tǒng)引入變電站三維設(shè)計模型中,調(diào)用模型校驗規(guī)則對變電站三維模型進行校驗。

通過校驗后,進行功能區(qū)域識別和功能區(qū)域場景配置,調(diào)用專家策略庫、典型設(shè)備庫,按照功能區(qū)域進行智能輔助控制系統(tǒng)的子系統(tǒng)配置,依據(jù)專家策略庫中的自動選型規(guī)則和布置算法對智能輔助控制系統(tǒng)的子系統(tǒng)進行前端設(shè)備自動選型和布置,并對前端設(shè)備編碼[8]。

前端設(shè)備選型布置完成后,對主動型前端設(shè)備進行效能仿真校驗,驗證主動型前端設(shè)備選型布置的合理性,優(yōu)化前端設(shè)備布置。效能仿真校驗通過后,進行前端設(shè)備的信息配置,補充前端設(shè)備的廠家名稱、運行參數(shù)、設(shè)備型號等信息。在屏柜三維模型和前端設(shè)備三維模型基礎(chǔ)上,通過模型-視圖-控制器(model-view-controller,MVC)模式開發(fā)Web Service控制前端功能操作,基于Div+Css頁面布局進行交互操作,使用正則表達式實現(xiàn)屏柜、功能單元及前端設(shè)備的邏輯連接關(guān)系配置,完成二次回路輔助設(shè)計,具體流程如圖3所示。

二次回路邏輯連接關(guān)系保存到業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫。線纜敷設(shè)設(shè)計模塊根據(jù)二次回路邏輯連接關(guān)系和線纜主通道三維模型,實現(xiàn)線纜自動敷設(shè),生成線纜清冊,數(shù)據(jù)保存到業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫。最后輸出三維數(shù)字化模型、設(shè)計施工圖圖紙、效能仿真報告及報表等設(shè)計成果,實現(xiàn)三維設(shè)計成果的共享。

圖3 二次回路輔助設(shè)計流程Fig.3 Secondary circuit aided design process

2 變電站智能輔助控制系統(tǒng)的三維設(shè)計

2.1 三維設(shè)計模型校驗

為了實現(xiàn)對變電站的三維建模,采用模型數(shù)據(jù)校驗方法檢查變電站智能輔助控制系統(tǒng)所需要模型的參數(shù)信息[9],變電站智能輔助控制的測度距離為

(1)

根據(jù)模型定義規(guī)則開發(fā)校驗工具,自動校驗所選設(shè)備的模型屬性信息表示為

(2)

式(2)中:Li為變電站低頻減載;Ni=(ei,1,ei,2,…,ei,D)為每個場景匹配的變電站配電節(jié)點e集合。

對應(yīng)每個場景匹配的前端設(shè)備,得到設(shè)備選型布置的三維迭代方程[10]為

(3)

對不同信道的變電站控制輸出信號進行相干性檢測,結(jié)合碰撞檢查和光束輻射的動態(tài)模擬方法,得到均衡控制方程為

(4)

式(4)中:JR,j(n)為停電區(qū)域樣本集;JI,j(n)為故障區(qū)域樣本集。

讀取攝像機光束的輻射基點[11],得到變電站智能輔助控制的多普勒頻譜描述為

eR,j=[|yR,j(n)|2-R2,R]*yR,j(n)

(5)

式(5)中:yR,j(n)為局部短路區(qū)域樣本集;R2,R為屬性值集合。

采用紅外像素特征重構(gòu)方法,進行三維視覺建模,創(chuàng)建出監(jiān)控范圍的三維視圖,輸出的三維視覺特征信息為

(6)

以攝像機的最大視角為三維建模的視覺信息采樣點,根據(jù)參數(shù)創(chuàng)建監(jiān)控范圍的可視化三維模型。

2.2 紅外雙鑒三維建模

變電站智能輔助控制系統(tǒng)采用紅外雙鑒三維視覺成像方法進行變電站的監(jiān)控識別,變電站智能輔助控制系統(tǒng)場景信息為

(7)

根據(jù)圖像像素級視差函數(shù)進行三維建模,得到圖像序列在視線方向的三維特征量表示為

Rw(l)=E[w(k)wH(k+l)]

(8)

式(8)中:E為度量空間;w(k)為具有決策類型的數(shù)據(jù)集;wH為誤差平方準則;k為決策單元;l為可信度;δl為單位沖激響應(yīng)函數(shù);e為置信水準;aH為聚類準則;θ0和Δ分別為重構(gòu)的三維數(shù)據(jù)場空間參數(shù)和平衡系數(shù)。

計算局部灰度信息為

(9)

三維建模的3D Textrue和3D Array坐標分布式為

(10)

式(10)中:Wx(t,v)為單節(jié)點負荷計算模型;|X(v)|為射線模值;|x(t)|為單節(jié)點力矩平衡性。

結(jié)合頻譜特征提取,得到變電站智能輔助控制系統(tǒng)各功能區(qū)域的三維建模輸出為

a∈A

(11)

采用相干關(guān)聯(lián)檢測方法進行變電站三維模型中的功能區(qū)域標識信息檢測,結(jié)合數(shù)據(jù)融合和三維圖像識別方法,進行變電站智能輔助控制系統(tǒng)的三維設(shè)計[12]。

3 三維建模算法優(yōu)化

為進一步提高三維建模輸出質(zhì)量,需要對三維建模的算法進行優(yōu)化。采用三維模型實現(xiàn)變電站智能輔助控制系統(tǒng)項目的遠程三維可視化運維處理,得到變電站負載均衡配置的平均互信息量為

(12)

對變電站三維模型中的功能區(qū)域標識信息、二次屏柜位置等信息進行融合處理[13],得到輸出特征子序列分別表示為

r1(n)=r2(n)exp(-lω0Tp/2),

n=0,1,…,(N-3)/2

(13)

r2(n)=Akexp[l(ω0nTp+θ0)],

n=0,1,…,(N-3)/2

(14)

式中:ω0為設(shè)備運行參數(shù)屬性信息;Tp為時間窗口;Ak為工程數(shù)據(jù)庫的設(shè)備分類目錄的偏移幅值。

分別對設(shè)備運行參數(shù)、設(shè)備型號、設(shè)備關(guān)聯(lián)特征量r1(n)和r2(n)進行(N-1)/2點盲源分離,得到變電站的三維建模輸出負載量為

R1(k)=R2(k)exp(-lω0Tp/2),

k=0,1,…,(N-3)/2

(15)

R2(k)=Akexp(lφk),

k=0,1,…,(N-3)/2

(16)

式中:φk為輸出擴展相位。

通過管理界面,對設(shè)備廠商、設(shè)備型號、設(shè)備運行參進行擴充和編輯,設(shè)計過程數(shù)據(jù)的數(shù)字化流轉(zhuǎn)[14-15],滿足數(shù)據(jù)可讀性和共享性的需求,得到變電站智能輔助控制系統(tǒng)項目的遠程三維可視化重構(gòu)輸出為

(17)

式(17)中:Eelec為廣義能量特征量;EDF為單位增量;δ為穩(wěn)態(tài)特征值;ε為頻譜差;dj為三相電流參數(shù)。

(18)

(19)

屏柜接線端口通過線纜與前端設(shè)備或功能單元連接,由此實現(xiàn)三維建模,得到三維建模輸出為

(20)

式(20)中:μ為分布期望值;σ為高斯函數(shù)寬度。

計算第j=0,1,…,M個采樣點的負載值,根據(jù)三維建模結(jié)果,屏柜接線端口通過線纜與前端設(shè)備或功能單元連接,實現(xiàn)前端設(shè)備的通信與控制。根據(jù)優(yōu)化后的參數(shù),創(chuàng)建監(jiān)控范圍的可見化三維模型[16],如圖4所示。

圖4 監(jiān)控范圍的可視化三維模型Fig.4 Visualized 3D model of monitoring range

4 仿真實驗分析

為了測試本文方法在實現(xiàn)智能輔助控制系統(tǒng)三維建模中的性能,進行仿真實驗,讀取設(shè)備參數(shù)庫中紅外雙鑒的“探測距離”“水平探測角度”“垂直探測角度”等信息;讀取紅外雙鑒光束的射出基點和方向信息。根據(jù)智能輔助控制系統(tǒng)的設(shè)計需要,在工程中已經(jīng)布置的屏柜中添加指定類型的功能單元,配置功能單元設(shè)備的廠家,型號,功能接口,及接口類型等信息,屏柜及功能單元信息以數(shù)據(jù)形式保存在業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫。

實驗中,依托某110 kV變電站工程,在實際工程中驗證該系統(tǒng)應(yīng)用功能的性能,運用高精度的監(jiān)控范圍模擬算法,實現(xiàn)對前端設(shè)備監(jiān)控范圍的對象模擬及監(jiān)控場景的動態(tài)演練。變電站電壓等級110/10 kV,遠景3臺50 MVA主變壓器,本期建設(shè)2臺50 MVA 主變壓器;110 kV出線本期4回(其中2回備用),已達遠景規(guī)模;10 kV出線遠景36回,本期24回;本期配置10 kV電容器組4臺,遠景6臺;本期配置10 kV接地變及消弧線圈成套裝置2套,遠景3套。10 kV 配電裝置采用戶內(nèi)移開式開關(guān)柜,雙列布置與10 kV開關(guān)室,根據(jù)上述仿真環(huán)境和參數(shù)設(shè)定,進行實驗分析。

為實現(xiàn)設(shè)計過程數(shù)據(jù)的數(shù)字化流轉(zhuǎn),滿足數(shù)據(jù)可讀性和共享性的需求,將設(shè)備布置信息、二次邏輯設(shè)計信息及線纜敷設(shè)設(shè)計信息抽象成數(shù)據(jù)模型。在此基礎(chǔ)上,分別采用本文方法、文獻[4]中基于改進PSO方法、文獻[5]中的基于深度學(xué)習(xí)方法、文獻[6]中基于GIM模型方法對變電站智能輔助控制系統(tǒng)運行中存在的輸出功率進行測試,輸出功率測試結(jié)果如圖5所示。

分析圖5得知,采用本文方法進行變電站智能輔助控制系統(tǒng)的三維建模,提高輸出功率的穩(wěn)定性,功率較低,且波動較為平緩。這是因為本文方式通過碰撞檢查和光束輻射的動態(tài)模擬方法,建立均衡控制方程,提高了變電站智能輔助控制的魯棒性,進而提升抗干擾能力,確保功率保持在小幅度波動范圍。

進一步測試本文方法、文獻[4]方法、文獻[5]方法、文獻[6]方法進行三維建模時的運維閉環(huán)管理的處理時間開銷,得到智能輔助控制系統(tǒng)的處理效能測試結(jié)果如圖6所示。

分析圖6得知,采用本文方法進行變電站智能輔助控制系統(tǒng)的三維建模的處理效率較好。在運維閉環(huán)管理中,本文方法完成終端與主站之間的無通信、無數(shù)據(jù)等信息處理的時間開銷均低于文獻[4]方法、文獻[5]方法和文獻[6]方法。這是因為本文方法采用紅外雙鑒三維視覺成像方法,并對三維建模進行了有效輸出,提高核心數(shù)據(jù)管理效果。

圖5 輸出功率測試Fig.5 Output power test

由此表明,本文方法能夠有效提高變電站的運維處理能力,促使變電站設(shè)備的三維監(jiān)控性能得到提升,有利于提高智能變電站設(shè)備運行環(huán)境和公共安全狀態(tài)的遠程監(jiān)測及智能化防控能力。

根據(jù)上述仿真實驗結(jié)果可知,本文方法具有一定的有效性。為了進一步證明本文方法的有效性和優(yōu)越性,在實驗結(jié)果的基礎(chǔ)上采用本文方法完成該變電站智能輔助控制系統(tǒng)的三維建模布置,具體如圖7所示。

由圖7可知,本文方法設(shè)計的變電站智能輔助控制系統(tǒng)三維建模呈現(xiàn)效果較優(yōu),節(jié)點清晰,利于變電站智能輔助控制系統(tǒng)在實施控制的時候,能很快找到作業(yè)位置,能夠保障變電站系統(tǒng)的智能化管控效果。

圖7 變電站智能輔助控制系統(tǒng)三維建模Fig.7 Three-dimensional modeling of intelligent auxiliary control system in substation

5 結(jié)論

依托于某變電站進行變電站智能輔助控制系統(tǒng)的三維建模設(shè)計,應(yīng)用智能輔助控制系統(tǒng)平臺完成前端設(shè)備自動布置、仿真校驗、二次回路設(shè)計和線纜敷設(shè)。根據(jù)電氣一次專業(yè)、二次專業(yè)、土建專業(yè)的設(shè)計圖紙和智能輔助控制系統(tǒng)專家策略庫中的模型校驗規(guī)則對變電站建構(gòu)筑物、電氣設(shè)備及設(shè)施進行三維建模。通過對三維設(shè)計模型的校驗和修改,使三維設(shè)計模型滿足智能輔助控制系統(tǒng)前端設(shè)備自動選型布置的要求。研究得知,采用本文方法進行三維建模能實時接收站端視頻、環(huán)境數(shù)據(jù)、安全警衛(wèi)、人員出入、火災(zāi)報警等各終端設(shè)備上傳的信息,分類存儲各類信息并進行分析、判斷,實現(xiàn)輔助系統(tǒng)管理和監(jiān)視控制功能,提高了變電站智能輔助控制的魯棒性和變電站的運維處理能力,利于變電站建設(shè)和運維的智能監(jiān)控。