三維數字化平臺二次回路全過程可視化研究

陳晨　董平先　宋曉帆　郭放　白萍萍　薛文杰

摘 要：以三維設計指導施工的設計理念，對三維設計平臺進行二次開發，實現二次設備接線、傳輸路徑、二次虛回路的可視化，實現二次設備信號傳輸物理路徑和虛回路的可視化，同時現場調試人員可獲取所需信號的收發設備、接續設備（交換機、光配等）以及傳輸路徑的全景信息，提高虛端子、虛鏈路現場調試效率，提高設計人員和現場施工人員的工作效率。

關鍵詞：三維數字化;二次回路;可視化;虛端子

中圖分類號：TM63 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）26-0022-04

The Whole Process Visualization Study of the Secondary

Loop of the 3D Digital Platform

CHEN Chen DONG Pingxian SONG Xiaofan GUO Fang BAI Pingping XUE Wenjie

（State Grid Henan Economic Research Institute， Zhengzhou Henan 450000）

Abstract： Based on the design concept of three-dimensional design guiding construction， this paper secondary develops the three-dimensional design platform to realize the visualization of secondary equipment wiring， transmission path and secondary virtual circuit， and realize the visualization of secondary equipment signal transmission physical path and virtual circuit. The on-site debugging personnel can obtain the transceiver and connection equipment （switch， optical distribution， etc.） of the required signals And the panoramic information of the transmission path， so as to improve the on-site commissioning efficiency of virtual terminal and virtual link， and improve the work efficiency of designers and on-site construction personnel.

Keywords： 3D digitization;secondary circuit;visualization;virtual terminal

隨著網絡技術、計算機硬件技術、設計平臺技術、項目管理技術及輔助決策技術等各個領域的快速發展和創新突破，電力工程設計業務逐漸向設計平臺一體化、設計對象三維化、設計過程協同化以及設計成果數字化的方向發展。其中，輸變電工程三維設計技術融合了建模技術、信息技術及網絡技術等設計領域中的多項集成創新，對輸變電工程設計領域、施工領域和生產運維領域產生了深遠影響。本文提出全新的思路和解決方案，應用電氣二次專業的數字化技術手段解決變電站工程在施工中遇到的問題[1]。

①電氣二次圖紙繁多、接線復雜，現場施工工作量繁重且很易出現接線錯誤等問題。紙質的施工圖紙作為現場的唯一接線依據，施工人員經常會遇到與實際情況不一致的問題。從設計角度考慮，在預估線纜長度時，設計人員通過在軟件上進行線纜走徑的模擬，粗略估算線纜長度。由于缺乏規范統一的線纜長度計算規則，設計人員為保證線纜長度滿足施工需要，往往給線纜預估遠大于實際需求長度的余量，造成物資材料的浪費。另外，二次專業因其線纜數量多、路徑差異大等，使得設計人員的電纜清冊制作過程費時費力。從施工角度考慮，在埋管敷設（涉及電纜、光纜和尾纜）過程中，線路路徑受施工人員經驗、現場環境等因素影響，易造成實際線路敷設結果與設計要求不一致的情況，如敷設路徑存在差異、電纜溝或槽盒中線纜排布不合理等，致使電纜線路長度預留不足或預留過多、電纜溝敷設線纜分布不均勻及電纜溝局部溝段纜線過多而旁路電纜溝空余較大，使得電纜溝整體空間利用率偏低。

②在智能變電站被廣泛應用的情況下，變電站中的大部分電纜由光纜替代。同樣條件下，單根光纜可以實現普通數十根電纜傳輸數據的效果。這樣雖然減少了電纜的敷設工作量，但變相增加了光纜信號的調試工作量。從設計人員角度考慮，不同廠家定義的設備收發信號的虛端子的地址命名有所差異，指令信息和信號的含義有所不同。將不同廠家虛端子進行連接需要設計人員進行一個個接續，而當變電站規模較大時，這種海量的信息和數據定義會給設計工作帶來不便，也會經常發生漏填和錯填問題。從施工角度考慮，現場調試人員通過Excel表格的形式進行虛端子的接續調試。由于缺乏對整個信息傳輸網絡架構的完整視角，在遇到調試問題時往往無法快速判斷出現問題的原因和發生問題的節點設備。

針對這些問題，本文將結合一個220 kV變電站工程，提出三維數字化平臺二次回路全過程可視化的實施方案。通過配置二次設備接線可視化模塊，使得端子排、設備光接口及電接口信息數據可視化;通過匯總智能變電站設備信息收發情況、接線信息和電纜敷設等情況，實現單個模塊的鏈路可視化。這樣現場施工人員可以從這些可視化的二次設備接線方案和優化后的線纜敷設路徑上獲得施工信息，且現場調試人員可以及時掌握實時收發信息數據的完整性以及鏈路是否清晰通暢，從而進一步提高施工效率。

1 二次設備接線信息數字化設計

二次接線信息數字化設計的首要任務是二次系統設計。電氣二次系統從功能上可劃分為7種類型，分別為保護系統（含保護、故障錄波、行波測距等裝置）、測控系統、計量系統、時鐘系統（含主時鐘及擴展時鐘裝置）、監控系統（含過程層交換機、間隔層交換機、保護及故障錄波信息子站、網絡分析儀等裝置）、電源系統（含電源監控、照明配電、交直流分電、UPS主機等裝置）及輔控系統（含圖像監控、電氣一次、二次設備在線監測等裝置）。二次系統設計如圖1所示。作為二次設備及其接線信息與三維模型聯動的媒介，當二次設備依據自身功能實現系統的分類和歸屬時，隸屬于不同系統下的二次設備可通過參數模型和物理模型的選擇，實現二次設備邏輯模型和物理模型的聯動。

電氣二次設備種類繁多，不同廠家設備配套的端子排圖格式不盡相同。同時，隨著“零端子”技術的日益成熟，變電站電氣二次設備朝著光纜、電纜全預制和“即插即用”的方向快速發展。本次河南怡德（梁莊）220 kV變電站工程全站采用預制光電纜設計方案，因此本專題在后續的論述中將對“零端子”式二次設備接線和傳統端子排接線兩種接線形式的數字化設計進行論述。

對于“零端子”式二次設備接線而言，通過三維軟件平臺將設備接口中不同纜芯信息進行錄入，包括對應的設備型號、線纜編號、纜芯編號及傳輸的信息內容等;對于端子排接線形式而言，通過三維軟件系統設計平臺對端子排進行錄入，統一標準，規范格式，為后續三維端子排及接線自動生成做準備[2]。端子排數字化設計模塊如圖2所示。通過三維軟件系統設計平臺中的端子排繪制模塊，設定端子個數、端子排列數及定義等信息，確定端子排安裝位置（即端子排所依附的二次設備或一次設備機構箱）以及去向并繪制纜線。當所有二次設備或一次設備機構箱端子排或預制光纜、電纜接頭信息接線錄入完畢，可自動生成電纜清冊。電纜清冊包含起點終點設備信息、線纜型號、線纜編號及備用芯數等參數。電纜長度待設備物理模型擺放完畢且電纜溝或橋架路徑設定好后可自動進行計算。

2 二次設備接線信息可視化

2.1 二次設備模型建模

二次設備三維模型建模包括屏柜的模型、設備模型、端子排及光配接線模型（如圖3所示）等。根據變電站三維設計情況，二次電氣設備模型建設可以不考慮廠家內部配線，重點在端子排外側的接線上。這樣有具體屬性和數據的端子排和接口、接線都可以與所屬屏柜進行關聯。按照間隔進行全站物理回路和邏輯回路建模，需要對全站元器件進行數字化賦值和建模，并建立設備庫、電纜型號庫、芯線功能庫及回路庫等;把不同類型板卡模型文件通過拼接合成IED文件，或對端子排開展數字化建模形成物理端口自描述文件（IPCD），并對IED設備中的裝置板卡和物理端口進行描述;利用屏柜構成及內部連線模型，整體形成屏柜模型（CPCD），如圖4所示。物理回路和邏輯回路建模包括光回路建模和電回路建模。

2.2 線纜接線可視化

通過虛實對應技術實現邏輯回路和光纖端口的映射，采用纖芯自動搜索算法實現光纖回路和二次電纜回路的自動布線，通過P3D文件的二次對象三維模型和世界坐標接口實現二次系統三維成像及設備信息查詢。基于SCD文件、P3D文件及三維模型庫，采用逆向解析的方式，實現智能變電站二次電纜回路、光纖回路及邏輯回路的三維全景可視化逆向解析三維全景展示流程[3]。二次設備接線可視化，如圖5所示。

二次對象三維展示即在三維全景可視化平臺實現小室內屏柜、設備、板卡、端口、硬壓板、端子排及線纜等二次對象的三維成像，并支持平移、縮放及旋轉等三維場景交互的幾何變換。

電纜回路三維展示實現屏柜之間電纜端子排接線的三維場景查看，能直觀展示電纜兩側所接端子，同時可查看電纜的長度、使用芯及備用芯等必要信息。

光纖回路三維展示實現三維場景下屏柜內、屏柜間各個設備端口跳纖、尾纜、光纜的接入信息展示，同時可查看跳纖、尾纜、光纖的長度、使用芯及備用芯等必要信息[4]。

邏輯回路展示實現每個光口、光纖上流經的邏輯回路信息的可視化展示。

設計成果展示可以實現電氣一次、二次圖紙按間隔進行可視化展示，在三維場景下展示IED設備及端子排等電回路連接信息。

可按間隔進行三遙信息表的可視化展示。三遙信息所設計的回路可視化展示和三維場景呈現，按間隔逐個展示SCD數據。

3 虛回路信息可視化

下面分析基于三維設計平臺的虛回路可視化技術方案。如圖6所示（變電站三維模型圖），河南怡德（梁莊）220 kV變電站工程采用模塊化變電站設計理念，增設110 kV、220 kV預制艙，相關間隔保護測控裝置以及故障錄波、網絡分析、電源分屏下方至預制艙內，繼電器小室僅保留主要公共設備。

怡德變網絡設備三維模型與邏輯模型相對應，過程層設備如合并單元、智能終端通過直連或交換機與間隔層設備相連接。如前文所述，二次設備含有若干物理端口。每一個物理端口包含多個邏輯的數據發布端和接收端，與不同設備所需接收或發送的采樣、開關量等信號相對應[5]。由光纖和交換機組成通信網絡，形成虛回路信號通路，至此二次虛回路的起點、終點以及傳輸網絡構建完成。

當前，三維模型的二次設備僅作為線纜敷設的起點終點設備，通過設備或者線纜接口和線纜的關聯，實現變電站二次回路的可視化連接、電纜敷設等。在三維展示平面，點擊二次屏柜中某一設備，可顯示與該設備相關聯的邏輯端口接收和發送的信息內容。選定某一信息可高亮顯示該信息的起始設備、終點設備以及傳輸過程中經過的光纜。

4 結語

本文通過對三維設計軟件功能模塊的二次開發，將邏輯形式存在的端子排接線數據可視化，可指導現場人員準確接線，提高施工效率。此外，通過整合智能化變電站電氣設備具體收發信息、端子排接線及線纜敷設等多元化數據，可實現面向單個信息的虛鏈路可視化，使得現場人員可以方便查詢所需信息的傳輸路徑和起點終點設備，提高虛回路接線效率。

參考文獻：

[1]董躍周，王秀芳，彭玉培，等.電網工程三維數字化移交數據生產關鍵技術流程研究[J].科學技術創新，2020（26）：1-4.

[2]文江海，尚福瑞.基于電網資產統一身份編碼的基建數字化移交信息管理平臺建設及應用[J].電力設備管理，2021（1）：153-154.

[3]國家市場監督管理總局，國家標準化管理委員會.智能變電站光纖回路建模及編碼技術規范：GB/T 37755—2019[S].北京：中國標準出版社，2019.

[4]郝曉光，耿少博，任江波，等.智能變電站二次電纜回路建模方法研究與應用[J].電力科學與技術學報，2020（4）：161-168.

[5]趙昂，王洪濤，趙軍，等.智能變電站二次回路三維建模及全景可視化研究[J].電氣技術，2020（4）：161-168.

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