數字孿生變電站建模及應用

陳靜，姜伊

(國網冀北電力有限公司秦皇島供電公司，河北 秦皇島066000)

近年來，為適應居民用電負荷的持續增長及先進電網技術的應用普及，變電站內改擴建工程及技改大修項目逐年增多；同時隨所轄變電站總量及規模不斷增長，站內設備防腐、加固及檢修試驗等日常維護工作亦與日俱增。

內網調控系統及站內圖紙類資料呈現一次接線結構化、量測數據平面化、設備展示孤立化等特征，對設備區實際空間布局、施工安全距離判定、安全措施布置指導等不具備可視化展示及量測能力。

施工方案制定階段工作人員要驅車前往站內核實設備實際空間位置，對圖紙中缺失數據，要重新測距計算，占用車輛及人力資源，費時費力。

方案研討階段部分實施環節無法直觀展示，僅通過文字描述及圖片展示，存在數據碎片化，展示單一化，量測粗略化等特點，難以明確部分具體施工細節，如特種車輛站內行進軌跡，吊臂回轉半徑及伸縮長度限值，施工人員活動范圍同帶電設備空間距離等，施工過程中存在潛在安全隱患。

針對實際工作中存在的上述問題，結合電力生產實際，通過頭腦風暴，擬提出以下三個課題。

從安全可靠、經濟適用、可推廣等多角度綜合分析比較，選擇利用3D建模技術構建數字孿生變電站，對施工方案及現場作業環節進行指導。

1 建模軟件選擇

目前工程常用3D建模軟件有3ds Max、C4D、Maya、SU、AutoCAD、Zbrush6類。不同軟件適用范圍及優勢如表1所示。

表1 建模軟件對比表

數字孿生變電站建模及其應用在于為施工方案編制及現場安全措施布置及完善提供數據支撐及可視化展示。因此，對于變電站及電力設備3D模型細節刻畫及后期光影渲染要求并不高，但對于空間坐標定位及空間距離測量則要求較高。綜上采用Auto-CAD進行數字化建模，更符合實際電力工作需求。

2 提出方案并制定最佳方案

針對變電站主體電力設備建模，依據建模效率、建模精細度及可推廣性，主要提出以下3種備選方案。

方案一：使用立方體對電力設備進行等效替代。此方案建模效率最高，僅需設備輪廓尺寸即可建模，且此設備尺寸便于測量及查找。但建模精細度不足，對安全措施布置指導意義有限。且因設備均用立方體代替，變電站整體建模完成后，盡管可用立面顏色對不同類型設備進行區分，但可視化不高，不利于尋找指定設備。

方案二：使用3D建模對電力設備進行精細化測量。此方案建模精準度較高，對現場安全措施布置具有實際指導價值，但建模效率低，且所需建模尺寸需精確，但部分運行時間已達30年的老舊變電站，部分資料遺失或不全，建模數據難以獲取。并且精細建模，模型位面數較多，全站模型數據量較大，后續使用過程中占用較多內存，影響用戶體驗。

方案三：對電力設備模型進行適度簡化，即對影響施工方案編制和安全措施布置的核心尺寸及立面形狀予以保留，其余部分可使用基礎立方體進行簡化，可在一定程度上提升建模效率。但因對模型局部進行簡化，故在實際作業過程中，應對安全距離留有裕度。

綜上，3種方案各有利弊，從建模效率及實際使用體驗出發，方案三更適用于目前實際電力工作需要。

3 方案實施步驟和主要做法

空間孿生變電站以站內設備實際量測及基建竣工圖紙為數據基礎，構建設備平面坐標圖及3D空間立體模型。對于竣工圖紙齊全的新建站及改擴建站，可以直接依據電子化圖紙精準建模；對于投入時間較長，圖紙資料不全、遺失等老舊變電站，可酌情聯系相關設備廠家及設計院，亦可使用高精度激光測距儀、滾輪測距儀等測距設備，對站內設備布局及設備結構尺寸進行較精確的測量，為后續建模提供數據支撐。

空間孿生變電站以站內設備實際量測及基建竣工圖紙為數據基礎，構建設備平面坐標圖及3D空間立體模型。對于竣工圖紙齊全的新建站及改擴建站，可以直接依據電子化圖紙精準建模；對于投入時間較長，圖紙資料不全、遺失等老舊變電站，可酌情聯系相關設備廠家及設計院，亦可使用高精度激光測距儀、滾輪測距儀等測距設備，對站內設備布局及設備結構尺寸進行較精確的測量，為后續建模提供數據支撐。

目前，調控系統僅提供一次設備簡化連接示意圖，間隔實際位置與圖1中所示并無直接聯系，對后續3D建模并無實際指導意義。以某站35 kV設備區為例，建模成果實施步驟具體如下。

圖1 35 kV設備區電氣連接示意圖

第一步，須獲取此35 kV設備區所含斷路器、隔離開關、避雷器、門型架構等核心組件空間位置參數及其平面投影參數。該設備區空間量測數據部分取自現存基建圖紙，部分由激光測距儀測距獲取，并據此繪制出35 kV設備區平面坐標圖，如圖2所示。

圖2 35 kV設備區平面坐標圖

第二步，構建站內設備及架構3D模型庫。變電站內電力設備數量龐大，但種類有限，且同一電壓等級設備型號基本一致，并具有三相間對稱性。因此，構建設備及架構3D模型庫，將為后續設備區整體建設提供核心模型支撐。

此處以隔離開關類設備為例，簡述設備類模型搭建過程。

隔離開關通常包含底座、支柱絕緣子，導電系統與操作系統4個基本部分。進一步細化，還可分解為動觸頭、靜觸頭、操作手柄、操作聯桿、連鎖機構、接地排等諸多環節，如圖3所示。

圖3 隔離開關實物圖

在實際建模過程中，抽取設備核心空間結構，并依據工作需求、建模難度等因素綜合分析，最終確定3D模型結構。該設備區核心施工環節僅涉及架構防腐及母線拆作業，工作內容并未涉及隔離開關，故所建3D模型將僅由水泥柱底座、支柱絕緣子及導電臂構成。對于操動機構、地刀、地排等結構，可視后續實際使用需求進行增減。隔離開關二維線框模型如圖4所示，3D實物模型如圖5所示。

圖4 隔離開關二維線框模型

圖5 隔離開關3D模型

按照上述步驟，可依次構建斷路器、避雷器、電壓互感器、門型架構、懸梁、母線等3D實物模型，分別如圖6、圖7與圖8所示。

圖6 斷路器3D模型

圖7 電壓互感器、熔斷器及避雷器3D模型

圖8 門型架構、懸梁及母線3D模型

上述4組3D模型搭建完成后，對于35 kV設備區而言，其所需設備及架構類3D模型庫已基本構建完畢。

第三步，在35 kV設備區平面坐標圖基礎上，依據間隔空間位置關系，依次從3D模型庫中選取對應設備模型，并添加至3D空間內。根據站內設備電氣主接線，對各設備接線端子進行連接，至此，該設備空間模型搭建完畢，如圖9所示。

圖9 35 kV設備區空間3D模型

在構建整體模型時，通過優化圖層，對設備、架構及連接線等模型要素，進行分層管理，以便在實際工作中，針對項目對其進行篩選及拓展。

4 確認效果

搭建空間孿生數字變電站，將為施工方案編制及安全措施布置提供重要數據支撐。方案編制人員可從設備區宏觀俯視圖規劃特種設備行進路線，多班組作業人員分區等；與此同時，針對施工細節，也可對單間隔設備3D模型進行分離，從平面及垂直方向三個維度對施工機具抬升及回轉安全區、帶電設備區作業人員安全活動范圍進行前期估算。施工方案研討階段，通過PC端全景考察、實時測量，將擺脫以往文字描述及照片展示的碎片化、靜止化弊端，方便參會人員現場溝通對接施工方案。

以某站35 kV設備區架構防腐及#6母線實際改造工程為例，通過構建3D設備區模型，獲取作業人員工作區域與帶電區域最小安全距離，據此確認施工方案合理性。如圖10、11所示，施工過程中35 kV設備區1號間隔帶電，在拆除#6母線及對#4母線所在懸梁架構進行防腐工作時，作業人員擬工作區域同帶電部分安全距離可直接測量。由圖中數據可知，施工工作區域均在安全距離外。

圖10 1號間隔3D模型

圖11 1號間隔門型架構3D模型

相關數字模型使用后，作業人員將無需前往變電站查閱相關土建資料，同時也不須前往設備區對設備空間坐標進行測量計算，僅須在PC端利用建模軟件繪制連接線及空間范圍，同時與安全規程要求各電壓等級安全距離進行比較，即可獲知當前工作方案是否滿足安全作業條件。以上述某站項目改造工作為例，使用3D模型后，將節約交通及人員成本共計296 h；同時工作時長由2.5 h（含交通時長），降至0.5 h。

目前，站內設備3D模型可在PC端與移動端訪問并查看。該類模型除應用于施工與檢修方案編制、審查外，也可用于運維人員站內培訓及指導相關規程編制。通過設置接口及管理程序，可同PMS3.0實現聯動，依據工作任務及站內3D模型，自動加載帶電部位，生成相關安全措施等內容，指導作業現場安全隔離措施布置方案，及特種車輛站內行進路線及操作范圍。隨在線檢測裝置進一步普及與接入，逐步實現空間孿生變電站到數字孿生變電站過渡，構建數字化、智能化運檢體系。