基于三维可视化模拟的变电站构筑设计研究

俞辰颖，宋 晔，寿之奇

(浙江华云电力工程设计咨询有限公司，浙江 杭州 310014)

0 引言

随着我国新一代智能变电站建设试点工作的开展，建立新一代变电站的三维可视化模型已成为研究热点[1]。传统采用3DS MAX、Revit等三维模拟软件建立的变电站模型，更多的是对变电站整体结构进行仿真分析，难以体现设备的细节部分[2-4]。如采用混合式仿真方法对变电站设备和软件仿真，会耗费大量的人力和时间成本[5]。基于虚拟现实技术对纯软件的仿真，在一定程度上提升了模型构建效率。但当变电站结构发生改变，系统难以进行维护和更新[6]。而基于可扩展对象库对变电站设备的动作及异常的仿真，解决了系统改变修改时的复杂问题。但该方法难以实现变电站内信息交互性，会导致智能变电站技术特征难以展现[7]。

针对智能变电站仿真方法存在的不足，引入可视化组件进行设计。采用三维激光扫描技术建立可视化模型。通过可视化组件、配置文件和设备位置，构成智能变电站三维仿真系统。

1 可视化组件装配

可视化模拟组件装配技术运用三维点云扫描、模型渲染和动画封装技术，建立智能变电站三维仿真系统[8]。通过Unity 3D软件执行可视化作业，利用libIEC61850库，实现模块间的通信功能。

智能变电站可视化组件指展现设备三维特征、电气特征和信息交互的可复用组件。在智能变电站内，根据设备功能应用和类别的不同，将设备分为一次设备和二次设备。一次设备主要是指主变压器、断路器、输配电线路、刀闸、母线等用来接收和分配、改变电能的相关设备；二次设备是指对各类保护测控装置、智能终端、智能电子设备(intelligent electronic device，IED)进行保护、控制、检查和测量的装置。

在智能变电站可视化组件中，一次设备可视化组件包括控制模块、二维模块和三维模块。控制模块主要提供可视组件控制接口和属性访问，并对三维模块和二维模块进行控制。二维模块用于构造控制界面的接线图，如设备相关动画、控制脚本和二维图元。三维模块主要用于三维可视化展示，包括模型动画、控制脚本。

二次设备主要为控制模块、通信模块和三维模块。控制模块根据设备功能，监听设备属性并修改和控制三维模块。通信模块用于二次设备的可视化组件，使系统符合IEC 61850标准。三维模块与一次设备的三维模块功能相同。

2 关键技术的应用

2.1 三维点云技术

三维激光扫描基于激光测距实现对象扫描，因此需要从不同角度对物体进行扫描。点云拼接是在遵循实际测量位置的前提下，将不同坐标系下的多站点点云数据统一在一个坐标系内[9]。目前应用较多的为点云拼接方法。本文根据变电站实际建设和运用过程中的特征点，基于Cyclone 软件实现对变电站点云数据的拼接[10-11]。

点云数据拼接执行流程为：在相邻两测站间选定3个公共点作为匹配对象，监测迭代过程中形成的误差值和比率图；当数据匹配的误差限制超过限值后，重新选择公共特征点进行匹配，直至满足精度要求；完成所有站点间点云数据的拼接后，将匹配好的点云约束在一起，完成站间的拼接。变电站点云拼接如图1所示。

图1 变电站点云拼接示意图

2.2 模型的组合拼接

采用三维激光扫描仪获得的点云数据是对空间目标表面信息的采集，并以一种离散数据形式表征。因此，要具体分析目标物的细节特征和形状，将这些离散的不规则点云数据通过三维表面信息的形式来表示，从而建立物体的表面模型。采用“装配组合”的方式构建智能变电站模型，即在建立模型的过程中，将一个复杂的模型转化为多个简单模型的组合；通过建立简单集合模型，以“组合”形式获得具体的实体模型。

变电站三维建模中，采用Cyclone携带的box、cylinder等模型构建较规则的圆形立柱、矩形基座和墙体结构等规则结构。对于不规则的物体，如高压绝缘子串、变压器设备等，一方面可利用Cyclone对该类点云数据进行分块建模和组合。如在建立高压绝缘子时，采用Cyclone中的曲面自动延伸功能生成薄面进行组合。而变压器模型则可通过延伸的长方体组合生成，建立确定的三维模型后，可通过纹理粘贴等操作进行完善。另一方面，可将不规则设备导入Geomagic Studio软件，完成不规则模型创建。针对变电站设备结构特征，选择第一种方法建立变电站模型，再通过3DS Max进行模型拼接。变电站地理信息系统(geographic information system,GIS)设备组合拼接示意图如图2所示。

图2 变电站GIS设备组合拼接示意图

2.3 Unity 3D的三维可视化

Unity 3D作为一款基于虚拟现实开发的简易软件，具备较高的可移植性和易用性[12]。可采用Unity 3D软件实现模型的三维可视化效果。在进行可视化前，首先根据变电磁现场三维点云数据、设备图纸信息等建立基本三维模型，并利用Unity 3D软件对模型进行二次编辑，为设备模型添加材质和贴图等信息。同时，结合设备实际工况添加基本操作动画，如合刀闸、开合断路器等，提高仿真效果逼真度和人际交互能力。为实现模块间的交互，通过对模型进行封装提供交互接口。对于一次设备，由于结构相对较简单，可直接进行模型封装。二次设备由于功能多样化，若对设备的每个模型设计接口，会导致因粒度细化而增加控制模块的耦合度。为控制接口粒度大小、减少控制模块耦合度，选择设备运行状态作为设备接口封装单元。以线路保护装置为例。由于柜面信号指示数量较多，若对每个指示灯均设计一个控制接口，则接口调用相当复杂。因此，选择常见运行状态作为封装单元，每个运行状态封装一个线路保护装置指示灯运行状态。

为精确控制设备模型，设计了一个节点(Node)脚本作为模型对接基本单元。对于每一个三维模型，在Unity 3D中均是一个Game Object类型的游戏物体。Game Object较为灵活。若对于每一个模型单元均采用Game Object单元控制，容易造成混乱。基于此，通过引入Node脚本与可视化组件绑定，保证建立的模块能够快速复用。

2.4 文件的解析

智能变电站中，每个IED均对应一个智能电子设备能力描述(intelligent capability device，ICD)文件。ICD用于描述IED的功能和工程能力。为表征变电站信息交互情况，通过对ICD文件解析来获取二次设备通信模型，并以此为基础构建可视化组件通信模块。根据ICD，文件层次划分为IED智能电子设备、Server服务器、逻辑设备(logical-device，LD)、逻辑节点(loical-dode，LN)和领域对象(domain object,DO)。其中：IED通过逻辑节点，执行变电站自动化功能；Server为通信实体；逻辑节点(logical node，LN)为逻辑设备的最小载体；DO为逻辑节点间的数据载体。

采用广度优先遍历算法遍历IED设备的ICD文件，使队列获取LD、LN、DO、DA节点信息，并由获得的节点信息生成树状结构类文件。LN是信息传输最小载体。以LN作为最小功能单位设计通信模型控制结构，可实现对二次设备功能的准确控制。

对于新一代智能变电站仿真系统，关键是在满足IEC 61850标准协议的前提下实现信息共享与互操作。因此，根据IEC 61850标准将变电站逻辑结构划分为过程层、间隔层和站控层。其中：站控层和间隔层设备间采用“客户端/服务器”通信机制，以制造报文规范(manufacturing message specification，MMS)传递报文信息；间隔层和过程层间采用“发布者/订阅者”机制，通过面向通用对象的变电站事件(generic object oriented substation event,GOOSE)报文传递信息，采用采样值(sampled value，SV)报文传递方式向间隔层交换采样值数据。ICD文件逻辑结构如图3所示。

图3 ICD文件逻辑结构图

3 实例分析

以广州知识城某110 kV智能变电站为例，采用三维可视化组件装配技术进行模型开发。首先，通过三维点云扫描、模型渲染、动画封装，建立变电站变压器、断路器、线路保护装置等一次设备和二次设备的可视化组件。变电站结构可视化组件示意图如图4所示。

图4 变电站结构可视化组件示意图

同时，基于IEC 61850编制的信息交互模块进行信息交互。以某一线路间隔为例，通过解析系统配置描述(system confignration discription,SCD)文件获得二次设备间的信息交互，利用合并单元采集间隔数据信息，生成SV报文和GOOSE报文。智能终端和测控装置间的信息交互采用GOOSE报文传递。保护测控装置采用SV报文传递。变压器间隔SV报表信息如图5所示。

图5 变压器间隔SV报表信息

根据该方法所建立的智能变电站可视化模型场景图如图6所示。

图6 变电站可视化模型场景图

在Unity 3D中，采用拖曳编辑的方式将一次设备和二次设备可视化组件放入实际场景组件的三维模型位置，从而快速完成整改变电站的三维场景可视化。同时，Unity 3D中提供的光照系统和天空盒子可模拟不同光照下的变电站场景。

系统提供了相应的子编辑单元，用户可以通过点击系统中的网络拓扑结构查找相应报文的详细信息。

4 结论

以某110 kV变电站为例，介绍了一种新的智能变电站可视化组件装配技术。利用三维点云数据建立不同结构初模型，采用Unity 3D进行模型化渲染。对建立的各可视化组件，应用“组合”的形式拼装成可视化整体模型。系统装配过程中，可根据ICD文件、SCD文件的解析进行二次设备的通信模型和拓扑结构，并基于IEC 61850库进行可视化组件通信模块，实现设备位置、运行信息的交互，建立新一代智能变电站三维仿真系统。