变电站不同三维建模方法的比较

(北京洛斯达数字遥感技术有限公司，北京 100120)

0 引言

随着信息化技术的快速发展，数字化电网、智能电网和泛在电力物联网的概念先后提出，电力行业借鉴建筑行业的建筑信息模 型 (building information modeling，BIM)逐步形成了电力工程信息模型(engineering information modeling，EIM)和电网信息模型(grid information model，GIM)，“数字化工程”逐渐替代“工程数字化”成为大势所趋[1-3]。变电站作为电力系统的主要组成部分，其日常检测与维护的有效性和电力系统安全运行密切相关。变电站三维模型能够直观生动地表达站内设备设施三维空间位置和设备内部结构，因此在变电站三维设计、变电站智能运检管控、变电站仿真培训等方面得到越来越广泛应用。本文将结合实际工程的开展情况，从技术路线、经济性、适用性方面对变电站三维建模方式进行比较。

1 三维建模方式

2010年国家电网公司建设的宁东—山东±660 kV 直流输电示范工程是世界上首个±660 kV电压等级的直流输电工程，工程中坚持科技创新与管理创新并举，在电网工程中首次提出了“三维数字化移交”的新思路[4],工程采用了几何实体建模方法对线路和换流站进行三维建模。2012年国网经济技术研究院提出“构建数字化设计体系，引领电网建设发展方向”[5]，经过多年的发展，电网工程数字化设计技术逐步成熟，2019年初国家电网公司发布了《输变电工程三维设计建模规范》《输变电工程三维设计模型交互规范》等一系列的企业标准，从三维建模、模型交互、软件平台、三维设计、数字化移交等方面规范了数字化电网建设，电网信息模型进入了应用阶段。目前变电工程中应用的三维建模手段主要有几何实体建模、参数化建模、地面激光扫描建模。

1.1 几何实体建模

变电站几何实体建模是以工程竣工图设计图纸、设备照片为依据，按照图纸尺寸及型号等信息1:1构建变电站三维模型。数字化建模主要利用商业化三维软件MicroStation、3DMax、AutoCAD以及SolidWorks等。几何建模主要有四个步骤：①资料收集与整理，收集三维建模所需要的各类设计资料，包括总平面图布置图、透视图、设备尺寸、设备外观图片等，并进行整理；②单个模型构建，按照设计图纸尺寸，利用三维建模软件的各类几何体、放样算法以及复杂的布尔运算生成几何实体模型；③模型纹理贴图，根据现场拍摄相片或者类似的图片，经处理后进行贴图；④模型空间布置，按照变电站总平面图确定变电站各设备空间布置，体现拓扑关系。

变电站数字化移交建模的范围通常包括电气一次设备三维建模、架构、土建设施三维建模以及站内设备导线连接建模，如图1所示。变电站三维模型主要应用于设计交底、施工组织设计、现场施工进度模拟以及物资管理。三维可视化场景接入现场的视频信号、人员定位传感器以及其他物联网设备信息后，能快速构建智慧工地指挥大厅。

图1 数字化移交建模过程示意图

1.2 参数化建模

参数化建模是用一组几何约束和一组参数来约束图形的几何元素之间的关系和尺寸，不同的参数值驱动产生不同大小的、拓扑关系不变的几何图形，通过调整参数来修改和控制图形几何形状的一种建模方法。自2017 年起，国家电网公司以试点工程的形式开始推广应用三维设计技术。常用的变电站三维设计软件有Substation、STD(R) 软件平台 ( 以 AutoCAD 或Revit 为核心)等，三维设计需按照参数化建模方法建立如图2所示各种类型设备的标准三维模型库，覆盖各电压等级变电站内大部分主流设备制造商的三维模型。三维设计参数化建模遵循以下原则：一是提高运行速度，方便协同设计，在满足电气距离校验、土建等各类接口、运检阶段功能应用等需求的前提下，对模型进行简化处理；二是模型包含参数属性等结构化数据信息，方便工程量统计、分析计算以及后期运检录入智能管控系统；三是模型以实物为参照，表达满足要求的空间占位及关键尺寸[6-7]。

图2 变电站设备三维模型库

参数化建模适用于变电站架构、部分设备或线路元件等外形规则的实体，用一组参数约束该几何图形的一组结构尺寸序列，参数与设计对象的控制尺寸有显式对应，当赋予不同的参数序列值时，就可驱动达到新的目标几何图形，建立起的模型实体包含所有设计信息。参数化建模方式为模型的可变性、可重用性提供了手段，使用户可以利用标准的程序快速方便地建立起精细化模型。某750kV变电站三维设计试点工程均采用三维设计参数化建模技术，实现了三维模型空间布置、碰撞检查、电气计算，生成主接线图、完成材料清册、工程量等统计工作。如图3所示。

图3 某750 kV变电站全景和局部GIM模型示意图

1.3 地面激光扫描建模

地面激光扫描三维建模利用移动三维激光扫描仪等设备对变电站设备设施建构筑物进行激光扫描，采集物体表面的三维空间位置信息和纹理信息，然后利用Cyclone、Kubit 以及PointCloud等专业软件构建三维模型。主要有五个步骤：①现场勘探与方案布设。根据现场情况以及设计资料进行数据采集方案布设；②外业数据采集。利用激光扫描仪器开展数据采集工作；③点云数据处理。包括多站点数据配准、拼接、去噪、重采样等处理；④点云数据建模。根据不同的点云特征，建立设备三维空间数据模型；⑤纹理映射。将现场采集到的纹理映射到三维模型上，形成模型的真实纹理[8-12]。

激光点云建模的方法有两种：一是点云数据表面模型制作, 通过构造三角网格逼近扫描物体表面来构建实体的三维模型；二是几何模型制作, 通过分割点云数据来提取实体的几何轮廓从而进行模型重建。第一种方法常用于复杂曲面的精细化表达，如地形模拟、佛像重建、古建筑保护等方面。变电站三维建模主要是通过第二种方法，即根据点云数据提取实体几何轮廓逆向建模，技术流程如图4所示。

图4 激光点云建模流程图

国网技术学院数字校园项目中采用移动激光扫描技术对某校区220kV变电站进行了三维建模。使用的硬件设备有IMS 3D移动三维扫描系统、佳能EOS 5DMarkII相机、大疆精灵4无人机。由于三维移动激光扫描设备无法获取到杆塔顶部的激光点云数据，采用空中旋翼无人机搭载激光雷达设备和地面移动三维激光扫描系统结合的方法，项目从空中到地面，从整体到局部各个方向、角度全方位获取激光点云数据，如图5所示。无人机搭载相机用从空中和地面分别进行纹理采集。利用激光扫描数据处理的软件平台，通过分类算法对激光点云数据进行过滤，将植被、建筑物、管道设施等地物数据进行分离、提取。再经过大量人工干预对点云精细分类，弥补自动分类算法在数据判别精准度上的不足。变电站采用3DMax软件来进行建模效果如图6所示，保证三维模型成果的清晰度和逼真度。通过三维可视化的手段实现了变电站及学院建筑设施的可视化浏览、漫游导航以及交互式查询[13]。

图5 国网技术学院220 kV变电站激光点云

图6 国网技术学院220 kV变电站局部模型

2 对比分析

技术路线方面。几何实体建模利用设计图纸和设备图片对已建或拟建变电站进行建模，模型的材质和纹理可以现场采集或近似模拟，能够实现大场景、复杂模型的构建，能够实现三维仿真模拟，建模过程方便灵活，技术难度低。参数化建模采用参数控制的基本图元进行建模，模型的关键尺寸，专业接口和技术参数要求全面准确、完整、准确，建模过程规则性强，建模人员需具备电力专业背景，不仅能够构建物理模型还能构建逻辑模型。移动激光扫描三维建模利用移动激光扫描技术对已建实体设备、建(构)筑物进行表面测量，获取表面点空间坐标，受激光扫描设备在变电站中移动的空间位置限制，被遮挡区域、电缆沟内、地下管线、超高地面部分、超细部分均不能完成数据采集，数据处理工艺复杂，技术难度大。

模型效果方面。几何实体建模范围既包括表面可见部分也包括内部或地下不可见部分，三维模型内部和外部的精细化程度可以根据需求灵活把握；参数化建模受限于标准图元的限制，以及三维设计过程对运算速度的要求，模型在外观细节的表现方面没有复杂的曲面、材质、纹理贴图及渲染效果等信息，三维模型的展现效果较差。激光扫描三维建模采集现场彩色激光点云，模型的精细程度取决于激光扫描的点云密度和反向建模过程对细节的把控，在扫描密度够大时可以真实再现设备几何外观和细节纹理。

建模成本方面。几何实体建模使用通用的建模软件，自由度高，过程灵活，建模人员较易获取，对变电站类的工业模型而言建模成本较低；三维设计参数化建模规则性强，建模人员需要有电力专业背景，人员成本较高，变电站模型库建设完成，后续使用成本较低。激光扫描三维建模采用现场采集方式，需要有专业的数据采集设备和数据处理软件，建模效率较低，技术难度较大，成本较高[14-15]。

3 结语

随着输变电工程三维设计技术的推广应用，更多新建变电站工程在设计过程中完成三维设计参数化建模，能够在工程验收时完成三维设计成果的交付，并逐渐的替代几何实体建模的方式。但对于未采用三维设计的工程，以及对于展示效果和细节要求更高的场合，几何实体建模方式依然是行之有效的建模方法。设计图纸与现场不可能都完全吻合，生产运行的环节中要掌握精确的真实的现场情况，地面激光扫描三维建模是最佳选择。