基于三維模型的變電站智能輔助控制系統設計

劉強, 羅業雄, 陳璨, 高軒, 王鵬洋, 王林林

(1.廣東電網能源發展有限公司, 廣州 510160; 2.北京博超時代軟件有限公司, 北京 100001)

隨著國家電網公司智能電網規模的逐年擴大,各區域智能變電站協調管控、防自然災害、防外力破壞的難度將日益增大。因此智能輔助控制系統建設技術的發展應當緊緊圍繞強化本質安全的核心目標,同時遵循變電站全壽命周期管理理念。通過加快研究更為科學、先進的智能輔助控制系統模塊化建設技術,以不斷提高智能變電站設備運行環境與公共安全狀態的遠程監測及智能化防控能力[1]。當下,如何進一步深刻理解“大運行、大檢修”模式對智能輔助控制系統的功能建設需求,是當今需要重點攻克的課題。

三維可視化平臺厘清了智能輔助控制系統中場景控制策略、設備參數選擇要求、設備配置數量要求、設備布置原則4個關鍵設計輸入元素之間較為復雜的交集關系。三維設計能夠根據變電站各個設備結構構建幾何模型和構件模型,提升變電站整體模型顯示的完整性和直觀性,為變電站智能輔助控制系統穩定運行提供保障[2]。在前端設備效能仿真、二維圖紙自動生成、設備布置和線纜敷設設計方面,應用三維可視化平臺進行設計的質量與效率達到傳統計算機輔助設計(computer aided design,CAD) 難以企及的高度,解決了二維設計無法進行設備三維精準布置和線纜敷設路徑的技術難題,同時應用三維可視化平臺生成的智能輔助控制系統三維模型可供主站端輔助設施監控平臺共享[3]。三維可視化平臺的三維設計功能、建模標準、工作流程、協調管控措施的完成,可實現遠程三維可視化運維、多專業協同以及三維設計成果的共享和應用,進一步提升變電站智能化設計、施工和運維水平,大幅提高勞動生產效率、產品質量和工程全壽命周期服務功能。因此,研究基于三維模型的變電站智能輔助控制系統具有重要意義。

中國大量學者也對此展開了研究,如劉士李等[4]提出了基于改進粒子群優化算法(particle swarm optimization, PSO)的智能變電站五防閉鎖系統優化控制,根據已擬定的有功潮流調度數值構建智能變電站無功優化數學模型,并在基礎PSO算法內添加慣性因子與變異算子,優化其搜索精確度獲得局部最優解,能在一定程度上提高變電站智能化防控能力,但該方法對變電站智能輔助控制的魯棒性不好,抗干擾能力不強;陳紅等[5]提出了一種基于深度學習的電網三維設計智能輔助評審系統,通過深度學習算法對電網工程建設進行三維建模,從而進行智能輔助評審,滿足智能輔助控制需求,但該三維建模方法的時間開銷較大,人機交互性不好。章劍光等[6]提出了基于電網信息模型(grid information model, GIM)模型的智能變電站二次回路三維可視化系統設計,對空間數據組織與管理、幾何元素間求交計算、模型切割、模型貼合。在此基礎上采用GIM模型建立時序模型,完成智能變電站二次回路三維可視化系統的設計。但該方法進行三維建模的結構化儲存性能不好,變電站設備的遠程監控及智能化防控能力不高。

針對上述方法存在的問題,現提出一種基于三維模型的變電站智能輔助控制系統設計。首先進行三維建模的數據庫設計,進行智能輔助控制系統的總體構架設計,建立典型設備庫、專家策略庫、工程數據庫的數據庫架構設計,采用三維模型實現變電站智能輔助控制系統的遠程三維可視化,進行變電站智能輔助控制系統的三維設計模型校驗,最后進行仿真實驗分析,展示該系統在提高變電站智能輔助控制方面的優越性能。

1 變電站智能輔助控制系統總體構架及集成設計

1.1 系統總體構架

變電站智能輔助控制系統的任務是為設備管理、故障檢修和重大決策提供綜合管控手段,擬解決數據輔助不到位問題。輔助控制系統對象為變電站內各類基礎設施及輸電配電設備,可以有效解決輸出功率較高且波動幅度較大問題。變電站智能輔助控制系統需要達成優化配電設計、提升電能質量,減輕工作人員勞動力的目標,提高整個輔助控制系統的綜合管理水平。變電站智能輔助控制系統以關系型數據庫系統SQL Server作為數據管理引擎,采用Revit軟件管理三維數字化模型,AutoCAD管理設計圖紙資料。該系統在典型設備庫、專家策略庫等資源管理模塊基礎上,構建系統平臺應用功能的集成環境,完成智能輔助控制系統平臺框架搭建,為系統平臺應用功能的實現和集成提供底層技術基礎和數據服務。系統總體構架圖如圖1所示。

1.1.1 數據管理平臺

數據管理平臺包括工程設備庫、業務數據庫、三維模型庫和圖紙文件資料庫等數據服務模塊,為應用功能提供數據服務[7]。其中工程數據庫參照設備廠家提供的設備運行參數、設備型號、設備關聯的文件資料等數據,建立工程設備庫的設備目錄表、51個設備屬性表及三維模型表;根據對前端設備、二次屏柜、功能單元、屏柜接線端口之間邏輯接線關系的分析結果,建立業務數據庫,為實現二次回路輔助設計數據的數字化流轉提供數據服務。

1.1.2 資源管理層

資源管理層是變電站智能輔助控制系統平臺核心規則的數據服務模塊。資源管理層包括典型設備庫、專家策略庫,存儲前端設備的選型規則、布置算法、場景化智能輔助聯動控制策略。

(1)典型設備庫。根據需求調研資料中前端設備的分類和關鍵參數要求,建立典型設備庫,并將5個子系統的51類前端設備入庫,對設備分類、關鍵參數和設備三維模型統一管理,為智能輔助控制系統進行自動設備選型布置提供典型數據。

(2)專家策略庫。基于現有智能輔助控制系統規范,結合智能輔助控制系統的現有工程設計實例,得出變電站智能輔助控制系統的場景信息、聯動策略、前端設備配置規則及前端設備布置規則。

1.1.3 應用功能層

應用功能層包括三維設計模型校驗、設備自動選型布置、設備效能仿真校驗、二次回路輔助設計、線纜敷設設計五個功能子模塊;通過三維設計模型的校驗,完成變電站設備的自動選型布置、效能仿真校驗,二次回路輔助設計及線纜敷設設計。

1.1.4 成果輸出層

成果輸出層完成智能輔助控制系統的三維數字化模型、設計施工圖圖紙、效能仿真報告及報表等設計成果的輸出,實現三維設計成果的共享。

圖1 系統總體構架圖Fig.1 Overall architecture of the system

1.2 系統集成設計

基于三維模型的智能輔助控制系統的集成設計流程如圖2所示。

由圖2可知,首先應按照變電站的現行規程規范,結合現有工程的設計資料,對前端設備的安裝、接線、控制方式進行了詳細分析,再整理了屏柜、功能單元、前端設備的邏輯關系,結構化數據格式,存儲格式,接線規則,編號規則等資料。將智能輔助控制系統引入變電站三維設計模型中,調用模型校驗規則對變電站三維模型進行校驗。

通過校驗后,進行功能區域識別和功能區域場景配置,調用專家策略庫、典型設備庫,按照功能區域進行智能輔助控制系統的子系統配置,依據專家策略庫中的自動選型規則和布置算法對智能輔助控制系統的子系統進行前端設備自動選型和布置,并對前端設備編碼[8]。

前端設備選型布置完成后,對主動型前端設備進行效能仿真校驗,驗證主動型前端設備選型布置的合理性,優化前端設備布置。效能仿真校驗通過后,進行前端設備的信息配置,補充前端設備的廠家名稱、運行參數、設備型號等信息。在屏柜三維模型和前端設備三維模型基礎上,通過模型-視圖-控制器(model-view-controller,MVC)模式開發Web Service控制前端功能操作,基于Div+Css頁面布局進行交互操作,使用正則表達式實現屏柜、功能單元及前端設備的邏輯連接關系配置,完成二次回路輔助設計,具體流程如圖3所示。

二次回路邏輯連接關系保存到業務數據庫。線纜敷設設計模塊根據二次回路邏輯連接關系和線纜主通道三維模型,實現線纜自動敷設,生成線纜清冊,數據保存到業務數據庫。最后輸出三維數字化模型、設計施工圖圖紙、效能仿真報告及報表等設計成果,實現三維設計成果的共享。

圖3 二次回路輔助設計流程Fig.3 Secondary circuit aided design process

2 變電站智能輔助控制系統的三維設計

2.1 三維設計模型校驗

為了實現對變電站的三維建模,采用模型數據校驗方法檢查變電站智能輔助控制系統所需要模型的參數信息[9],變電站智能輔助控制的測度距離為

(1)

根據模型定義規則開發校驗工具,自動校驗所選設備的模型屬性信息表示為

(2)

式(2)中:Li為變電站低頻減載;Ni=(ei,1,ei,2,…,ei,D)為每個場景匹配的變電站配電節點e集合。

對應每個場景匹配的前端設備,得到設備選型布置的三維迭代方程[10]為

(3)

對不同信道的變電站控制輸出信號進行相干性檢測,結合碰撞檢查和光束輻射的動態模擬方法,得到均衡控制方程為

(4)

式(4)中:JR,j(n)為停電區域樣本集;JI,j(n)為故障區域樣本集。

讀取攝像機光束的輻射基點[11],得到變電站智能輔助控制的多普勒頻譜描述為

eR,j=[|yR,j(n)|2-R2,R]*yR,j(n)

(5)

式(5)中:yR,j(n)為局部短路區域樣本集;R2,R為屬性值集合。

采用紅外像素特征重構方法,進行三維視覺建模,創建出監控范圍的三維視圖,輸出的三維視覺特征信息為

(6)

以攝像機的最大視角為三維建模的視覺信息采樣點,根據參數創建監控范圍的可視化三維模型。

2.2 紅外雙鑒三維建模

變電站智能輔助控制系統采用紅外雙鑒三維視覺成像方法進行變電站的監控識別,變電站智能輔助控制系統場景信息為

(7)

根據圖像像素級視差函數進行三維建模,得到圖像序列在視線方向的三維特征量表示為

Rw(l)=E[w(k)wH(k+l)]

(8)

式(8)中:E為度量空間;w(k)為具有決策類型的數據集;wH為誤差平方準則;k為決策單元;l為可信度;δl為單位沖激響應函數;e為置信水準;aH為聚類準則;θ0和Δ分別為重構的三維數據場空間參數和平衡系數。

計算局部灰度信息為

(9)

三維建模的3D Textrue和3D Array坐標分布式為

(10)

式(10)中:Wx(t,v)為單節點負荷計算模型;|X(v)|為射線模值;|x(t)|為單節點力矩平衡性。

結合頻譜特征提取,得到變電站智能輔助控制系統各功能區域的三維建模輸出為

a∈A

(11)

采用相干關聯檢測方法進行變電站三維模型中的功能區域標識信息檢測,結合數據融合和三維圖像識別方法,進行變電站智能輔助控制系統的三維設計[12]。

3 三維建模算法優化

為進一步提高三維建模輸出質量,需要對三維建模的算法進行優化。采用三維模型實現變電站智能輔助控制系統項目的遠程三維可視化運維處理,得到變電站負載均衡配置的平均互信息量為

(12)

對變電站三維模型中的功能區域標識信息、二次屏柜位置等信息進行融合處理[13],得到輸出特征子序列分別表示為

r1(n)=r2(n)exp(-lω0Tp/2),

n=0,1,…,(N-3)/2

(13)

r2(n)=Akexp[l(ω0nTp+θ0)],

n=0,1,…,(N-3)/2

(14)

式中:ω0為設備運行參數屬性信息;Tp為時間窗口;Ak為工程數據庫的設備分類目錄的偏移幅值。

分別對設備運行參數、設備型號、設備關聯特征量r1(n)和r2(n)進行(N-1)/2點盲源分離,得到變電站的三維建模輸出負載量為

R1(k)=R2(k)exp(-lω0Tp/2),

k=0,1,…,(N-3)/2

(15)

R2(k)=Akexp(lφk),

k=0,1,…,(N-3)/2

(16)

式中:φk為輸出擴展相位。

通過管理界面,對設備廠商、設備型號、設備運行參進行擴充和編輯,設計過程數據的數字化流轉[14-15],滿足數據可讀性和共享性的需求,得到變電站智能輔助控制系統項目的遠程三維可視化重構輸出為

(17)

式(17)中:Eelec為廣義能量特征量;EDF為單位增量;δ為穩態特征值;ε為頻譜差;dj為三相電流參數。

(18)

(19)

屏柜接線端口通過線纜與前端設備或功能單元連接,由此實現三維建模,得到三維建模輸出為

(20)

式(20)中:μ為分布期望值;σ為高斯函數寬度。

計算第j=0,1,…,M個采樣點的負載值,根據三維建模結果,屏柜接線端口通過線纜與前端設備或功能單元連接,實現前端設備的通信與控制。根據優化后的參數,創建監控范圍的可見化三維模型[16],如圖4所示。

圖4 監控范圍的可視化三維模型Fig.4 Visualized 3D model of monitoring range

4 仿真實驗分析

為了測試本文方法在實現智能輔助控制系統三維建模中的性能,進行仿真實驗,讀取設備參數庫中紅外雙鑒的“探測距離”“水平探測角度”“垂直探測角度”等信息;讀取紅外雙鑒光束的射出基點和方向信息。根據智能輔助控制系統的設計需要,在工程中已經布置的屏柜中添加指定類型的功能單元,配置功能單元設備的廠家,型號,功能接口,及接口類型等信息,屏柜及功能單元信息以數據形式保存在業務數據庫。

實驗中,依托某110 kV變電站工程,在實際工程中驗證該系統應用功能的性能,運用高精度的監控范圍模擬算法,實現對前端設備監控范圍的對象模擬及監控場景的動態演練。變電站電壓等級110/10 kV,遠景3臺50 MVA主變壓器,本期建設2臺50 MVA 主變壓器;110 kV出線本期4回(其中2回備用),已達遠景規模;10 kV出線遠景36回,本期24回;本期配置10 kV電容器組4臺,遠景6臺;本期配置10 kV接地變及消弧線圈成套裝置2套,遠景3套。10 kV 配電裝置采用戶內移開式開關柜,雙列布置與10 kV開關室,根據上述仿真環境和參數設定,進行實驗分析。

為實現設計過程數據的數字化流轉,滿足數據可讀性和共享性的需求,將設備布置信息、二次邏輯設計信息及線纜敷設設計信息抽象成數據模型。在此基礎上,分別采用本文方法、文獻[4]中基于改進PSO方法、文獻[5]中的基于深度學習方法、文獻[6]中基于GIM模型方法對變電站智能輔助控制系統運行中存在的輸出功率進行測試,輸出功率測試結果如圖5所示。

分析圖5得知,采用本文方法進行變電站智能輔助控制系統的三維建模,提高輸出功率的穩定性,功率較低,且波動較為平緩。這是因為本文方式通過碰撞檢查和光束輻射的動態模擬方法,建立均衡控制方程,提高了變電站智能輔助控制的魯棒性,進而提升抗干擾能力,確保功率保持在小幅度波動范圍。

進一步測試本文方法、文獻[4]方法、文獻[5]方法、文獻[6]方法進行三維建模時的運維閉環管理的處理時間開銷,得到智能輔助控制系統的處理效能測試結果如圖6所示。

分析圖6得知,采用本文方法進行變電站智能輔助控制系統的三維建模的處理效率較好。在運維閉環管理中,本文方法完成終端與主站之間的無通信、無數據等信息處理的時間開銷均低于文獻[4]方法、文獻[5]方法和文獻[6]方法。這是因為本文方法采用紅外雙鑒三維視覺成像方法,并對三維建模進行了有效輸出,提高核心數據管理效果。

圖5 輸出功率測試Fig.5 Output power test

由此表明,本文方法能夠有效提高變電站的運維處理能力,促使變電站設備的三維監控性能得到提升,有利于提高智能變電站設備運行環境和公共安全狀態的遠程監測及智能化防控能力。

根據上述仿真實驗結果可知,本文方法具有一定的有效性。為了進一步證明本文方法的有效性和優越性,在實驗結果的基礎上采用本文方法完成該變電站智能輔助控制系統的三維建模布置,具體如圖7所示。

由圖7可知,本文方法設計的變電站智能輔助控制系統三維建模呈現效果較優,節點清晰,利于變電站智能輔助控制系統在實施控制的時候,能很快找到作業位置,能夠保障變電站系統的智能化管控效果。

圖7 變電站智能輔助控制系統三維建模Fig.7 Three-dimensional modeling of intelligent auxiliary control system in substation

5 結論

依托于某變電站進行變電站智能輔助控制系統的三維建模設計,應用智能輔助控制系統平臺完成前端設備自動布置、仿真校驗、二次回路設計和線纜敷設。根據電氣一次專業、二次專業、土建專業的設計圖紙和智能輔助控制系統專家策略庫中的模型校驗規則對變電站建構筑物、電氣設備及設施進行三維建模。通過對三維設計模型的校驗和修改,使三維設計模型滿足智能輔助控制系統前端設備自動選型布置的要求。研究得知,采用本文方法進行三維建模能實時接收站端視頻、環境數據、安全警衛、人員出入、火災報警等各終端設備上傳的信息,分類存儲各類信息并進行分析、判斷,實現輔助系統管理和監視控制功能,提高了變電站智能輔助控制的魯棒性和變電站的運維處理能力,利于變電站建設和運維的智能監控。