數(shù)字孿生變電站建模及應(yīng)用

陳靜，姜伊

(國網(wǎng)冀北電力有限公司秦皇島供電公司，河北 秦皇島066000)

近年來，為適應(yīng)居民用電負(fù)荷的持續(xù)增長及先進(jìn)電網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用普及，變電站內(nèi)改擴(kuò)建工程及技改大修項(xiàng)目逐年增多；同時(shí)隨所轄變電站總量及規(guī)模不斷增長，站內(nèi)設(shè)備防腐、加固及檢修試驗(yàn)等日常維護(hù)工作亦與日俱增。

內(nèi)網(wǎng)調(diào)控系統(tǒng)及站內(nèi)圖紙類資料呈現(xiàn)一次接線結(jié)構(gòu)化、量測(cè)數(shù)據(jù)平面化、設(shè)備展示孤立化等特征，對(duì)設(shè)備區(qū)實(shí)際空間布局、施工安全距離判定、安全措施布置指導(dǎo)等不具備可視化展示及量測(cè)能力。

施工方案制定階段工作人員要驅(qū)車前往站內(nèi)核實(shí)設(shè)備實(shí)際空間位置，對(duì)圖紙中缺失數(shù)據(jù)，要重新測(cè)距計(jì)算，占用車輛及人力資源，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

方案研討階段部分實(shí)施環(huán)節(jié)無法直觀展示，僅通過文字描述及圖片展示，存在數(shù)據(jù)碎片化，展示單一化，量測(cè)粗略化等特點(diǎn)，難以明確部分具體施工細(xì)節(jié)，如特種車輛站內(nèi)行進(jìn)軌跡，吊臂回轉(zhuǎn)半徑及伸縮長度限值，施工人員活動(dòng)范圍同帶電設(shè)備空間距離等，施工過程中存在潛在安全隱患。

針對(duì)實(shí)際工作中存在的上述問題，結(jié)合電力生產(chǎn)實(shí)際，通過頭腦風(fēng)暴，擬提出以下三個(gè)課題。

從安全可靠、經(jīng)濟(jì)適用、可推廣等多角度綜合分析比較，選擇利用3D建模技術(shù)構(gòu)建數(shù)字孿生變電站，對(duì)施工方案及現(xiàn)場作業(yè)環(huán)節(jié)進(jìn)行指導(dǎo)。

1 建模軟件選擇

目前工程常用3D建模軟件有3ds Max、C4D、Maya、SU、AutoCAD、Zbrush6類。不同軟件適用范圍及優(yōu)勢(shì)如表1所示。

表1 建模軟件對(duì)比表

數(shù)字孿生變電站建模及其應(yīng)用在于為施工方案編制及現(xiàn)場安全措施布置及完善提供數(shù)據(jù)支撐及可視化展示。因此，對(duì)于變電站及電力設(shè)備3D模型細(xì)節(jié)刻畫及后期光影渲染要求并不高，但對(duì)于空間坐標(biāo)定位及空間距離測(cè)量則要求較高。綜上采用Auto-CAD進(jìn)行數(shù)字化建模，更符合實(shí)際電力工作需求。

2 提出方案并制定最佳方案

針對(duì)變電站主體電力設(shè)備建模，依據(jù)建模效率、建模精細(xì)度及可推廣性，主要提出以下3種備選方案。

方案一：使用立方體對(duì)電力設(shè)備進(jìn)行等效替代。此方案建模效率最高，僅需設(shè)備輪廓尺寸即可建模，且此設(shè)備尺寸便于測(cè)量及查找。但建模精細(xì)度不足，對(duì)安全措施布置指導(dǎo)意義有限。且因設(shè)備均用立方體代替，變電站整體建模完成后，盡管可用立面顏色對(duì)不同類型設(shè)備進(jìn)行區(qū)分，但可視化不高，不利于尋找指定設(shè)備。

方案二：使用3D建模對(duì)電力設(shè)備進(jìn)行精細(xì)化測(cè)量。此方案建模精準(zhǔn)度較高，對(duì)現(xiàn)場安全措施布置具有實(shí)際指導(dǎo)價(jià)值，但建模效率低，且所需建模尺寸需精確，但部分運(yùn)行時(shí)間已達(dá)30年的老舊變電站，部分資料遺失或不全，建模數(shù)據(jù)難以獲取。并且精細(xì)建模，模型位面數(shù)較多，全站模型數(shù)據(jù)量較大，后續(xù)使用過程中占用較多內(nèi)存，影響用戶體驗(yàn)。

方案三：對(duì)電力設(shè)備模型進(jìn)行適度簡化，即對(duì)影響施工方案編制和安全措施布置的核心尺寸及立面形狀予以保留，其余部分可使用基礎(chǔ)立方體進(jìn)行簡化，可在一定程度上提升建模效率。但因?qū)δＰ途植窟M(jìn)行簡化，故在實(shí)際作業(yè)過程中，應(yīng)對(duì)安全距離留有裕度。

綜上，3種方案各有利弊，從建模效率及實(shí)際使用體驗(yàn)出發(fā)，方案三更適用于目前實(shí)際電力工作需要。

3 方案實(shí)施步驟和主要做法

空間孿生變電站以站內(nèi)設(shè)備實(shí)際量測(cè)及基建竣工圖紙為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，構(gòu)建設(shè)備平面坐標(biāo)圖及3D空間立體模型。對(duì)于竣工圖紙齊全的新建站及改擴(kuò)建站，可以直接依據(jù)電子化圖紙精準(zhǔn)建模；對(duì)于投入時(shí)間較長，圖紙資料不全、遺失等老舊變電站，可酌情聯(lián)系相關(guān)設(shè)備廠家及設(shè)計(jì)院，亦可使用高精度激光測(cè)距儀、滾輪測(cè)距儀等測(cè)距設(shè)備，對(duì)站內(nèi)設(shè)備布局及設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行較精確的測(cè)量，為后續(xù)建模提供數(shù)據(jù)支撐。

空間孿生變電站以站內(nèi)設(shè)備實(shí)際量測(cè)及基建竣工圖紙為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，構(gòu)建設(shè)備平面坐標(biāo)圖及3D空間立體模型。對(duì)于竣工圖紙齊全的新建站及改擴(kuò)建站，可以直接依據(jù)電子化圖紙精準(zhǔn)建模；對(duì)于投入時(shí)間較長，圖紙資料不全、遺失等老舊變電站，可酌情聯(lián)系相關(guān)設(shè)備廠家及設(shè)計(jì)院，亦可使用高精度激光測(cè)距儀、滾輪測(cè)距儀等測(cè)距設(shè)備，對(duì)站內(nèi)設(shè)備布局及設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行較精確的測(cè)量，為后續(xù)建模提供數(shù)據(jù)支撐。

目前，調(diào)控系統(tǒng)僅提供一次設(shè)備簡化連接示意圖，間隔實(shí)際位置與圖1中所示并無直接聯(lián)系，對(duì)后續(xù)3D建模并無實(shí)際指導(dǎo)意義。以某站35 kV設(shè)備區(qū)為例，建模成果實(shí)施步驟具體如下。

圖1 35 kV設(shè)備區(qū)電氣連接示意圖

第一步，須獲取此35 kV設(shè)備區(qū)所含斷路器、隔離開關(guān)、避雷器、門型架構(gòu)等核心組件空間位置參數(shù)及其平面投影參數(shù)。該設(shè)備區(qū)空間量測(cè)數(shù)據(jù)部分取自現(xiàn)存基建圖紙，部分由激光測(cè)距儀測(cè)距獲取，并據(jù)此繪制出35 kV設(shè)備區(qū)平面坐標(biāo)圖，如圖2所示。

圖2 35 kV設(shè)備區(qū)平面坐標(biāo)圖

第二步，構(gòu)建站內(nèi)設(shè)備及架構(gòu)3D模型庫。變電站內(nèi)電力設(shè)備數(shù)量龐大，但種類有限，且同一電壓等級(jí)設(shè)備型號(hào)基本一致，并具有三相間對(duì)稱性。因此，構(gòu)建設(shè)備及架構(gòu)3D模型庫，將為后續(xù)設(shè)備區(qū)整體建設(shè)提供核心模型支撐。

此處以隔離開關(guān)類設(shè)備為例，簡述設(shè)備類模型搭建過程。

隔離開關(guān)通常包含底座、支柱絕緣子，導(dǎo)電系統(tǒng)與操作系統(tǒng)4個(gè)基本部分。進(jìn)一步細(xì)化，還可分解為動(dòng)觸頭、靜觸頭、操作手柄、操作聯(lián)桿、連鎖機(jī)構(gòu)、接地排等諸多環(huán)節(jié)，如圖3所示。

圖3 隔離開關(guān)實(shí)物圖

在實(shí)際建模過程中，抽取設(shè)備核心空間結(jié)構(gòu)，并依據(jù)工作需求、建模難度等因素綜合分析，最終確定3D模型結(jié)構(gòu)。該設(shè)備區(qū)核心施工環(huán)節(jié)僅涉及架構(gòu)防腐及母線拆作業(yè)，工作內(nèi)容并未涉及隔離開關(guān)，故所建3D模型將僅由水泥柱底座、支柱絕緣子及導(dǎo)電臂構(gòu)成。對(duì)于操動(dòng)機(jī)構(gòu)、地刀、地排等結(jié)構(gòu)，可視后續(xù)實(shí)際使用需求進(jìn)行增減。隔離開關(guān)二維線框模型如圖4所示，3D實(shí)物模型如圖5所示。

圖4 隔離開關(guān)二維線框模型

圖5 隔離開關(guān)3D模型

按照上述步驟，可依次構(gòu)建斷路器、避雷器、電壓互感器、門型架構(gòu)、懸梁、母線等3D實(shí)物模型，分別如圖6、圖7與圖8所示。

圖6 斷路器3D模型

圖7 電壓互感器、熔斷器及避雷器3D模型

圖8 門型架構(gòu)、懸梁及母線3D模型

上述4組3D模型搭建完成后，對(duì)于35 kV設(shè)備區(qū)而言，其所需設(shè)備及架構(gòu)類3D模型庫已基本構(gòu)建完畢。

第三步，在35 kV設(shè)備區(qū)平面坐標(biāo)圖基礎(chǔ)上，依據(jù)間隔空間位置關(guān)系，依次從3D模型庫中選取對(duì)應(yīng)設(shè)備模型，并添加至3D空間內(nèi)。根據(jù)站內(nèi)設(shè)備電氣主接線，對(duì)各設(shè)備接線端子進(jìn)行連接，至此，該設(shè)備空間模型搭建完畢，如圖9所示。

圖9 35 kV設(shè)備區(qū)空間3D模型

在構(gòu)建整體模型時(shí)，通過優(yōu)化圖層，對(duì)設(shè)備、架構(gòu)及連接線等模型要素，進(jìn)行分層管理，以便在實(shí)際工作中，針對(duì)項(xiàng)目對(duì)其進(jìn)行篩選及拓展。

4 確認(rèn)效果

搭建空間孿生數(shù)字變電站，將為施工方案編制及安全措施布置提供重要數(shù)據(jù)支撐。方案編制人員可從設(shè)備區(qū)宏觀俯視圖規(guī)劃特種設(shè)備行進(jìn)路線，多班組作業(yè)人員分區(qū)等；與此同時(shí)，針對(duì)施工細(xì)節(jié)，也可對(duì)單間隔設(shè)備3D模型進(jìn)行分離，從平面及垂直方向三個(gè)維度對(duì)施工機(jī)具抬升及回轉(zhuǎn)安全區(qū)、帶電設(shè)備區(qū)作業(yè)人員安全活動(dòng)范圍進(jìn)行前期估算。施工方案研討階段，通過PC端全景考察、實(shí)時(shí)測(cè)量，將擺脫以往文字描述及照片展示的碎片化、靜止化弊端，方便參會(huì)人員現(xiàn)場溝通對(duì)接施工方案。

以某站35 kV設(shè)備區(qū)架構(gòu)防腐及#6母線實(shí)際改造工程為例，通過構(gòu)建3D設(shè)備區(qū)模型，獲取作業(yè)人員工作區(qū)域與帶電區(qū)域最小安全距離，據(jù)此確認(rèn)施工方案合理性。如圖10、11所示，施工過程中35 kV設(shè)備區(qū)1號(hào)間隔帶電，在拆除#6母線及對(duì)#4母線所在懸梁架構(gòu)進(jìn)行防腐工作時(shí)，作業(yè)人員擬工作區(qū)域同帶電部分安全距離可直接測(cè)量。由圖中數(shù)據(jù)可知，施工工作區(qū)域均在安全距離外。

圖10 1號(hào)間隔3D模型

圖11 1號(hào)間隔門型架構(gòu)3D模型

相關(guān)數(shù)字模型使用后，作業(yè)人員將無需前往變電站查閱相關(guān)土建資料，同時(shí)也不須前往設(shè)備區(qū)對(duì)設(shè)備空間坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)量計(jì)算，僅須在PC端利用建模軟件繪制連接線及空間范圍，同時(shí)與安全規(guī)程要求各電壓等級(jí)安全距離進(jìn)行比較，即可獲知當(dāng)前工作方案是否滿足安全作業(yè)條件。以上述某站項(xiàng)目改造工作為例，使用3D模型后，將節(jié)約交通及人員成本共計(jì)296 h；同時(shí)工作時(shí)長由2.5 h（含交通時(shí)長），降至0.5 h。

目前，站內(nèi)設(shè)備3D模型可在PC端與移動(dòng)端訪問并查看。該類模型除應(yīng)用于施工與檢修方案編制、審查外，也可用于運(yùn)維人員站內(nèi)培訓(xùn)及指導(dǎo)相關(guān)規(guī)程編制。通過設(shè)置接口及管理程序，可同PMS3.0實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，依據(jù)工作任務(wù)及站內(nèi)3D模型，自動(dòng)加載帶電部位，生成相關(guān)安全措施等內(nèi)容，指導(dǎo)作業(yè)現(xiàn)場安全隔離措施布置方案，及特種車輛站內(nèi)行進(jìn)路線及操作范圍。隨在線檢測(cè)裝置進(jìn)一步普及與接入，逐步實(shí)現(xiàn)空間孿生變電站到數(shù)字孿生變電站過渡，構(gòu)建數(shù)字化、智能化運(yùn)檢體系。