基于GIM的輸變電工程全生命周期三維數字建模應用研究

摘 要：針對電網信息模型（Grid Information Model，GIM）利用不足、與其他平臺業務集成度低的問題，提出一種基于GIM的輸變電工程全生命周期三維數字建模方法，涵蓋三維業務模型與數字孿生構建，打通設計與建設管理環節，避免重復建模，節約成本，最終實現輸變電工程的投—建—運—調全周期應用管理。以200 kV變電站為實踐案例，驗證該方法在全生命周期管理中的應用效果，為電力行業數字化轉型提供了創新解決方案。

關鍵詞：GIM；全生命周期；三維數字建模

中圖分類號：TM769" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）23-0008-06

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.23.002

0" " 引言

在數字化與智能化浪潮下，GIM模型與數字孿生技術在電力行業中潛力凸顯。GIM作為國網三維設計技術規范，加速了電網數字化轉型。數字孿生技術促進了電網運維的革新，通過建模、仿真、監測，能夠打造電網全方位鏡像。GIM為數字孿生提供數據支撐，融合靜態與動態信息，幫助精準構建電網鏡像。GIM模型不僅是物理世界的復刻，更是運維管理的智能助手，能提供實時、全面的數據洞察，引領電網運維進入智能新時代。

GIM演進受軟件平臺數據格式不兼容限制，模型重用性低，形成“信息孤島”[1]，根源在于缺乏完備的信息理論與逆向信息化技術支撐，導致“信息”與“物理”脫節。GIM側重“信息”到“物理”單向轉化，理想化設計難以完全映射現實；信息不對稱致模型多樣，“信息孤島”問題加劇。為破局，引入幾何數據轉換（Geometric Data Transformation，GDT）技術至關重要[2]，它強化“信息”與“物理”雙向互動，促進各階段信息共享。GDT將提升信息流通效率，有效融合設計與現實，消除電力行業“信息孤島”，推動GIM模型向更高層次發展。

針對以上問題，本文提出一種基于GIM的輸變電工程全生命周期三維數字建模方法，實現變電站運維全過程管理的可視化、智能化，提升管理和運維檢修效率。該方法具體將從基于GIM的變電站三維業務模型構建、變電站數字孿生業務模型構建、GIM數據與變電設備臺賬多層級結構轉換、GIM與數字孿生業務模型轉換四個部分展開研究，最終以200 kV變電站為試點，完成基于GIM模型的輸變電工程全生命周期管理應用。

1" " GIM模型工具集

構建基于GIM的輸變電工程全生命周期管理平臺，離不開四個GIM模型工具的輔助，即GIM模型擴展工具、GIM數據剝離工具、GIM數據校驗工具和GIM輕量化工具，通過四個工具集的相互協助，方可完成目標應用的構建。其具體技術路線如圖1所示。

1.1" " GIM模型擴展工具

GIM模型擴展工具結合GIM建模規程規范，制定GIM模型擴展格式，支持設備、部件間關系定義、模型展示以及屬性模板定制，并最終實現擴展后的GIM模型的導出。

1.2" " GIM數據剝離工具

為實現對工程GIM源模型的精細化管理和高效利用，增加了GIM數據剝離工具，旨在實現工程GIM模型的單體設備數據拆分、精準剝離及結構重組，并導出為獨立的設備GIM模型。同時，工具還將提供設備展示、篩選、定位及模型爆炸等功能，以滿足用戶全面了解和深入分析設備信息的需求。該工具能精準剝離目標設備在整體GIM模型中的相關數據，包括幾何信息、屬性信息等，并對剝離的數據進行結構重組，確保數據的完整性和準確性。同時，也支持將剝離并重組后的數據導出為獨立的設備GIM模型，便于用戶進行后續的分析和處理。

1.3" " GIM數據校驗工具

GIM數據校驗工具，旨在對標準GIM模型及其擴展部分進行細致入微的審核和屬性檢查，確保數據的準確性和規范性。在審核和校驗過程中，工具能夠自動識別不符合規范的問題，并進行分類匯總。問題的分類包括但不限于格式錯誤、屬性缺失、數據不一致等，方便用戶快速定位問題所在。根據GIM標準規范，該工具會自動對選擇的工程GIM文件和設備GIM文件進行檢測，如圖2所示。檢測內容包括模型完整性、準確性、一致性等方面，同步生成質檢報告，如圖3所示，幫助用戶快速定位問題并進行修復。

1.4" " GIM輕量化工具

本工具旨在通過一系列模塊和功能，構建專業的GIM模型輕量化可視化平臺[3]，通過解析標準GIM模型文件實現輸變電工程三維設計模型預覽、屬性查看、漫游、測量等，實現三維場景下的工程GIM成果可視化應用和共享。

該工具支持地形影像數據的導入和處理，自動進行切片操作以減少冗余數據，并將數據轉化為三維數字化場景。通過高效的數據處理算法，確保數據的準確性和實時性，為后續的三維模型構建和展示提供堅實基礎。實際效果如圖4所示。

2" " 基于GIM的輸變電工程全生命周期應用構建

2.1" " 基于GIM的變電站三維業務模型構建

變電站GIM模型的構建，旨在突破其作為設計評審與移交基礎數據的局限，深入融合運維與檢修的實際應用場景，為運維人員提供直觀高效的仿真分析、在線監測及故障診斷工具。為此，首先詳盡梳理變電站運維、檢修等業務流程，明確各環節操作規范與要求；隨后，綜合各流程數據需求，系統性地收集并整理設備本體、在線監測、地理信息等多維度數據，運用高級數據分析技術，如統計、歸納與挖掘，對三維模型格式與屬性信息進行精細化分類與解析；最終，結合GIM的數據格式，考慮各種業務的特點和需求，以及數據交換的效率和準確性，實現GIM數據格式的擴展，以支撐各業務三維模型的精細化需求。

2.2" " 變電站數字孿生業務模型構建

2.2.1" " 基于變電站GIM三維業務模型的變電站數字孿生三維全景構建

在構建的高度精確的變電站GIM三維業務模型基礎上，充分利用GIS數據與影像地圖等豐富的變電站周邊環境信息，結合先前任務所確立的三維業務模型框架，打造一個1：1精準復刻的變電站數字孿生三維全景模型，具體包括：1）構建變電站GIM三維業務模型，并對數據模型進行數據解析、簡化、切片處理，完成變電站全站精細化三維建模及可視化；2）加載變電站三維場景，通過位置偏移，使基礎地形影像場景變電站位置與變電站三維場景位置對應，加載相關監控設備，對基礎地形影像場景、變電站三維場景、相關監控設備進行融合配準；3）融合運行、設備等信息，將集成數據與三維模型進行融合，在三維場景內直觀展示設備臺賬數據、實時運行數據、告警數據等。

2.2.2" " 以設備為最小單元的GIM數據剝離

為實現對GIM模型設備的精細化管理，使用GIM數據剝離工具對GIM模型進行數據剝離。首先，對目標設備進行詳細分類，并基于設備的層級結構和屬性信息構建出不同類別設備的標準信息結構樹，這個樹形結構將作為后續提取和分析設備數據的框架和指南；然后，從GIM模型中提取設備的幾何信息（如尺寸、形狀）、物理屬性（如材質、重量）和工程參數（如工作電壓、功率），并根據標準信息結構樹對提取的信息進行組織和匹配，確保信息的完整性和準確性；接著，使用GIM數據校驗工具，對從GIM模型中提取的數據與標準規范要求的設備的層級結構和屬性信息進行校驗，確保提取數據的準確性和一致性；最后，根據校驗結果，對提取的信息進行必要的優化和調整，確保模型的準確性和完整性，輸出滿足標準規范要求的設備GIM模型，該模型能準確反映設備的層級結構、屬性信息以及各種工程參數。

2.3" " GIM數據與變電設備臺賬多層級結構轉換

GIM模型設計文件采用的是參數化模型分級表達的數據組織方式，GIM模型中對整個輸變電工程進行了總站、區域、系統、設備及部件的明確分級，從整體到個體，從全面到部分，層級分明，邏輯緊密。現階段GIM模型和電網管理平臺中設備臺賬的層級沒有建立明確的關聯關系，導致部分數據的共享、信息流轉受到影響，制約了數字孿生變電站的發展和應用。

本模塊開展GIM數據與變電設備臺賬多層級結構轉換技術研究，如圖5所示，通過對GIM數據和變電設備臺賬多層級結構（組成、要素、屬性等）進行深入的分析和拆解，構建數據的關聯關系，將GIM數據與變電設備臺賬的多層級結構相映射，形成與變電設備臺賬多層級結構對應的GIM數據結構。并基于數據的映射關系，構建一套支持設備臺賬多層級擴展結構的GIM建模工具，該工具可將revit等常用設計平臺的GIM模型導出符合設備臺賬多層級擴展結構的GIM模型文件，方便用戶進行數據的導入和導出操作，提高工作效率和準確性。基于上述研究成果，實現變電站GIM模型與設備臺賬多層級結構匹配，以支持變電站運維過程中的數字化管理，提升模型數據的利用效率，支持數字孿生的深度應用。

2.4" " GIM與數字孿生業務模型轉換

本模塊致力于優化Web數據的處理，通過將GIM數據轉換為高效的3DTiles格式，實現了數據的輕量化與廣泛兼容性。3DTiles技術巧妙融合了LOD（多細節層級）策略，構建起一個樹狀結構的層次模型，與二維瓦片地圖相似，顯著加速了三維場景的加載與渲染流程[4-5]。該模型將三維空間分割成多個子區域，每個子區域作為樹結構中的一個節點，內含該區域的幾何邊界信息。這些節點（即tiles）共同構成了tileset，而tileset則以JSON格式進行文件存儲，便于管理與訪問。

在tileset中，核心信息包括boundingVolume、geometricError及content等屬性。其中，boundingVolume詳細描述了節點的空間范圍，可通過region、sphere或box等子屬性具體表示，為空間定位與篩選提供了基礎；geometricError則衡量了渲染模型與理想模型間的幾何誤差，是評估屏幕空間誤差（SSE）的關鍵指標，有助于實現按需加載，優化渲染性能；至于content屬性，它直接指向了當前節點所代表空間區域的模型資源URI，確保了數據的準確鏈接。

3DTiles通過模擬二維瓦片金字塔的方式，利用表面細分技術創建了多精度級別的模型集合。這些模型從tileset的根節點到葉節點，按精度遞增的順序排列，形成了一套高效的數據組織體系。用戶交互時，系統首先根據視錐體與boundingVolume的交集篩選出潛在可見的模型，隨后利用SSE評估進一步篩選，確保僅渲染那些既在視野內又滿足當前視圖精度需求的模型，從而實現了高效、流暢的三維場景展示。

GIM模型轉換主要是對GIM數據進行處理后導出通用三維數據格式。GIM數據由于其本身構成三維模型的最小單元為參數模型，而大部分三維通用數據格式中模型的空間信息均以點、面的形式存儲，因此需要對GIM數據進行解析、建模、組裝、優化、屬性入庫等操作，組裝完成后導出為通用三維數據格式，如OBJ、OFF、FBX，通用三維地理數據，如3DTiles等。

3" " 220 kV變電站試點建設

為了深入挖掘并展示GIM的變電站三維數字孿生業務模型在電力系統中的革新潛力，本文選取一座具有代表性的220 kV變電站作為研究對象。研究的核心目標是構建一套全面而詳盡的GIM數據模型框架，該框架需精準對接變電站數字孿生業務的具體需求，確保從物理世界到數字鏡像的無縫映射。

試點實驗的實施旨在初步驗證所開發工具集的實用價值和廣泛適用性，不僅檢驗其構建基于GIM的變電站三維數字孿生業務模型的能力，還探索其在提升變電站運維效率、增強系統安全性方面的實際效果。這一過程不僅是對技術創新的一次有力實踐，更為電力行業提供了一個可復制、可推廣的數據模型范例。

圖6所示展示了該數字孿生模型的具體建模成果，它不僅高度還原了變電站的物理布局與設備細節，還融入了實時數據監測、智能分析預測等先進功能，為變電站的智能化管理和決策支持提供了堅實的基礎。這一成果的取得，不僅標志著變電站運維管理邁入了新的數字化、智能化階段，也為數字孿生技術在整個電力系統中的廣泛應用與深入發展開辟了新路徑。

4" " 結束語

本文深入探討了基于GIM的輸變電工程全生命周期三維數字模型的構建與應用策略，成功解決了GIM在輸變電領域應用的局限性，如模型適用性不足、跨部門間三維模型格式與屬性信息的差異，以及三維應用平臺通用性挑戰等問題。通過系統梳理并統一各業務部門的三維模型格式與屬性要求，本文實現了對GIM數據格式的有效擴展，從而確保了三維模型在輸變電工程全鏈條精細化管理中的應用，顯著減少了重復建模工作，有效降低了成本。

基于上述研究突破，本文進一步構建了涵蓋GIM數據擴展、數據剝離、數據校驗以及設備拆解等功能的GIM工具集。這一工具集不僅支持對GIM數據進行靈活的屬性擴展與數據剝離操作，還提供了模型校驗功能以確保數據質量，同時實現了設備拆解過程的預演，極大地提升了數據的通用性、可重用性和可操作性。這些成果為電力行業的數字化轉型提供了堅實的技術支撐和高效的解決方案，推動了行業向更加智能、高效的方向發展。

[參考文獻]

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[5] 王笠，方福歆，薛歡.基于三維GIM模型的數據質量智能檢測技術應用[J].電子技術，2023，52（3）：52-53.

收稿日期：2024-07-23

作者簡介：杜浩（1987—），男，貴州松桃人，工程師，主要從事電力信息化軟件開發工作。