基于三維智能輔助模型的輸變電工程全壽命周期控制研究

郭文東, 何萍

(國網寧夏電力有限公司吳忠供電公司,寧夏,吳忠 751100)

0 引言

在以往的輸變電項目建設過程中,往往根據工程所處的實際條件對該項目進行單獨設計,因此提出的建設標準很難統一,致使輸變電項目施工周期長、項目施工質量差[1]。為了解決這一問題,國內外相關學者提出了相應的提高輸變電工程可靠性和全壽命周期的方法,如:王曉波等[2]提出了基于BIM技術的輸變電工程管控模型研究與信息系統實現,通過細化關聯工程專業管控要素,再結合流程化管控機制,融合物聯網與移動應用技術構建的輸變電工程管控模型;黨楊梅等[3]將三維激光掃描技術應用于變電站三維建模中,采用三維激光掃描技術獲取變電站的點云數據,構建變電站的三維模型,為電網工程實現全壽命管理提供了基礎。以上方法都在一定程度上提高了對應項目的可靠性和全壽命周期,但這些方法在將各個階段分割管理,在強調獨立性的同時弱化了整體性。

為了解決以上方法中存在的不足,進一步提高輸變電工程全壽命周期的控制方法,本文提出一種基于三維智能輔助模型的輸變電工程全壽命周期控制方法。該模型將輸變電工程以三維空間向量的方式量化成輔助模型,以三維智能模型作為輔助可以準確觀察在輸變電工程施工過程中的異常故障情況,以及工程的執行進度,從而更好地實現工程施工地準確控制。該模型的應用可以在保證提升輸變電工程質量的同時,縮短輸變電工程的施工周期。

1 基于三維智能輔助模型的輸變電工程全壽命周期控制方法設計

輸變電工程全壽命周期控制方法的設計目的是在保證工程施工質量的同時,縮短輸變電工程的建設周期,從而提升輸變電工程的經濟效益。在此次方法設計中,將整個輸變電工程需要用到的電氣設備以及所有的硬件設施通過掃描的方式得出三維尺寸數據,并以采集的數據為基礎搭建三維智能模型作為輔助模型,全方位觀察工程的執行進度與情況[3]。此次控制方法的設計以輸變電工程的工作模式為基礎,具體的工作模式如圖1所示。

圖1 輸變電工程工作模式圖

從圖1可以看出,輸變電工程的工作模式分為串聯工作和并聯工作2種模式。其中:串聯工作可以保證工程的施工質量,但會花費大量的施工時間,導致工程周期較長;而并聯模式可以實現多個輸變電工程中的子項目同步施工,但在此過程中由于監管不足,容易出現質量問題[4]。為了實現輸變電工程全壽命周期控制方法的設計目的,在此次方法設計過程中,利用構建的三維智能輔助模型,將輸變電工程的串聯與并聯工作模式有機地結合在一起,實現控制方法的優化設計。

1.1 搭建三維智能輔助模型

輸變電工程三維智能輔助模型搭建的基本原理是將電力、空間布局等多個方面的數據集成于同一個模型當中,改變傳統控制方法獨立、單向的管控模式,縮短輸變電工程的設計與施工周期,提高信息的精準性,提高輸變電工程的工作效率[5]。在模型的設計與應用過程中利用了共生理論,共生關系如圖2所示。

圖2 共生關系圖

根據圖2可知,各個共生要素均是獨立的,但又是相互關聯的,共生理論既考慮了單個要素的獨立性,又考慮了關聯在一起后的變化關系。本文通過三維技術的先進性結合共生理論構建三維智能輔助模型[6],其表達式為

Es=f(σs)

(1)

式中,Es表示三維智能輔助模型,f(·)表示三維智能輔助模型與工程全要素共生度之間的關系函數,σs表示輸變電工程的全要素[6],計算如式(2):

(2)

式中,σsi表示工程中各個單元要素的共生度,λ表示共生阻尼系數。

將式(2)的計算結果代入式(1)中,可以得出三維模型的共生度關系,從而確定三維智能輔助模型的結構關系。

三維智能輔助模型融合了輸變電工程中應用的電氣設備、工程線路等多個方面的數據,定義輸變電工程中變電站中電氣一次、電氣二次、變電站土建、輸電線路為隨機變量,分別記為J1、J2、J3和J4,多重數據的融合過程[7]可以表示為

Q=kJ1+(1-k)J2+(1-k)2J3+(1-k)3J4

(3)

式中,k為加權參數,該參數的取值范圍為[0,1],Q為輸變電工程中各個參數的融合算子。圖3為輸變電工程三維智能輔助模型設計流程。

圖3 三維智能輔助模型設計流程圖

根據圖3,可將模型設計流程大致分為3個階段,分別為三維融合數據的采集、初始數據的處理以及三維模型結果的調整與展示。三維融合數據的采集主要是建立項目,進而根據項目情況安裝三維掃描設備,采集三維數據;初始數據的處理主要是通過設計規范庫處理采集的三維數據;三維模型結果的調整與展示主要是設計不同專業三維智能輔助模型。該模型涵蓋的元素有輸電線路、土建結構、電氣一次、電氣二次設備等,進而組合三維模型,并判斷是否存在碰撞:若存在碰撞,返回不同專業三維智能輔助模型設計步驟;若合格,抽取二維圖紙,并且輸出。

以輸變電工程中需要使用的硬件設備為例,利用三維激光掃描設備采集對應的三維數據,掃描設備包括掃描頭、控制器和處理器等3個部分。將掃描設備放置在待建模設備的正前方或正上方,啟動掃描設備到開啟狀態,掃描頭中的激光發射器發射窄束激光脈沖,經過發射器發射,從而獲得所有掃描點的空間坐標集合[8]。以采集到的三維數據為模型基礎,建立掃描空間坐標系,如圖4所示。

圖4 三維掃描空間坐標系

圖4中,X軸位于掃描儀的橫向掃描面內,Z軸位于掃描儀的豎向掃描面內且正方向豎直向上,Y軸位于掃描儀的橫向掃描面內。將采集到的空間坐標數據輸入坐標系中,得到該坐標系下硬件設備三維坐標的量化結果。三維坐標的具體計算過程[8]如式(14):

(4)

式中,S表示掃描設備發射的光線長度,θ表示掃描角度,α表示坐標系XY平面與X軸之間的夾角。

最終得出的掃描結果可以記為(X,Y,Z),分別將采集到的坐標對應到模型中,得出輸變電工程下的三維智能輔助模型,如圖5所示。

圖5 三維智能輔助模型

1.2 安裝輸變電工程控制設備

在搭建的三維智能輔助模型支持下,在輸變電項目工程的施工位置安裝工程控制設備。控制設備的控制流程如圖6所示。

圖6 輸變電工程控制流程圖

從圖6可以看出,經過三維輸變電智能輔助模型的分析可以得出輸變電設備的運行偏差量,得出的偏差量作為控制器的控制量,從而實現對輸變電工程中使用硬件設備的調整與控制[9]。

1.3 輸變電工程全壽命周期分析

1.3.1 決策階段

在輸變電工程項目中,決策階段指從項目構思到工程立項經歷的過程,在此過程中輸變電項目需要進行科學論證和決策,明確輸變電項目中需要建立的變電站規模以及變電站線路的規模,同時確定項目施工位置、技術設備方案、安全指標等重大信息。在該階段控制的過程中,主要是加快項目立項與評估的速度,從而縮短項目工程在該階段的時間消耗。

1.3.2 設計階段

輸變電工程全壽命周期的設計階段建立在決策完成的情況下,在確定工程實施位置的情況下,根據當地的土建結構以及特征確定具體的設計方案。設計過程中需要確定輸變電工程的線路走向、線路分布、電氣設備的型號等[10]。由于輸變電工程較為龐大,在實際設計中需要進行多次實地考察才能得到準確的設計方案,為了縮短工程在設計階段的時間消耗,利用搭建的三維智能輔助模型,在該模型中體現出施工位置的地形走勢和土地特征,從而更快地確定輸變電工程的具體施工方案。

1.3.3 施工階段

施工階段指工程項目立項后,以工程的施工方案設計結果為基礎進行的施工過程,一般來講施工階段可以分為3個步驟,分別為施工準備、執行施工和竣工驗收。該過程以設計結果為數據基礎,利用安裝的控制器來控制相關電氣設備的運行情況,以保證輸變電工程的項目質量。

1.4 輸變電工程全壽命周期控制的實現

借鑒輸變電工程全壽命周期的分析結果,利用安裝的控制設備,在三維智能輔助模型下,從決策階段、設計階段以及施工階段等3個方面分階段實現對工程項目地控制。全壽命周期控制共生關系變化如圖7所示。

圖7 全壽命周期控制共生關系變化圖

共生關系的要素貫穿全壽命周期,施工決策階段根據共生全要素即輔助模型提供的數據進行方案制定等,進而根據決策方案進行控制分析,消除共生要素之間的偏差,重新調整和控制設備,即設計控制方案,從而依照方案施工。其中:輸變電工程的設備控制與工程的線路控制主要為設計和施工階段進行,在設計階段確定線路的分布情況和設備工作的正常浮動范圍以及額定參數,以設定的數據為標準,在施工階段盡量保證實際的施工結果與設計結果保持一致,以實現對輸變電工程的質量控制;而對工程施工周期的控制在工程全壽命周期的所有階段中進行,盡量提高各個階段的工作效率,分別節省各個階段工作的執行時間。另外,工程的決策階段與設計階段可以用并行工作模式進行,在施工階段部分電氣設備也可以選擇并行工作模式,在三維智能輔助模型的監測與控制下,可以得出準確的數據,由此便可以在保證工程質量的同時控制輸變電工程的建設周期。

2 性能比較實驗分析

在性能比較實驗中主要驗證在設計的全壽命周期控制下輸變電工程的應用性能,判斷該方法是否可以保證工程的施工質量,判斷該工程的施工周期是否縮短,因此性能比較實驗的測試指標為工程質量和工程周期。在實驗中,除了本文設計的基于三維智能輔助模型的輸變電工程全壽命周期控制方法外,將文獻[2]方法和文獻[3]方法以相同的方式導入實驗環境中,作為性能實驗的比較方法。

2.1 配置與調試實驗環境

為了完成控制方法的測試工作,首先選擇適合的實驗環境,并導入相關的數據資源。輸變電工程的施工環境如圖8所示。

圖8 輸變電工程施工環境

除了控制設備外,還需在實驗環境中安裝1臺服務器、1臺客戶端主機、1個基站和若干傳感器。在實驗環境搭建的過程中需要注意的是,不同的傳感器需要安裝在實驗環境的不同空間位置上。對每一個傳感器進行編號,在實際的安裝過程中記錄不同傳感器對應的物理位置,并將物理位置數據以及編號數據錄入到測試環境主機的數據庫當中。對安裝完成的硬件設備進行調試,保證輸變電工程的實時運行數據可以穩定地傳輸到客戶端主機當中。在客戶端主機上安裝Windows XP或其以上的操作系統、CATIA V5 軟件、Microsoft Office Excel 軟件、VXelements軟件及 Geomagic Qualify 2012軟件,其中包括檢測軟件、數據處理軟件和統計軟件,通過硬件與軟件的協同工作,將測試指標對應的數據通過硬件顯示屏直接輸出。

2.2 輸變電工程質量檢測

輸變電工程質量檢測分為2個部分:一個為輸變電工程中土建工程的施工、電氣設備的安裝等;另一個為線路中電壓以及電流的穩定情況。設定電流的正常浮動范圍為[5 μA,50 μA],額定電壓及其浮動范圍為220 kV±10 kV。設置實驗比較方法,分別為本文方法、文獻[2]方法和文獻[3]方法,通過傳感器將產生的數據輸入數據分析與比較軟件中,得出輸變電工程中部分分項工程的質量控制結果,如表1所示。

表1 工程質量對比結果

通過表1可知:在文獻[2]方法的控制下,輸變電工程質量的平均合格率為98.8%;在文獻[3]方法的控制下,工程質量平均合格率為99.3%;在本文設計方法控制下的工程質量平均合格率為99.9%,相較于文獻[2]方法提高了1.1個百分點,相較于文獻[3]方法提高了0.6個百分點。原因是由于本文方法以三維智能模型作為輔助,可以準確觀察在輸變電工程施工過程中的異常故障情況,顯著提高了施工質量。

2.3 輸變電工程建設周期

此輸變電工程采用本文方法、文獻[2]方法和文獻[3]方法分別對其進行建模,模擬輸變電工程建設的全過程。若設定項目決策階段的時長都為100 d,其中:文獻[2]方法得到的輸變電工程建設時長共計713 d,設計階段和施工階段的時長分別為 155 d、458 d;文獻[3]方法得到的輸變電工程建設時長共計670 d,設計階段和施工階段的時長分別為 140 d、430 d;本文方法得到的輸變電工程建設時長共計514 d,設計階段和施工階段的時長分別為 80 d、334 d。經過數據對比,本文方法控制下輸變電工程的建設周期相較于文獻[2]方法縮短了27.9%,相較于文獻[3]方法縮短了23.3%。原因是由于本文方法采用了三維智能輔助模型,相較于傳統的三維模型采用了共生理論,使得三維數據更為融合,從而更好地實現了工程施工地準確控制,縮短了建設周期。

3 總結

綜上所述,在輸變電工程控制中引用全壽命周期,并借助三維智能輔助模型可以在工程質量和工程周期兩個方面得到較好的控制結果。然而由于三維智能輔助模型的建設致使工程的經濟成本增加,針對這一問題需要在未來進行進一步研究。