变电站三维建模及精细化管理

金石 易欢欢 王琳 李玮晖 李勇

摘要：随着电网信息化建设加快，大运行和调控一体化深入建设，新建变电站数量与日俱增。变电站无人值守逐步实现，设备监控人员对变电站现场情况越来越陌生，同时在对监控运行数据的处理和信息软件应用学习中，需要耗费大量时间和精力。通过对变电站进行三维测绘建模以及实景扫描拍摄，实现变电站场景的数字化还原，并进一步根据变电站内设备接线图进行模型关联，在變电站的精细化管理上展开深化应用，改变传统设计模式下的工作问题。

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.

关键词：三维变电站;可视化;精细管理

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

中图分类号：F426                                        文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）08-0062-03

0  引言

随着我国经济发展速度不断提升，国民对电力资源“质”和“量”的需求也在不断提高。近年来为了满足广大人民群众的用电需求，我国的电力行业发展异常迅速，随着流程化建立电网建设的速度大幅加快，变电站数量激增的同时变电站运行中出现的运行管理问题也明显地暴露出来，变电站的精细化管理需求日益提高。

传统变电站管理方式多通过运行监控平台的流程控制，以纸质单据或电子表格形式形成运行管理状况汇报。但随着变电站逐步完成集中监控无人值守，设备监控人员对变电站现场设备情况越来越陌生，在变电站设备发生异常及故障的情况下，受制于目前的监控方式和视频监控覆盖率的局限性，监控人员缺乏及时了解现场状况的必要手段。同时，针对“调控一体化”工作完善过程中暴露出来的监控员现场运行经验缺乏、设备原理不熟悉等问题，提出变电站三维建模的数字化可视化方案。三维数字化信息管理平台基于变电站三维可视化的技术，在变电站的精细化管理上展开详细的深化应用设计，以改变传统设计模式下的管理协同工作困难问题。

1  变电站管理现存问题

随着新建变电站投入量的增多，变电站设备监控工作变得更为繁重，加之没有直观易用的工作协同工具，导致变电站运行管理问题逐渐凸显，主要表现为以下几个方面。

1.1 图档的准确性及完整性有误  基于变电站基建完成后移交的竣工图纸资料，图纸内容信息存在表达错误、缺失以及不一致的问题，通过建立变电站三维对象化模型，还原与图纸资料一致的变电站虚拟场景，在建模过程中记录，形成文档记录。

1.2 监控员设备不熟悉  监控员现场运行经验缺乏、设备原理不熟悉。变电站设备运行管理容易出现因粗心大意导致的巡查不到位现象，故障及缺陷处理缺乏计划性和灵活性。

1.3 施工作业效率低下  实际操作传动开关、主变有载开关及重合闸、备自投功能软压板等进行实控验证。遥控软压板后，检查监控画面上软压板位置信号是否正确变位，重合闸充电、备自投充电等遥信信号是否对应变位，均需要人工到现场进行勘察。

1.4 缺少安全分析工具  没有直观的现场施工作业指导系统，对施工车进场需要人员提前到场进行实际勘测。进行限高限宽监测。同时为保证现场施工安全，对设备带电情况还需做其他工作，工作时间长，大修等停电维护时间久。

1.5 设备监测形式陈旧  设备的具体位置和带电情况从图表的展现方式查看，并不直观，容易忽视现场设备的运行隐患。遇到设备事故、异常、越限等问题时不能及时定位以及分析关联设备影响，容易对事故风险和影响范围分析有误。

2  三维变电站精细化管理设计

三维变电站精细化管理主要设计三维数字化信息管理与三维虚拟仿真验证平台两大功能模组。其中，在三维数字化信息管理模组中以实现三维模型管理、三维模型浏览、分类信息管理、数据关联浏览、数据关联管理、数据批量导入管理、权限管理、系统配置，以及还原模型和智能报表等功能模块。并在三维虚拟仿真验证平台上实现仿真漫游、多人联机培训、实时监控数据整合、仿真可视化、机器人巡检、视频监控功能、测距功能等功能模块。整体通过依托于高精度建模得来的变电站内模型，构建功能完备、性能卓越的变电三维信息管理平台，将现有变电站运维数据同虚拟化变电站相融合，实现对电网自动控制、智能调节、在线决策、协同互动的新一代运维管理手段。提升运维工作整体业务效率与质量。

变电站三维建模精细化管理采用主流基于HTML5技术的B/S架构开发，符合信息管理平台技术发展方向，可以为日后系统功能维护升级，进一步拓展完善需求，降低维护成本，提高项目经济效益打好基础。全部平台功能通过web页面实现，以便于实际降低运维人员使用难度，降低人工培训学习成本，改善培训方式1。

系统整体功能结构如图1。

2.1 变电站图档信息管理  通过收集图纸文档资料并形成电子文档。以设计院图纸为依据，对施工方提供的施工图纸以及设备厂家提供的设备接线图纸进行校验，对图纸以及文档中存在的问题进行核对校验，检查厂房，电气沟渠，杆塔及一次设备安装位置，以及设备电压等级是否匹配，设计容量是否达标，设备尺寸是否合适等。根据交叉校验结果，输出问题处理报告。在图纸阶段对三维虚拟变电站模型有整体了解，并协助进行修改和完善。

2.2 变电站三维建模管理  基于高精度场站的扫描结果建模，实现已有变电站三维模型的导入，充分考虑同地区多场站模型切换，实现三维模型管理。对于摄像头、风速计等辅助监控设备，支持变动调整，可以在场景内添加、删除、移动，灵活应对实际环境下的变化，提高模型对实际场站还原的准确度。

系统应用地面激光扫描技术，快速对现场实际环境进行点云数据采集，并同时利用全景相机对现场进行高清全景拍照。后期通过计算机辅助建模，利用采集的高精度点云数据，生成同现场完全一致的三维模型，精確重现变电站内各设备、仪表、线缆、铭牌等细节，而后根据全景照片，制作实景贴图进行模型外观美化，达到精密化建模要求。三维模型进行系统建模审查，并结合电网拓扑关系，根据场站实际的一次接线图情况对精细化模型进行进一步细致定义。将现实场景进行严谨数字化转换，为其它功能提供数据基础。

2.3 场景漫游管理  通过1：1数字化变电站三维场景，显示精细化模型，并实现在场景内进行漫游浏览。模型覆盖一次设备区、室外厂区和室内区域。其中室外区域包含站内实际的变压器、断路器、隔离刀闸、电容器、电抗器、避雷器、监控灯杆、铁塔、栅栏、房屋。通过场景漫游浏览，远程对现场情况进行了解，直观查看更利于掌握现场情况，提高运维工作效率。

室内建模主要包含保护室、开关室、直流设备室等站内房间。其中的保护屏柜等电力设备特写均为现场实际高清拍摄照片的还原复现，可以精确反应设备面板实际情况。

整个漫游浏览过程，操作人员通过鼠标键盘进行在场景范围内无限制的漫游浏览，可自主控制前进、后退、上升、下降以及转向。

同时基于操作人员可能对站内设施不熟悉的问题，增加全站地图作为导航显示，将变电站俯视图100：1缩放作为地图，进行变电站同当前位置的关联，实现点击地图快速定位当前视角到目标位置，以及移动时同步当前坐标到地图内导向标。

2.4 数据关联浏览  在三维平台内，实现点击具体设备模型，查看与该设备相关联的运行监控数据。关联设备ID查看设备参数信息、智能告警信息、运行参数信息、检测数据信息和巡检结果信息等信息，统一提取到Web前端展示，通过后台服务器同现场数据源进行对接，实时刷新关联数据内容，辅助操作人员对变电站进行监控管理。

以三维设备模型为中心实现关联检索功能。一键式快速查看当前设备的各维度图纸、操作文档等资料。主要包括三维模型、竣工图纸、使用说明、设备配置以及其他文档资料。

同时系统实现二三维的站内接线图切换，能够自定义检索查看模式，查看所有信息。系统将采用数据表格、页面展示和三维图形的方式进行数据展示。

按照提供数据文件批量导入，按照使用习惯，进行三维变电站模型、二维变电站图纸、电子文档资料等数据的分类。

2.5 虚拟仿真培训  以工单为指导，以学员参与为核心。通过交互式的三维场景培训使工作过程可视化、形象化，人机交互可操作三维设备模型，区别于传统的文字、图像、影像等教学模式，虚拟实景仿真培训可以增加学员的参与感，从视觉、听觉等多方面强化培训效果，学员以角色带入场景，完成工单赋予该角色的所有操作步骤。通过培训学员即可以熟悉设备的操作过程，也可以掌握操作流程、操作步骤以及不同角色相互之间的协作工作，为实际现场操作积累经验，更好的提高了培训效果。

基于系统建立的变电站三维模型，直观展示站内设备。通过系统培训，更有利于组织人员的培训。模拟操作的功能，能方便培训人员快速了解现场设备的操作。同时，系统的关联查询，将更加利于人员了解现场设备信息，包括图纸信息、设备参数、技术资料等。

2.6 机器人巡检  平台与巡检机器人相结合，利用系统高精度模型远程对机器人系统进行管理，并可在系统内对机器人巡检任务进行可视化设置，并模拟巡检，提高任务编制效率。具备远程实时查看当前机器人位置以及回传图像的功能，可利用高精度场站模型，同现场进行对比。快速识别站内隐患点。

2.7 视频监控  变电三维信息管理平台系统与视频监控平台相结合，主站操作者可直接通过点击监控摄像机模型调取对应的场站监控摄像头实时监控画面，专业人员可以借助于系统内三维模型，充分了解当前的监控周边环境状态，在掌控全局的基础上对监控视频数据进行分析，以便掌握实时动态，避免场站内监控画面过于雷同的困扰。

2.8 其他功能点  ①热敏点标注。全景场景内设备热敏点标记功能，可以通过不同图标进行场站内重点信息的标记，如对于新投退设备进行标注，对于有故障检修设备进行标注，或对于存有缺陷待处理设备进行标注。

②设备机构原理动画。通过对设备进行深层次内部建模，利用三维骨架进行机构原理的动作动画建模，可以让不熟悉设备工作原理的人员了解设备内部运作机制，同时显示各类监控信号的释义等。例如：断路器工作原理动画，隔离开关拉开、闭合动画等。

3  产品特色与效益

①系统基于HTML5技术开发，所有功能均基于页面开发技术，完全支持Web浏览器使用，对客户机无需安装部署额外软件，非嵌入服务，无需客户端安装插件即可使用全部功能，易于使用，并可以作为应用模块嵌入各成熟平台中。

②系统利用先进的激光建模技术，对变电站设备进行精准的三维建模，满足国网330kV以上变电站建模规范，精确到毫米级精度，能极大的保证变电站三维模型建立的准确性和效率。

③系统基于变电站实际场景（全景信息）采集的精确数据，可通过平台对场地内设备的布局，设备实景情况进行直观了解，结合距离高度测量功能，对场景内设备精确管理。三维场景结合全景图随意切换，经过系统的坐标系整合，视角方向完全统一，优势互补。

④系统可与运检在线监控平台，PMS平台，在线监测系统等现有系统平台数据对接，将数据进行汇总展示，在三维平台内结合直观视图，把数据同模型相结合，便于对现场设备的实时监控。

⑤沉浸式三维变电站浏览，第一人称视角移动方便快捷，操作简便，并可随时切换同视角同位置的全景图像，同时提供地图缩略图快速导航，当前位置提示，移动随动标示，室内导航定位等漫游浏览功能。

⑥全站设备与电网一次接线图进行关联，基于拓扑图进行电网模型建模，将三维可视化与电网运行状态相结合，可進行电网带电拓扑的设备带电可视化显示。积累了多年调度领域的研发经验，已实现基于设备状态变化的全站设备带电状态自动刷新。

⑦精确到设备级别的设备定位，展开全站设备树，可以快速定位，结合设备告警、设备报缺、设备检修计划等，可以快速定位关键设备，便于用户应用到实际工作中。

⑧系统可与当今智能巡检机器人监控平台进行对接，在三维场景中，利用现场监控机器人，进行巡检设置，巡检模拟，启动现场机器人巡检等功能。让操作人员直观获得现场周围实际情况，辅助管理人员应用机器人工作。

⑨系统与现场视频监控平台结合，利用现场已有监控设备，结合虚拟场景，实时同实际视频进行对比，便于管理人员查找可疑点，提高管理人员管控能力。

⑩系统支持绝大多数基于三维可视化开展的业务功能，系统拓展性强，且随着软硬件技术发展逐步优化系统整体性能。

4  结论

系统的三维模型平台具有良好的实用性以及应用针对性，可以最大化的解决电网运行的实际问题。使用本系统的三维模型平台将会带来以下的应用价值：

①系统集合多种应用于一体，从根源上解决对变电站维护监控及培训学习过于复杂的问题，为管理人员高效管理系统、把控全局提供了良好的助力。

②系统将各种实时监控功能集合展示，线上线下紧密结合，方便了管理人员对变电站实际情况的直观化了解，避免了因管理人员对电站现场实际状况不熟悉而导致的计划设计和结果评估等方面的失误发生。

③系统数据查看方面，各页面调取方便、展示结构合理，使信息化数据得到了最大限度的充分利用，有效节约了工作人员各个系统间反复查找数据的时间。

参考文献：

[1]彭磊，黄真辉，程平.基于点云数据的变电站三维可视化实现[J].工程勘察，2018，46（04）：65-67.

[2]叶海峰，麦立，栾喜臣，贾伟，李淼，朱刚刚，吕学增.基于变电站三维实景的机器人特巡平台[J].科技创新导报，2018，15（01）：82-83.

[3]吴炳基.基于B/S架构的变电站三维视景系统研究[J].自动化与仪器仪表，2018（06）：22-24.

[4]田小壮，赵丰刚，刘海影，曾庆松，刘力帅.基于点云数据的变电站三维仿真模型的实现及展望[J].四川电力技术，2018，41（04）：32-36.

[5]朱维明，朱涛，高强，林烨.基于三维实景技术的变电站仿真培训平台设计[J].电气开关，2018，56（03）：64-67，72.

[6]田小壮，赵丰刚，刘海影，曾庆松，刘力帅.基于点云数据的变电站三维仿真模型的实现及展望[J].四川电力技术，2018，41（04）：32-36.

[7]邵全，纪陈云，李军.三维全景及全景动态融合技术在智能变电站管理中的应用[J].电子技术与软件工程，2018（04）：168.

[8]程昊，刘建华，杜明义.基于3DMax的电力设施建模方法研究[J].科学技术创新，2018（03）：11-12.