基于三維可視化的變電站管控系統設計

李環,陳志勇,李博,詹弘,宋敬國

(1.平高集團有限公司，河南 平頂山 467000；2.國網山西省電力公司運城供電公司，山西 運城 044000)

0 引言

隨著社會智能化、信息化、標準化電網建設的飛速發展，傳統的二維平面化數字信息在變電站管控系統中的應用漸漸顯示出弱勢，尤其是在信息表現層面，不能帶來直觀清晰的感受。三維可視化技術彌補了這一不足，可以完成從平面數據到空間數據的采集、解析以及處理。基于三維可視化技術，可構建更為先進的變電站管控系統，對變電站室內外各種電力設備進行建模，還原空間關系，實現可視化設備管理、缺陷跟蹤和安全管控，提高整個管控系統的綜合管理水平。

1 系統需求分析

1.1 整體分析

本文構建的系統基于變電站設計圖紙和服務設備的施工資料，利用虛擬現實技術來實現可視化展示，實現變電、輸電以及配電功能。另外，根據采集到的大量數據，利用三維建模技術達成從散亂數據到可視化圖形的轉換。

1.2 設計原則

該系統需要在滿足三維可視的基礎上，實現跨專業、跨應用的數據融合，對系統的原有基礎功能進行擴展，更順暢地支撐變電站的前期建設與后期運維。

(1)實用性：搭建三維可視化智能變電站管控系統，實現設備管理、數據查詢、統計分析等管控需求。

(2)穩定性：管控系統需在不影響變電站正常運行的前提下配置相關應用，對于測試階段的功能分批次上線，確保原有基礎功能穩定。

(3)可配置：設計的功能模塊支持可配置，需要結合變電站的規模、位置和電壓等級等做不同適配，針對不同類型的變電站匹配最合適功能。

(4)可擴展：對于相同類型的變電站來說，該系統的功能模塊具備可移植性，可以直接部署配置，不需要二次開發。并且隨著需求新增、技術迭代，系統可擴展子功能、子模塊來滿足業務需求，不需要改動整體架構。

(5)安全性：將功能模塊按照實時性要求以及影響程度進行分類，將影響面大實時響應高的模塊與影響面小實時響應低的模塊分別配置于不同分區，互不干擾。并且提供完善的安全策略，預防信息外泄、越級操作[1]。

1.3 技術特點

1.3.1 關鍵技術

(1)三維建模技術

在構建變電站的地面模型之后，還需要對變電站內的各類基礎設施構建三維可視模型，隨著三維顯示要求的提高，建模的復雜度也會隨之上升，當前比較主流的建模方法包括數字立體采集技術、模型參數庫建模技術等，數字立體采集技術主要是利用航空拍攝獲取空間資料信息，而模型參數庫建模技術則是先利用基礎特征昨晚標準化樣本參數，實際過程中根據用戶對參數的調整對參數進行修訂，最終得到實際的數據模型。

(2)一體化建模技術

本系統需要融合變電站模型、輸電配電設備模型和電網物理電力模型為一體，如此連貫打通，才便于設備定位以及數據分析。另外，可自動生成電氣拓撲圖，功率和電壓等勢圖，進行實現信息管控。

(3)虛擬現實技術

虛擬現實技術其實是一種沉浸式的人機交互性很強的構想型技術，它是一個綜合的概念，涉及計算機圖形、計算機網絡、傳感器和并行運算等多種核心技術，它實現了人與機器之間更為自然流暢的交互手段，通過管控系統即可遠程對變電站進行觀測與堅持，并且通過三維可視化技術達到了接近感官實際真實體驗的漫游效果[2]。

1.3.2 通訊方式優勢

該系統采用面向對象的模塊化、分布式設計，系統功能模塊可分布在不同計算節點，采用TCP/IP、UDP/IP協議，通訊模型上既支持傳統規約，同時又提供IEC61850通訊方式。IEC61850通訊方案基于網絡，可與現有規約直接對接，前端圖形展示終端與主機設備、綜合應用設備、后臺服務設備之間都可以采用IEC61850通訊方式。從安全、影響面和通用角度分析其他串口通信方案相比較，結果如表1所示。

表1 通信方案比較表

由此可以看出，不管是配合復雜程度還是易用通用方面，IEC61850方案都有較大優勢，安全性方面只需防火墻做相應的禁ping、禁ftp和指定端口設置白名單等設置即可保證。通信示意圖如圖1所示。

圖1 IEC61850通信規約示意圖

1.4 參數配置

(1)硬件

CPU：≥8 2 GHz

MEM：≥4 G

硬盤：≥100 G

顯卡：≥512 M獨立顯卡

(2)軟件

開發語言：VC++

數據庫：SQL SERVER

(3)性能要求

動態畫面響應：≤2 s

數據實時刷新：≤2 s

遙控檢測傳送：≤3 s

平均成功率：99.98%

主機CPU使用率：正常≤35%，故障≤60%

2 數據模型構建

變電站管控系統是整體真實感依賴于構建模型是否合理，所需功能考慮的是否完善，在現實生活中，變電站是一個復雜度較高的實用場景，不但包含各類設置，還涉及線路鋪排，場地安全等各類因素，因此模型與實際情況的契合度顯得尤為重要[3]。

2.1 建立場景模型

2.1.1 數據采集

可視化變電站管控系統的模型建立需要考慮服務器參數、設備連接情況、電氣安全和安全警示等多方面的因素，數據的原始積累需要依賴施工圖紙、各類設備、關鍵連接的照片以及各個角度的視頻記錄等，實際采集過程中，對不同類型的數據需要有針對性的處理：對于設備數據，可通過互聯網圖片以及實地測量的位置、紋理以及占地面積等信息；對于地貌數據，則需要利用相機將層次感與方位記下來，另外需要對地形紋理、設備形狀以及與線桿及電樁之間的高低落差進行測量與記錄，最后使用圖形處理軟件進行裁剪及顏色等處理。對于其他數據則依賴于運維實施人員的經驗與實際測量數據互為補充。

2.1.2 建立模型

(1)地形：本系統通過規則格網方法將變電站的整體地形進行矩形網格劃分，以各個網格作為基礎，根據顏色以及其他參數對應的轉換為不同的材質，如圖2所示。

圖2 地形網格生成圖

其中，每個點的高度由相鄰點的平均值以及隨機偏移量共同決定，既能體現互相之間的關聯又能體現不同的差異。

(2)設施：變電站的基礎設施主要包括變壓器、避雷裝置、開關柜、無功補償設置等。由于設置數量較多，首先，需要進行分類，然后針對其中的一次設備達到真實還原標準，其他非重要物件可相應調整，針對其中的大型設備還需要先分割，利用3DS MAX定位基礎坐標系，確定最初的多邊形，然后進行擠壓、扭曲等操作進行立體化處理，先將各個部分的簡單模型構建好之后，最終做最后的復雜整合。

(3)環境：為了最終呈現的模型的真實程度與可視化美觀效果，還需要對周邊環境也進行建模，本文采用6面無縫連接的貼圖方式來構建環境部分，將周邊的環境圖片按照區域進行切割，標以一定順序的標號，然后進行三維的無縫連接，搭建與實際情況貼合的環境模型[4]。

2.2 主要算法

本文采用的LOD技術是確保三維可視化系統逼真程度的主要技術，對于不同層次的模型繪制方法有所區別，包含的多邊數目也完全不一樣，最常見的模塊如下。

LOD

{

Level []-設置層次節點列表，按照細節程度排序。

Center 0.0 0.0 0.0-設置細節層次模型的中心坐標。

Range[]-設置距離列表，例如層次中包含n個節點，那么就應該有n-1個距離列表對應，并且必須>0，遞增。

}

在實際建模過程中，實體越復雜，多邊形的數量也會隨之增加，非常不利于后期的管理與維護，因此，在本文設計的三維可視化變電站管控系統中，重點關注空間位置、設備連接以及相關設置的基本參數，對于散熱片柵數等非重要細節利用逐層分解法、頂點生成法和刪除單元法進行了簡化。

(1)在幾何模型中，可以利用逐層分解法基于基礎模型根據特征進行分解，這一方法不適用于細節過多的非幾何模型。

(2)對于控制柜或者控制箱這種具有對稱性或者重復規則的模型來說，可以采用頂點生成多邊形的方法來實現。

(3)為了簡化層次LOD，降低多邊形梳理，可以采用刪除單元法來刪除多余的“面”，利用拓撲結構補充“邊”。

3 后端管控模塊設計

該系統后端管控模塊采用MVC架構模式，即模型(Model)->視圖(View)->控制器(Controller)，對用戶、權限、位置、設備、訪問帳號、告警信息等等進行統一管控。

(1)通過http接口從基站定位引擎獲取相關人員的定位信息。

(2)通過實時數據庫獲取設備當前運行狀態。

(3)通過webservice接口與后臺數據庫實時交互，對記錄進行新增、刪除、修改、查詢。

(4)通過開發razor視圖控制前端展示功能。

后臺MVC框架如圖3所示。

圖3 MVC框架結構圖

4 前端可視化設計

(1)可視化臺賬：將變電站設計的基礎設施、數據庫與三維設備進行捆綁，設備模型、數據屬性均可實現雙向檢索，迅速定位目標設備，查看關聯信息，實現可視化資產管控[5]。查詢流程如圖4所示。

圖4 設備信息查詢流程圖

(2)可視化控制與展示：模擬開關狀態，調節分接頭位置，自動提示相關參數，誤操作提醒，模擬操作結果，確保與現實場景一致。另外，在三維可視化界面可查看遙信變位量、解析處理采集到的遙測量，便于掌控設備當前運行狀態、運行風險。

(3)可視化告警：對于不是人為操作引起的斷路跳閘、已經設備狀態異常、遙信狀態異常、節點狀態異常、鏈路狀態異常和電壓合格率異常等異常現象進行可視化告警，自動在三維場景示意圖出推出告警信息，并有不同音效的提示音，便于及時發現故障或潛在風險。

(4)缺陷管控：系統設計專門的缺陷發布模塊，通過選擇XX變電站XX設備XX模塊，錄入相關的缺陷信息，包括檢測人員、歸屬班組、檢測時間和檢測結論等，并提供字段填寫處理結果，默認為未處理，管理員可更改處理狀態，填寫處理意見。缺陷邏輯如圖5所示。

圖5 缺陷邏輯圖

(5)權限管控：數據庫表保存用戶權限信息，根據分配的不同權限展示不同的功能菜單。具備高級權限的管理員可操作管理頁面，可對數據庫記錄進行增刪改查以及審批，并具有管理其他普通用戶的權限。普通用戶則只具備查看權限，不允許修改或者刪除記錄。

(6)數據分析：為了預測潛在風險，避免拒動或者誤動產生的后果，對采集到的數據及以往的故障利用波形顯示、游標線顯示等方式直觀展示分析結果，找出各類數據之間的關系，為阻斷故障發生提供預判結果。

5 驗證測試

本文設計的三維可視化變電站管控系統在國內某變電站進行了實地部署，測試結果表明：使用人員可以全方位查看各類設備的臺賬信息、運行狀態和告警狀態，數據顯示準確，權限控制精準，告警信息實時，系統運行穩定，為普通操作人員及管理人員都帶來了極大便利。

6 總結

本文搭建了基于三維信息技術的可視化變電站管控系統，詳細描述了模型構建過程，闡述了其中運用的關鍵技術，實現可視化管理、可視化檢索、可視化分析與維護。打破傳統單純文本的管理模式，使操作人員更加直觀方便，也為管控人員決策提供了數據分析結果，實現了變電站系統的智能化管控。