智能变电站二次回路三维建模及全景可视化研究 / 开普饭

第34届世界电动车大会征文专区

随着电网三维建设的稳步开展与推进，当前智能变电站光纤回路平面可视化仅局限于二次检修光纤回路信息读取及故障快速定位，已难以满足智能变电站二次检修的运维需求。针对智能变电站二次系统三维建模等关键技术缺失、三维场景相关高级应用缺乏的现状，国网新疆电力有限公司经济技术研究院、湖北大学计算机与信息工程学院的研究人员赵昂、王洪涛、赵军、梁钢、邓睿智,在2020年第12期《电气技术》上撰文，提出了三维模型快速成像及自动布线技术，实现面向智能变电站二次回路的三维全景可视化。

通过Unity3D引擎构建了二次对象三维模型库，借鉴《智能变电站光纤回路建模及编码技术规范》在变电站物理配置说明（SPCD）模型文件中扩展电缆回路、端子排、硬压板、三维模型接口等属性信息，实现供电设备模型信息的完整性和交互性，利用三维全景展示逆向解析技术实现了智能变电站二次系统三维模型、电缆回路、光纤回路、逻辑回路、设备信息等内容在三维场景下的实景可视化及互动化展示，填补了变配电二次系统领域三维模型配置、交互、展示等空白，便于设计院电网三维一次设计成果与二次系统的融合，扩展了二次系统三维模型的应用空间，并在新疆博州110kV凤栖变进行了试点应用。

输变电设备物联网的建设要求既全面覆盖智能变电站一次设备又全面覆盖二次设备，要依靠标准化的一、二次设备模型，一、二次设备运行数据信息采集和交互，服务于输变电设备运行状态展示和分析，服务于智能高效运维检修。

输变电工程三维设计技术已日趋成熟并进入推广应用阶段，但变电站二次系统三维建模等相关技术研究尚未系统开展。由于缺少变电站二次系统三维建模及可视化等关键技术，无法构建二次系统三维模型，二次系统运行信息不全面，影响输变电设备物联网的建设与应用。

三维数字化技术是通过一定软件采用面向数字化基本构件，辅以电网技术专业手段，以建立对象三维数字化模型为目标的一种信息化手段。随着信息化技术的不断发展，三维技术手段已在建筑、交通、医疗等多个领域广泛应用，电力领域内也在稳步推动三维技术在各个阶段的应用，三维技术已成为一个行业发展趋势。

相关研究通过工程实例探索了变电站的三维设计及数字化移交工作，实现了三维建模、二三维贯通、碰撞检查、自动工程量统计、三维漫游、三维设计二维出图等功能。但现阶段国内变电三维数字化技术的研究主要还是面向电气一次专业、土建专业，同时其研究范围主要集中在变电设计、地理场景仿真等方向。

与此相关地，国家电网公司先后发布了〔2018〕585号《关于全面应用输变电工程三维设计及建设工程数据中心的意见》、〔2019〕63号《输变电工程三维设计模型交互规范》等多项文件，以支撑三维数字化技术在变电设计阶段的设计开展及数字化移交。

然而，在变电二次方面，由于更多的是体现功能原理，较难具体为三维实物模型，其相关的三维数字化方面的研究还较少，三维数字化技术在二次系统的应用方面仍处于起步阶段。

在智能变电站二次回路可视化方面，目前多停留在二维平面可视化的方向上，对于实回路的展示不能直观地与实际变电站现场进行坐标位置的对应。

本文面向智能变电站二次系统回路，在二次对象三维建模及可视化方面进行深入研究，通过全景可视化的方式实现三维场景下二次系统物理回路及逻辑回路信息的完整展现，为智能变电站三维可视化运维的研究和发展提供参考。

1 整体方案设计

智能变电站二次系统三维全景可视化的实现，依赖于变电站系统配置描述（substation configuration description, SCD）文件、全站光纤物理回路配置文件（substation physical configuration description, SPCD）、全站二次对象三维模型三者间的数据扩展及交互。

SPCD文件虽然很好地描述了全站光纤物理回路信息及二次对象的层级关系，但缺失电缆回路部分内容，无法全面描述全站的实回路信息，同时缺少与三维模型的交互方法。二次对象三维模型当前仍处于空白阶段，面向三维全景可视化应用的需求，需要建立完善的二次对象三维模型库，以实现与配置文件的信息交互。整体交互方案如图1所示。

本技术规定了变配电二次回路三维描述文件配置实施流程、模型文件格式、模型文件命名、模型配置工具的技术要求，补充了电网信息模型中二次设备基本图元信息。

利用配置工具开展智能变电站二次回路三维建模宜满足以下3点要求：①二次回路三维模型文件独立配置；②二次回路三维模型实例化流程独立配置；③全站配置完的二次回路三维模型独立，智能变电站电网信息模型（grid infor- mation model, GIM）建模应遵循相关标准要求。

为满足二次回路三维全景展示需要，本技术补充了智能变电站二次对象GIM中的基本图元，二次对象GIM建模应参照执行。

本技术中定义的IP3D和P3D三维模型文件均应采用UTF-8编码的XML文件格式，扩展名分别为.ip3d和.p3d。

IP3D和P3D在IPCD和SPCD基础上构建，包含二次系统电网标识系统编码及二次回路线缆信息；通过P3D配置工具导入IP3D文件，完成全站三维物理回路的配置，并形成P3D文件；P3D文件和GIM文件中包含二次系统屏柜、设备等对象的电网标识系统编码，用以实现电网标识系统编码索引的模型交互；P3D文件通过GIM逻辑模型文件（*.sch）实现二次系统三维模型与GIM模型的物理对象及线缆交互；P3D文件与SCD文件通过智能变电站装置和插件端口的命名与标识，实现逻辑回路与物理回路的信息交互。

图1 三维全景可视化展示交互方案

在P3D文件和SCD文件虚实回路对应的基础上，可结合GIM中二次对象几何模型实现二次回路三维全景展示。二次回路三维全景展示过程如图2所示。

图2 二次回路三维全景展示过程

整体方案分为四大部分，即逻辑回路配置、三维模型文件配置、三维模型库配置、三维全景可视化展示。

1）逻辑回路配置。

通过现有的系统配置工具进行配置并形成SCD文件，包括了逻辑回路信息及回路端口信息。
2）三维模型文件配置。

扩展现有的光纤物理回路配置工具，增加电缆回路配置及三维接口信息配置，形成P3D文件。
3）三维模型库配置。

通过建立的基本图元库搭建面向实物的二次对象三维模型库，以供P3D文件通过三维接口信息进行调用。
4）三维全景可视化展示。

采用“虚实对应”及“光纤自动搜索”技术实现在三维场景下的二次回路全景可视化展示。

2 三维模型库设计

本文基于Untiy3D引擎实现三维模型配置工具的开发，分别从工程实际二次对象的三维建模及程序角度设计，考虑三维模型库的基本图元分解及层次化结构应用。

2.1 基本图元库设计

智能变电站二次系统三维全景可视化的实现，依赖于所有二次对象的三维建模及呈现，“四统一、四规范”对二次设备的外观进行了统一要求，基本图元库的设计可以按标准进行设计，但此部分规范主要面向测控、网关机、同步向量、网分等自动化设备，未涵盖站内所有设备，同时需考虑兼容已投运设备，面向各类非标的二次设备进行扩展设计。并且，为提高工程设计及配置效率，应对屏柜、设备、线缆、硬压板、端子排等不同对象分类建立最小化基本图元。

二次设备方面包括机箱、面板、插件、端口等；屏柜方面包括屏体、屏眉等；硬压板方面包括硬压板标识、硬压板类型等；线缆方面包括光缆、尾缆、纤芯、跳纤及电缆等；端子排方面包括端子排标识、端子类型等。由此，细化最小图元，通过分类层级管理的方式建立基本图元库，见表1。

表1 基本图元分类

基于三维引擎进行基本图元的分类建立，以二次设备所涉及的基本图元为例，建立的部分三维基本图元示意如图3所示。

图3 二次设备三维基本图元示意图

2.2 组合模型库设计

组合模型库的设计包含物理层面及信息层面两个部分，物理层面基于基本图元库进行二次对象的三维模型拼接，信息层面描述二次对象的基本属性及特殊属性。

物理层面主要基于基本图元库，实现同时保存多个基础图元通过模型互编辑操作，组成一个相对独立且完整的二次对象三维模型；信息层面主要面向二次设备，包括设备类型、设备名称、设备型号、设备版本、生产厂商、所属间隔、额定电流、额定电压、设备管理体系（plant management system, PMS）设备ID号、电网标识系统编码、物料编码等，为各个阶段的模型移交提供保障，并可在全景展示时进行关联性展示。

组合模型的建立步骤如下：①基于基本图元库，批量调入多个基本图元；②对调入的基本图元进行互编辑操作，包括调整基本图元位置、大小、方位等几何变换；③暂存物理模型，进行属性信息的编辑及录入；④保存并录入组合模型库。以二次设备为例，基于基本图元库建立的组合模型示意如图4所示。

图4 二次设备三维组合模型示意图

2.3 模型库管理方式

三维模型管理主要实现对基本图元库及组合模型库的有效管理，目的在于对已有模型数据集合的有效查询及接口引用，以便快速获取所需模型，主要采用可视化浏览及检索分类两种方式进行管理。

可视化浏览是指面向基本图元库及组合模型库，通过层级管理的方式进行可视化浏览，无论二次对象基础图元库还是组合模型库，都存在各式各样的分类，并且，两个库之间也存在着一定的依存关系，故而设计一种树状节点的存储形式把两个库进行关联分类存储，实现对三维模型库的有效管理及使用，如图5所示。

模型的分类及检索密切相关，单纯可视化的方式难以从外观快速衡量同类模型的不同细节，如带有24个百兆口的交换机和20个百兆口、4个千兆口的交换机，同时，组合模型的接口调用缺少惟一标识，因此，需面向组合模型库内的三维模型，进行惟一标识及描述的设置。

惟一标识格式定义如下：className/typeName，className表示组合模型分类名称，包括屏柜（cubicle）、设备（unit）、端子排（terminal）等；typeName表示对象型号，设备类可以厂家型号标注，如PCS931、PCS9882等；屏柜、端子排等可自定义分类，如style1、style2等。

图5 三维模型库存储管理树状节点图

3 三维模型配置文件设计

3.1 三维模型配置文件格式定义

GB/T 37755—2019《智能变电站光纤回路建模及编码技术规范》对智能变电站光纤物理回路已经作了明确规范，按照变电站、区域、屏柜、设备、端口、屏内光纤连接、屏间光缆连接的结构详细描述了各个光纤物理路径的信息走向。因此，光纤物理回路SPCD文件已经很好地描绘了二次对象的物理层级关系及光纤连接关系，是二次系统三维全景展示的基础。

三维模型配置文件可在此基础上进行电缆回路信息的补充建模，由此完善全景回路信息，涉及端子排、电缆等对象模型。面向端子排，按照unit元素格式进行定义；面向电缆，按照core元素格式进行定义。

同时考虑三维全景展示的需要，基于扩展的物理回路模型，面向cubicle（屏柜）、unit（二次物理设备对象，包括智能设备、光纤配线架、端子排等）、cable（线缆）等物理对象进行三维模型交互接口的扩展建模，需增加各个对象的空间坐标及对象模型引用属性，以实现与三维模型库的交互。

三维模型交互接口的扩展建模，其格式如下：

扩展的三维接口元素及属性说明见表2。

表2 三维接口元素及属性说明

3.2 图形化坐标配置

三维模型配置文件内的三维坐标信息及索引信息，采用基于Unity3D引擎的图形化方式进行自动配置，实现小室、屏柜、二次对象的搭建，二次对象三维组合模型的搭建过程中，自动存储各个基本图元的相对坐标，搭建小室、屏柜的过程中，自动计算各个对象的世界坐标。

若直接以立体模型展示反而不方便配置人员的拖动、对齐等操作，因此在本配置方法中不考虑模型的旋转Rx、Ry、Rz，仅配置x、y、z三个自由度，x、y的配置可在二维平面中完成，z的配置通过转换视角，并保持单个维度的自由便可实现。

以屏柜中的设备配置为例，如图6所示，对设备坐标和模型的配置分为两个视图，视图1为主视图，完成二次设备在屏柜内的位置配置（x和y坐标），支持从三维模型库的导入和编辑；视图2为主要完成装置在屏柜内z坐标的配置，即装置在屏柜内的深度。

装置在视图1中可以自由移动，在视图2中仅能进行z方向的移动，其他方向锁死，在两个视图中支持碰撞检测等基本功能，模型在视图中的移动、变换等都会实时映射到三维模型配置文件坐标属性中，如此可确保装置在屏柜内坐标和模型的可视化配置，实现所见即所得。

图6 图形化配置示意图

4 全景可视化实现

物理回路可视化成像时，基于物理回路层级结构及三维模型接口的定义，按层级结构对物理对象的坐标进行读取并拼接对象。由于模型文件内定义的是各个层级的相对坐标，因此在实际成像时，需要根据定位的小室位置进行世界坐标的变换，最终面向各个端口对象，根据模型文件内定义的线缆连接关系，完成线缆的全景可视化连接及布局。具体流程如图7所示。

图7 全景可视化实现流程图

通过上述物理回路的全景可视化实现方法，结合SCD文件，采用逆向解析的方式，实现智能变电站二次电缆回路、光纤回路、逻辑回路、设备信息的三维全景可视化，技术路线如图8所示，整体流程如下：

图8 三维全景展示技术路线图

1）通过导入P3D文件，进行物理回路信息解析，获取变电站、小室、屏柜、设备、端子排、光缆、电缆等对象的层级关系、设备端口、回路连接关系、三维坐标及模型引用信息。

2）通过导入SCD文件，进行逻辑回路信息解析，获取每个设备虚端子接收和发送信息，以及Inputs定义的接收端口信息，作为虚实对应的基础。

3）通过导入三维模型库，以供P3D模型引用时进行调用和解析，解析过程中，获取所引用的三维组合模型的基本图元构成、相对坐标位置、组合模型属性信息。

4）解析完毕后，通过虚实对应技术实现逻辑回路和光纤端口的映射，基于二次对象三维模型和坐标接口实现二次系统三维成像。

（1）二次对象三维展示。

在三维全景可视化平台实现小室内屏柜、设备、板卡、端口、端子排、线缆等二次对象的三维成像，并支持平移、缩放、旋转等三维场景交互的几何变换。
（2）电缆回路三维展示。

实现屏柜之间电缆端子排接线的三维场景查看，能直观地展示电缆两侧所接端子，同时可查看电缆的长度、使用芯、备用芯等必要信息。
（3）光纤回路三维展示。

实现三维场景下，屏柜内、屏柜间各个设备端口跳纤、尾缆、光缆的接入信息展示，同时可查看跳纤、尾缆、光纤的长度、使用芯、备用芯等必要信息。
（4）逻辑回路展示。

实现每个光口、光纤上流经的逻辑回路信息的可视化展示。
（5）设备信息展示。

实现二次设备所对应的产品信息、资产信息、运维信息的可视化展示。

图9所示为新疆博州110kV凤栖变进行试点应用图。

图9 光纤路径虚实回路三维视图

5 结论

本文面向智能变电站二次系统，研究并提出了一种基于二次回路三维模型构建、实例化配置及交互方法，以实现二次系统三维全景可视化。基于Unity3D引擎搭建了二次系统各类对象的基本图元库及组合模型库，基于光纤物理回路模型扩展端子排、电缆、三维模型接口等属性，采用三维全景展示逆向解析的方式实现了二次系统三维模型、电缆回路、光纤回路、逻辑回路、设备信息的三维场景呈现。

二次系统三维全景可视化直观地展示了二次回路的实景信息，可有效指导施工过程中的光缆、电缆铺设、接线、光纤熔接等工序，提高施工安装效率和正确性，为竣工验收提供准确依据；通过三维可视化展示二次回路物理回路、逻辑回路关联信息，可有效提高回路分析效率，为运维检修的开展提供技术保障；面向三维可视化场景，可更直观地分析光纤回路故障原因，快速定位故障点，可有效满足智能运检的相关需求。

智能变电站二次回路三维建模及全景可视化研究

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