基于三維模型的輸變電運維業務應用開發及實踐

摘" 要：三維模型可拓展信息記錄與展示的維度，極具應用潛力，已在電力規劃、建設、運維等多個環節初步發揮作用。如何更好地應用三維模型，成為行業關注的熱點和難點。該文首先梳理總結三維模型在輸變電運維場景的傳統典型應用，然后從時、空2個維度剖析當下三維模型應用開發不足及與數字孿生技術融合的價值潛力，提出數字孿生三維模型應用路徑，最后結合場景給出若干新應用開發建議。研究成果可為明晰三維模型的應用開發提供參考。

關鍵詞：輸變電場景;三維模型;業務應用;應用開發;數字孿生技術

中圖分類號：TM76" " " "文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）09-0093-04

Abstract： The three-dimensional （3D） model expands the dimension of information recording and display， has great application potential， and has played a preliminary role in power planning， construction， operation and maintenance and other links. How to better apply 3D model has become a hot and difficult point in the industry. Firstly， this paper analyzes and summarizes the traditional typical application of 3D model in the scene of operation and maintenance of power transmission/transformation. Then， it analyzes the deficiency of current 3D model application development and the value potential of integration with digital twin technology from the two dimensions of time and space， and puts forward the application path of digital twin 3D model. Finally， some new application development suggestions are given. The research results can provide reference for the application and development of clear 3D models.

Keywords： power transmission/transformation scene; 3D model; business application; application development; digital twin technology

隨著三維技術的發展，輸變電設備三維模型早期多被應用于虛擬現實仿真培訓系統[1-2]。近年來，輸變電設備三維模型發揮出更多作用，不僅為電氣設備的運維檢修培訓提供了一種高效、安全的方法，而且在數字孿生的應用等新技術的加成下發揮出更大的作用。三維模型對保障輸變電設備的安全運行的作用已得到證實[3-5]。

伴隨數字化設計移交與智能電網管控平臺建設的推進，公司已形成了大量輸變電設備三維模型，并被賦予了數字資產的屬性[6]。三維模型作為一種數字資產，實現數字三維模型資產的保值與增值的需求日益突出。受限于技術發展應用歷程短，三維模型的工程應用技術的設計開發遠遠落后于三維模型產生的進度，挖掘層次不夠深、功能開發不夠廣等問題突出，技術經濟性亟需提升，某種意義上已成為電力行業的數字化轉型的進程制約因素。鑒于此，本文在梳理總結三維模型在輸變電設備運維場景的應用現狀的基礎上，討論分析了三維模型在輸變電場景業務的應用價值，提出了應用功能開發路徑，并給出了若干新功能應用建議。

1" 三維模型在輸變電場景中的應用現狀

1.1" 實物三維模型的應用

模型的定義為通過主觀意識借助實體或者虛擬表現，構成客觀闡述形態結構的一種表達目的的物件。三維模型最重要的特征就是能夠反映、還原對應實物的外觀形態、內部結構，具有立體、直觀、可透視和可360°查看等特點。利用三維模型，可以將宏觀的物體縮小，以查看整體結構;也可將微觀的、密集的物體放大，使人肉眼可見。因此，早在數字三維模型產生之前，各類紙質、塑料制三維模型已在電力行業得到應用。比如利用實物三維模型展示數萬平方公里內的電網架及某特高壓變電站整體結構，或利用實物三維模型透視展示了設備內部機械結構及負荷流向。

隨著計算機軟硬件技術的進步，各類三維引擎對數字三維模型外觀的渲染能力、還原真實紋理的能力、模型容量和模型細節的承載能力都得到了大幅度的提升，從而使得數字化的三維模型更加逼真、好用。相較于實物模型，數字化三維模型的進步使得人們在應用的過程中，空間自由度大大增加。例如同一個模型，實物模型的大小是固定的，而數字化的三維模型可以任意方法縮小。實物模型只有通過塑料等材質才可以觀察內部結構，而數字化的三維模型可任意剖切、隱藏、孤立現實。還原度方面，現在的三維引擎更是可以實現照片級還原，使得數字空間中的三維模型能夠高度還原。

1.2" 數字三維模型的典型應用

數字三維模型拓展了信息應用的空間自由度，利用該特點，近年來在輸變電設備運維環節，開展了諸多應用，以以下4類為代表。

1）輸變電場景三維可視化展示。一直以來，三維建模技術都在向逼真的模擬現實方向發展，在游戲或影視領域已能夠構造足以以假亂真的三維場景。變電站三維模型在注重精確、實用的前提下，也在不斷向實景模型方向進化[7]。目前已部署的輸變電場景模型中已有相當一部分達到了較高的相似程度，特別是重構模型。通過觀察三維模型可以了解輸變電場景環境特征、設備布局、設備型號等，開展了設備認知、虛擬巡視、內部三維結構展示等應用[8]。

2）基于三維模型的數據展示。三維模型的一大優勢就是在保留了直觀、逼真的三維視覺效果的同時，可以在數字空間中同步現實數據信息。在三維模型的設計過程中，就已經開始了信息的整合工作，例如設備型號、參數等，在后期還可將紛亂繁雜的運行監測信息、運維管理系統數據統一整合至三維數字空間，以無處不在的小微智能傳感器及傳感網絡為基礎，以智能電氣設備為載體，并充分結合“云大物移智邊”等數字技術，最終使得輸變電設備處處可見、可知、可控，實現信息的集中展示[9]。這將極大地提高輸變電運維數字化、智能化程度。

3）空間距離三維測量。電力設備三維測量受到帶電設備安全距離的影響，往往難以開展，安全措施的布置依賴于正確地掌握安全距離。在尺寸、定位精確還原的輸變電設備三維模型中，可以無風險地開展各類三維測量，包括設備尺寸、相對距離等基本空間距離的三維測量，電氣設備與梁、柱、墻、樓板、門窗和水工暖通管道之間的硬性碰撞測量及帶電安全距離的測量等。對于偏遠變電站、輸電設備，在制定檢修方案時也能夠省去實地勘測的時間，提高檢修效率。

4）設備實景展示。利用數字化三維模型觀察電力設備，不僅可以將大場景縮小觀察，也可以將微小、精密、復雜的設備放大觀察，以了解設備結構、熟悉設備內部構造。通過構建完整的設備內外部三維模型，實現設備的實景還原，可以在計算機中以任意角度觀察、學習設備的內部結構，通過局部隱藏、孤立顯示等功能，更是可以直觀地觀察到運維過程中難以看到的設備結構，充分理解設備運行原理。這樣的觀察與學習是沒有任何安全風險的，在運維現場是難以實現的。

2" 基于三維模型的高級功能開發潛力分析

上述案例是目前三維模型在輸變電運維領域的主流應用，隨著應用的增多，電網公司也開始提出了數字孿生系統的標準化功能要求。例如，在國網上海市電力公司牽頭制定的T/CES 190—2023《變電站數字孿生系統架構及數據采集技術導則》中定義了變電站數字孿生系統，要求“構建數據、模型深度融合的變電站虛擬現實三維空間運行場景，實現動態、直觀地反映變電站全生命周期運行過程，服務于變電站綜合數字化管理”。其中提出的具體功能要求主要包括以下幾方面。

2.1" 變電站三維模型展示

可瀏覽整站的三維模型，允許變電站模型透明查看，具備模型的移動、縮放、旋轉和選擇功能，可切換到二維主接線圖，告警發生時對應的三維構件通過顏色變化、閃爍等形式進行告警提醒，具備查看變電站工程屬性信息。

2.2" 關鍵運行信息展示

展示變電站主要的運行信息，關鍵運行信息支持人工自定義配置。

2.3" 告警信息統計

支持統計近7 d告警條目數，不同告警等級的比例、告警信息來源比例。

可見，上述規范充分利用了數字孿生三維模型所能提供的空間自由度，設計了以三維查看與信息綜合展示為代表的應用。

通過觀察電力行業從實物模型到數字三維模型的應用發展過程可以看出，當前運維階段應用類型主要基于三維模型自身的幾何特性、優勢而設計，這也是在應用初期必然經歷的階段。當前較為成熟廣泛應用的主要是場景與設備的三維展示、基于三維模型的綜合信息展示、空間距離三維量測等。設備、環境的三維可視化使得設備結構、空間的三維展示成為可能，設計階段信息一體化為綜合信息展示打下基礎，各個系統的運行數據在三維空間的綜合展示是設備屬性信息一體化的一種延伸與深化應用。

然而僅僅從三維模型的空間幾何優勢出發去設計應用是遠遠不夠的，是無法發揮三維模型巨大潛力的。通過觀察其他行業應用可以發現，三維模型的應用類型多種多樣，基于各個行業的需求，結合數字孿生優勢，已開發出了大量高價值應用。例如數字孿生船舶全生命周期管控、數字孿生飛機結構優化設計、數字孿生復雜機電裝備故障預測與健康管理，以及能夠最直觀體現數字孿生特點的模擬飛行。通過應用大氣模型、環境模型、飛機機械模型和操控模型等智能算法，使機場、飛機、環境等三維模型“活”起來，實現極其逼真的飛行模擬。

3" 基于數字孿生模型的輸變電場景應用功能開發

3.1" 數字孿生技術在輸變電運維中的應用價值

數字孿生的一種定義為一種充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據，集成多學科、多物理量、多尺度和多概率的仿真過程。作為一種對現實世界的忠實還原，數字孿生三維模型不僅能夠還原物體的樣貌，更能在各類物理模型的驅動下還原行為，即開展仿真、模擬。

前述應用案例的多樣性是數字孿生技術天然決定的。對于數字孿生，無論是經典的三要素定義，還是陶飛等提出的五要素定義，都離不開“虛擬實體”這一核心內容。其不僅包含了三維模型這一虛擬實體的“肉體”，還包括了物理模型、行為模型、規則模型等從多時間尺度對物理實體進行描述的模型。這些模型是虛擬實體的靈魂，能夠讓數字孿生三維模型活起來，能夠在三維空間中賦予三維模型時間的維度，實現對現實的快速演化仿真、歷史回溯模擬等，使得人們在數字空間可以提取任意時間切片，觀察對應的物理狀態，獲得“時間自由”，從而能夠拓展出更加豐富有價值的應用。

因此，數字化的三維模型之所以能夠產生價值，是因為其在數字空間中從多個維度還原了現實，而在數字空間中人類是擁有遠比現實中強大的能力的。通過前述分析可以將這樣的能力總結為“空間自由”與“時間自由”，這也是數字孿生技術在輸變電運維環節中應用的優勢所在。基于數字孿生模型的輸變電場景潛在應用價值如圖1所示。

利用“空間自由”，開發了輸變電三維可視化展示、綜合數據展示、空間距離三維測量等應用;利用“時間自由”，在其他行業實現了多學科、多物理量、多尺度和多概率的仿真，可在數字孿生空間中逼真地將現實中的過程回溯、快進、演化，并將得到的結果應用于現實，實現價值。

3.2" 基于數字孿生模型的輸變電場景應用功能開發路徑

數字孿生三維模型應用是隨著技術發展而自然產生的，現階段的應用仍主要是各類“展示”功能，僅僅利用了三維模型所提供的空間自由度。可預見的是隨著數字化技術的出現，空間自由度被進一步提升，“展示”的功能更加強大了。在輸變電運維應用領域之所以還未出現能夠更加充分利用數字孿生三維模型優勢的應用，其原因在于缺乏兼具電力專業知識與數字孿生三維意識的專業人員，造成對數字孿生三維模型與運維業務結合度不夠、融合度不深，僅能從三維模型本身的立體、直觀這一自然特點開發應用的現狀。整體技術路線如圖2所示。

數字孿生的內涵是極為豐富的，應該充分認識到，數字孿生是一項通用技術，不僅僅是指可在多個行業開展應用，也指在電力行業的各個階段、各個業務部門均可開展應用。通過分析其他行業的應用可以看到，在設計更多更高價值應用的過程中，不僅需要從數字孿生三維模型本身的幾何特點出發，正向地去設計應用，更需要在充分了解數字孿生技術對輸變電運維的價值基礎上，結合業務難點、痛點，從業務出發去設計更多應用。

3.3" 基于數字孿生模型的輸變電場景若干新應用功能建議

基于上述技術路線，從業務需求出發，利用數字孿生三維模型的優勢，可設計、挖掘出未來可推廣的應用見表1。表1中的應用是在技術路線指導下，將業務需求與數字孿生三維模型的優勢特點進行組合而得來的，其中部分應用已開發完成，處于試應用階段，例如基于三維場景的作業安全培訓，包括安全措施布置、危險點識別、可試錯的培訓和安全技能考核等功能;場站直流系統圖紙的智能三維查看、直流電纜空間分布的三維檢索、直流電流流向的三維可視化仿真等。

實際工程中變電站運維的業務類型、需求是非常復雜的，包括一次設備、二次設備、自動化系統等多業務、多部門。因此未來應在技術路線指導下，充分理解數字孿生三維模型的優勢，從業務需求出發，設計出更多、更有價值的應用。數字孿生的出現不是概念的炒作，是信息化發展到一定程度的必然性結果。數字孿生是一種支撐數字化轉型的綜合技術體系，技術在發展、認識在清晰、應用在深化和體系在演進。落地應用，發揮效益需要經歷量變到質變的過程，需要一定時間才能完成。數字孿生依賴于信息感知、模型構建、軟件開發等技術水平，要實現上述應用仍有諸多關鍵技術或“卡脖子”問題亟待攻關解決。

4" 結束語

數字化三維模型為各類應用的功能設計提供了極為廣泛的空間自由度與時間自由度。三維模型應用開發設計，不僅需要利用三維模型的三維幾何特征去設計應用，更需要充分結合業務難點、痛點，發揮數字化三維模型的優勢，從業務出發去設計開發高級應用。當前輸變電三維模型應用主要是場景的三維展示、基于三維模型的綜合信息展示、空間距離三維測量等，三維模型應用功能挖掘層次不深、功能開發不廣等問題亟需解決。文中給出的若干新應用功能，依賴于信息感知、模型構建、軟件工具的針對性、有效性開發，三維模型的應用功能開發是開放性的，需要持續不斷的努力。

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http：//kns.cnki.net/kcms/detail/23.1202.TH.20211011.1556.002.html.

第一作者簡介：王媚（1970-），女，正高級工程師，高級專家。研究方向為超特高壓輸變電智能運維、數字化技術研究及科技創新管理。