基于BIM的變電站三維可視化系統

許佳佳，嚴 棟，是晨光，史秋蕓，胡 鵬

（1.國網無錫供電公司，江蘇 無錫 214100；2.國網無錫供電公司 廣盈設計公司，江蘇 無錫 214100；3.上海九洲信息技術有限公司，上海 200120）

0 引 言

近年來，我國電力網絡呈現出特高壓大規模互聯的全新發展態勢，因此必須對傳統變電站進行改造，同時建設大量的新型智能化變電站，以滿足電網的發展需求。新型變電站面臨電壓等級高、建設時間短、占地面積小、成本要求低以及質量要求嚴格等多挑戰，此外還必須保證投運后能安全穩定運行，在實現電網互聯的同時提高電力系統的電能質量。

智能變電站是電力網絡中不可或缺的部分，需充分提高變電站運維人員的各項技術水平，以保證電網安全、穩定、經濟且優質的運行。目前，變電站運維人員無法在已投運的裝備或系統上直接進行操作、實驗或培訓等工作，且變電站無法模擬實際故障供學員參觀學習，這就使培訓相關學員無法從直接操作或實際故障中吸取經驗。研發變電站三維可視化仿真培訓系統有利于解決上述難題。本文基于建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）對智能變電站的三維可視化仿真系統展開研究，分析了智能變電站三維可視化仿真平臺的系統架構與總設計方案，從設備運行狀態信息、配置描述文件管理以及故障信息傳遞等方面對全景可視化進行研究，實現了變電站高效、直觀且規范的運行。同時通過Unity的真實渲染，構建了便于運維人員直觀學習與查閱的動態可視化畫面。

1 變電站可視化總體方案

變電站BIM可視化運維平臺是一種虛實結合的技術平臺，在上位機、通信光纖以及各類測量轉換模塊的基礎上，實現變電站的BIM可視化在線監測和管理。其本質是將基礎數據、管理數據以及監測監控數據等清晰直觀地展現給運維人員。其中，基礎數據涵蓋了用戶個人信息、變電站多類型線路或設備的BIM數據以及地理信息數據等；管理數據涵蓋了應急處理、故障排查、例行檢修以及設備更換等歷史數據；監測監控數據為傳感器和攝像頭等多種數據收集裝備獲取的各類數據，包括操作人員工作狀態、線路或電氣裝備狀態以及監控設備狀態等。將監測的設備狀態信息、管理文件以及故障告警解析成信息圖形，進而實現在屏幕中直觀監測信息。本文設計的可視化平臺架構可分為網絡連接和邏輯連接兩大部分，能夠實現變電站各類數據信息、電站內智能電氣設備（Intelligent Electrical Device，IED）網絡連接情況以及虛擬端子連接情況的實時查看。

變電站可視化運維平臺可以實時管理全景數據，并將設備狀態、故障信息、配置文件以及通信故障信息進行實時展示。一旦虛擬端子或虛擬通道發生異常，可視化運維平臺能夠在海量數據中迅速尋址，并在顯示屏中突出顯示，以此實現變電站異常信息及故障告警的高度可視化，提高變電站的智能化水平。

2 變電站BIM可視化平臺設計與實現

2.1 BIM配置管理文件可視化

IED的網絡連接圖和虛擬端子的邏輯連接圖可以通過解析變電站配置文件形成，在屏幕中清晰展現數據交換形式和組網架構。基于BIM配置管理文件可視化技術和增強現實技術，實現各個設備的虛擬展示與交互。

2.2 BIM可視化平臺構建

通過BIM技術建設可視化平臺后，需要使用Unity引擎對場景進行渲染。同時需要依據設備的地理位置對相關設備進行再次校驗，并依據主電路圖紙將設備進行碰撞連接，以構建完整的變電站電氣設備3D虛擬模型，變電站整體場景及電氣部分場景如圖1所示。

圖1 變電站3D虛擬模型

為滿足新入職運維人員提高技術水平的培訓需求，需要對多類型設備的二維及三維可視化圖形增加注釋和實時運行工況的數據，并對相關設備和回路進行3D動態渲染，以便對相關變電站電氣設備的動作過程進行查看和學習。變壓器的模擬效果如圖2所示。

圖2 變壓器3D虛擬模型

此外，為加強運維人員對變電站故障嚴重性的認知，需要對多類型設備故障效果進行渲染。主變壓器模擬爆炸起火效果如圖3（a）所示，該效果主要利用了Unity引擎的粒子特效渲染以及光源渲染功能，創建火焰材質球來完成，使火焰效果更加真實。站內電抗器常出現過熱故障，產生冒煙現象，如圖3（b）所示，制作煙霧同樣需要粒子特效渲染，并對周圍進行暗化和陰影處理，使其效果更加逼真。

圖3 核電站電氣設備故障效果

3 結 論

本文提出了一種基于BIM技術的變電站可視化設計方案，解決了變電站設計、施工、運維以及教學難度大的問題。首先分析了變電站可視化的功能需求，其次構建了以網絡連接圖和邏輯連接圖為中心的可視化平臺總體架構，并對設備狀態和BIM配置管理文件進行了設計，最后依托Unity引擎對場景進行渲染，形成了真實直觀的變電站動態畫面，以幫助運維人員對變電站全方面學習。