變電站三維建模及精細化管理

金石 易歡歡 王琳 李瑋暉 李勇

摘要：隨著電網信息化建設加快，大運行和調控一體化深入建設，新建變電站數量與日俱增。變電站無人值守逐步實現，設備監控人員對變電站現場情況越來越陌生，同時在對監控運行數據的處理和信息軟件應用學習中，需要耗費大量時間和精力。通過對變電站進行三維測繪建模以及實景掃描拍攝，實現變電站場景的數字化還原，并進一步根據變電站內設備接線圖進行模型關聯，在變電站的精細化管理上展開深化應用，改變傳統設計模式下的工作問題。

Abstract： With the continuous development of grid informationization， as well as the all-round implementations of large running and integrated dispatching and control， the number of new substations has been increasing. With the unattended substation gradually achieved， substation site conditions could be new to personnel of equipment monitor. Meanwhile， monitoring personnel need spend so much of time and energy focused on process of monitoring data and learning of information software. This article presents a digital restoration of substation scene by three-dimensional mapping modeling and real scene scanning for substation， and further completes the model association according to wiring diagram of equipment in the substation. Furthermore， the deepening of the application in the substation fine management could change work problems under the traditional design mode.

關鍵詞：三維變電站;可視化;精細管理

Key words： three-dimensional substation;visualization;fine management

中圖分類號：F426 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）08-0062-03

0 ?引言

隨著我國經濟發展速度不斷提升，國民對電力資源“質”和“量”的需求也在不斷提高。近年來為了滿足廣大人民群眾的用電需求，我國的電力行業發展異常迅速，隨著流程化建立電網建設的速度大幅加快，變電站數量激增的同時變電站運行中出現的運行管理問題也明顯地暴露出來，變電站的精細化管理需求日益提高。

傳統變電站管理方式多通過運行監控平臺的流程控制，以紙質單據或電子表格形式形成運行管理狀況匯報。但隨著變電站逐步完成集中監控無人值守，設備監控人員對變電站現場設備情況越來越陌生，在變電站設備發生異常及故障的情況下，受制于目前的監控方式和視頻監控覆蓋率的局限性，監控人員缺乏及時了解現場狀況的必要手段。同時，針對“調控一體化”工作完善過程中暴露出來的監控員現場運行經驗缺乏、設備原理不熟悉等問題，提出變電站三維建模的數字化可視化方案。三維數字化信息管理平臺基于變電站三維可視化的技術，在變電站的精細化管理上展開詳細的深化應用設計，以改變傳統設計模式下的管理協同工作困難問題。

1 ?變電站管理現存問題

隨著新建變電站投入量的增多，變電站設備監控工作變得更為繁重，加之沒有直觀易用的工作協同工具，導致變電站運行管理問題逐漸凸顯，主要表現為以下幾個方面。

1.1 圖檔的準確性及完整性有誤 ?基于變電站基建完成后移交的竣工圖紙資料，圖紙內容信息存在表達錯誤、缺失以及不一致的問題，通過建立變電站三維對象化模型，還原與圖紙資料一致的變電站虛擬場景，在建模過程中記錄，形成文檔記錄。

1.2 監控員設備不熟悉 ?監控員現場運行經驗缺乏、設備原理不熟悉。變電站設備運行管理容易出現因粗心大意導致的巡查不到位現象，故障及缺陷處理缺乏計劃性和靈活性。

1.3 施工作業效率低下 ?實際操作傳動開關、主變有載開關及重合閘、備自投功能軟壓板等進行實控驗證。遙控軟壓板后，檢查監控畫面上軟壓板位置信號是否正確變位，重合閘充電、備自投充電等遙信信號是否對應變位，均需要人工到現場進行勘察。

1.4 缺少安全分析工具 ?沒有直觀的現場施工作業指導系統，對施工車進場需要人員提前到場進行實際勘測。進行限高限寬監測。同時為保證現場施工安全，對設備帶電情況還需做其他工作，工作時間長，大修等停電維護時間久。

1.5 設備監測形式陳舊 ?設備的具體位置和帶電情況從圖表的展現方式查看，并不直觀，容易忽視現場設備的運行隱患。遇到設備事故、異常、越限等問題時不能及時定位以及分析關聯設備影響，容易對事故風險和影響范圍分析有誤。

2 ?三維變電站精細化管理設計

三維變電站精細化管理主要設計三維數字化信息管理與三維虛擬仿真驗證平臺兩大功能模組。其中，在三維數字化信息管理模組中以實現三維模型管理、三維模型瀏覽、分類信息管理、數據關聯瀏覽、數據關聯管理、數據批量導入管理、權限管理、系統配置，以及還原模型和智能報表等功能模塊。并在三維虛擬仿真驗證平臺上實現仿真漫游、多人聯機培訓、實時監控數據整合、仿真可視化、機器人巡檢、視頻監控功能、測距功能等功能模塊。整體通過依托于高精度建模得來的變電站內模型，構建功能完備、性能卓越的變電三維信息管理平臺，將現有變電站運維數據同虛擬化變電站相融合，實現對電網自動控制、智能調節、在線決策、協同互動的新一代運維管理手段。提升運維工作整體業務效率與質量。

變電站三維建模精細化管理采用主流基于HTML5技術的B/S架構開發，符合信息管理平臺技術發展方向，可以為日后系統功能維護升級，進一步拓展完善需求，降低維護成本，提高項目經濟效益打好基礎。全部平臺功能通過web頁面實現，以便于實際降低運維人員使用難度，降低人工培訓學習成本，改善培訓方式1。

系統整體功能結構如圖1。

2.1 變電站圖檔信息管理 ?通過收集圖紙文檔資料并形成電子文檔。以設計院圖紙為依據，對施工方提供的施工圖紙以及設備廠家提供的設備接線圖紙進行校驗，對圖紙以及文檔中存在的問題進行核對校驗，檢查廠房，電氣溝渠，桿塔及一次設備安裝位置，以及設備電壓等級是否匹配，設計容量是否達標，設備尺寸是否合適等。根據交叉校驗結果，輸出問題處理報告。在圖紙階段對三維虛擬變電站模型有整體了解，并協助進行修改和完善。

2.2 變電站三維建模管理 ?基于高精度場站的掃描結果建模，實現已有變電站三維模型的導入，充分考慮同地區多場站模型切換，實現三維模型管理。對于攝像頭、風速計等輔助監控設備，支持變動調整，可以在場景內添加、刪除、移動，靈活應對實際環境下的變化，提高模型對實際場站還原的準確度。

系統應用地面激光掃描技術，快速對現場實際環境進行點云數據采集，并同時利用全景相機對現場進行高清全景拍照。后期通過計算機輔助建模，利用采集的高精度點云數據，生成同現場完全一致的三維模型，精確重現變電站內各設備、儀表、線纜、銘牌等細節，而后根據全景照片，制作實景貼圖進行模型外觀美化，達到精密化建模要求。三維模型進行系統建模審查，并結合電網拓撲關系，根據場站實際的一次接線圖情況對精細化模型進行進一步細致定義。將現實場景進行嚴謹數字化轉換，為其它功能提供數據基礎。

2.3 場景漫游管理 ?通過1：1數字化變電站三維場景，顯示精細化模型，并實現在場景內進行漫游瀏覽。模型覆蓋一次設備區、室外廠區和室內區域。其中室外區域包含站內實際的變壓器、斷路器、隔離刀閘、電容器、電抗器、避雷器、監控燈桿、鐵塔、柵欄、房屋。通過場景漫游瀏覽，遠程對現場情況進行了解，直觀查看更利于掌握現場情況，提高運維工作效率。

室內建模主要包含保護室、開關室、直流設備室等站內房間。其中的保護屏柜等電力設備特寫均為現場實際高清拍攝照片的還原復現，可以精確反應設備面板實際情況。

整個漫游瀏覽過程，操作人員通過鼠標鍵盤進行在場景范圍內無限制的漫游瀏覽，可自主控制前進、后退、上升、下降以及轉向。

同時基于操作人員可能對站內設施不熟悉的問題，增加全站地圖作為導航顯示，將變電站俯視圖100：1縮放作為地圖，進行變電站同當前位置的關聯，實現點擊地圖快速定位當前視角到目標位置，以及移動時同步當前坐標到地圖內導向標。

2.4 數據關聯瀏覽 ?在三維平臺內，實現點擊具體設備模型，查看與該設備相關聯的運行監控數據。關聯設備ID查看設備參數信息、智能告警信息、運行參數信息、檢測數據信息和巡檢結果信息等信息，統一提取到Web前端展示，通過后臺服務器同現場數據源進行對接，實時刷新關聯數據內容，輔助操作人員對變電站進行監控管理。

以三維設備模型為中心實現關聯檢索功能。一鍵式快速查看當前設備的各維度圖紙、操作文檔等資料。主要包括三維模型、竣工圖紙、使用說明、設備配置以及其他文檔資料。

同時系統實現二三維的站內接線圖切換，能夠自定義檢索查看模式，查看所有信息。系統將采用數據表格、頁面展示和三維圖形的方式進行數據展示。

按照提供數據文件批量導入，按照使用習慣，進行三維變電站模型、二維變電站圖紙、電子文檔資料等數據的分類。

2.5 虛擬仿真培訓 ?以工單為指導，以學員參與為核心。通過交互式的三維場景培訓使工作過程可視化、形象化，人機交互可操作三維設備模型，區別于傳統的文字、圖像、影像等教學模式，虛擬實景仿真培訓可以增加學員的參與感，從視覺、聽覺等多方面強化培訓效果，學員以角色帶入場景，完成工單賦予該角色的所有操作步驟。通過培訓學員即可以熟悉設備的操作過程，也可以掌握操作流程、操作步驟以及不同角色相互之間的協作工作，為實際現場操作積累經驗，更好的提高了培訓效果。

基于系統建立的變電站三維模型，直觀展示站內設備。通過系統培訓，更有利于組織人員的培訓。模擬操作的功能，能方便培訓人員快速了解現場設備的操作。同時，系統的關聯查詢，將更加利于人員了解現場設備信息，包括圖紙信息、設備參數、技術資料等。

2.6 機器人巡檢 ?平臺與巡檢機器人相結合，利用系統高精度模型遠程對機器人系統進行管理，并可在系統內對機器人巡檢任務進行可視化設置，并模擬巡檢，提高任務編制效率。具備遠程實時查看當前機器人位置以及回傳圖像的功能，可利用高精度場站模型，同現場進行對比。快速識別站內隱患點。

2.7 視頻監控 ?變電三維信息管理平臺系統與視頻監控平臺相結合，主站操作者可直接通過點擊監控攝像機模型調取對應的場站監控攝像頭實時監控畫面，專業人員可以借助于系統內三維模型，充分了解當前的監控周邊環境狀態，在掌控全局的基礎上對監控視頻數據進行分析，以便掌握實時動態，避免場站內監控畫面過于雷同的困擾。

2.8 其他功能點 ?①熱敏點標注。全景場景內設備熱敏點標記功能，可以通過不同圖標進行場站內重點信息的標記，如對于新投退設備進行標注，對于有故障檢修設備進行標注，或對于存有缺陷待處理設備進行標注。

②設備機構原理動畫。通過對設備進行深層次內部建模，利用三維骨架進行機構原理的動作動畫建模，可以讓不熟悉設備工作原理的人員了解設備內部運作機制，同時顯示各類監控信號的釋義等。例如：斷路器工作原理動畫，隔離開關拉開、閉合動畫等。

3 ?產品特色與效益

①系統基于HTML5技術開發，所有功能均基于頁面開發技術，完全支持Web瀏覽器使用，對客戶機無需安裝部署額外軟件，非嵌入服務，無需客戶端安裝插件即可使用全部功能，易于使用，并可以作為應用模塊嵌入各成熟平臺中。

②系統利用先進的激光建模技術，對變電站設備進行精準的三維建模，滿足國網330kV以上變電站建模規范，精確到毫米級精度，能極大的保證變電站三維模型建立的準確性和效率。

③系統基于變電站實際場景（全景信息）采集的精確數據，可通過平臺對場地內設備的布局，設備實景情況進行直觀了解，結合距離高度測量功能，對場景內設備精確管理。三維場景結合全景圖隨意切換，經過系統的坐標系整合，視角方向完全統一，優勢互補。

④系統可與運檢在線監控平臺，PMS平臺，在線監測系統等現有系統平臺數據對接，將數據進行匯總展示，在三維平臺內結合直觀視圖，把數據同模型相結合，便于對現場設備的實時監控。

⑤沉浸式三維變電站瀏覽，第一人稱視角移動方便快捷，操作簡便，并可隨時切換同視角同位置的全景圖像，同時提供地圖縮略圖快速導航，當前位置提示，移動隨動標示，室內導航定位等漫游瀏覽功能。

⑥全站設備與電網一次接線圖進行關聯，基于拓撲圖進行電網模型建模，將三維可視化與電網運行狀態相結合，可進行電網帶電拓撲的設備帶電可視化顯示。積累了多年調度領域的研發經驗，已實現基于設備狀態變化的全站設備帶電狀態自動刷新。

⑦精確到設備級別的設備定位，展開全站設備樹，可以快速定位，結合設備告警、設備報缺、設備檢修計劃等，可以快速定位關鍵設備，便于用戶應用到實際工作中。

⑧系統可與當今智能巡檢機器人監控平臺進行對接，在三維場景中，利用現場監控機器人，進行巡檢設置，巡檢模擬，啟動現場機器人巡檢等功能。讓操作人員直觀獲得現場周圍實際情況，輔助管理人員應用機器人工作。

⑨系統與現場視頻監控平臺結合，利用現場已有監控設備，結合虛擬場景，實時同實際視頻進行對比，便于管理人員查找可疑點，提高管理人員管控能力。

⑩系統支持絕大多數基于三維可視化開展的業務功能，系統拓展性強，且隨著軟硬件技術發展逐步優化系統整體性能。

4 ?結論

系統的三維模型平臺具有良好的實用性以及應用針對性，可以最大化的解決電網運行的實際問題。使用本系統的三維模型平臺將會帶來以下的應用價值：

①系統集合多種應用于一體，從根源上解決對變電站維護監控及培訓學習過于復雜的問題，為管理人員高效管理系統、把控全局提供了良好的助力。

②系統將各種實時監控功能集合展示，線上線下緊密結合，方便了管理人員對變電站實際情況的直觀化了解，避免了因管理人員對電站現場實際狀況不熟悉而導致的計劃設計和結果評估等方面的失誤發生。

③系統數據查看方面，各頁面調取方便、展示結構合理，使信息化數據得到了最大限度的充分利用，有效節約了工作人員各個系統間反復查找數據的時間。

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