基于三维可视化的变电站管控系统设计

李环,陈志勇,李博,詹弘,宋敬国

(1.平高集团有限公司，河南 平顶山 467000；2.国网山西省电力公司运城供电公司，山西 运城 044000)

0 引言

随着社会智能化、信息化、标准化电网建设的飞速发展，传统的二维平面化数字信息在变电站管控系统中的应用渐渐显示出弱势，尤其是在信息表现层面，不能带来直观清晰的感受。三维可视化技术弥补了这一不足，可以完成从平面数据到空间数据的采集、解析以及处理。基于三维可视化技术，可构建更为先进的变电站管控系统，对变电站室内外各种电力设备进行建模，还原空间关系，实现可视化设备管理、缺陷跟踪和安全管控，提高整个管控系统的综合管理水平。

1 系统需求分析

1.1 整体分析

本文构建的系统基于变电站设计图纸和服务设备的施工资料，利用虚拟现实技术来实现可视化展示，实现变电、输电以及配电功能。另外，根据采集到的大量数据，利用三维建模技术达成从散乱数据到可视化图形的转换。

1.2 设计原则

该系统需要在满足三维可视的基础上，实现跨专业、跨应用的数据融合，对系统的原有基础功能进行扩展，更顺畅地支撑变电站的前期建设与后期运维。

(1)实用性：搭建三维可视化智能变电站管控系统，实现设备管理、数据查询、统计分析等管控需求。

(2)稳定性：管控系统需在不影响变电站正常运行的前提下配置相关应用，对于测试阶段的功能分批次上线，确保原有基础功能稳定。

(3)可配置：设计的功能模块支持可配置，需要结合变电站的规模、位置和电压等级等做不同适配，针对不同类型的变电站匹配最合适功能。

(4)可扩展：对于相同类型的变电站来说，该系统的功能模块具备可移植性，可以直接部署配置，不需要二次开发。并且随着需求新增、技术迭代，系统可扩展子功能、子模块来满足业务需求，不需要改动整体架构。

(5)安全性：将功能模块按照实时性要求以及影响程度进行分类，将影响面大实时响应高的模块与影响面小实时响应低的模块分别配置于不同分区，互不干扰。并且提供完善的安全策略，预防信息外泄、越级操作[1]。

1.3 技术特点

1.3.1 关键技术

(1)三维建模技术

在构建变电站的地面模型之后，还需要对变电站内的各类基础设施构建三维可视模型，随着三维显示要求的提高，建模的复杂度也会随之上升，当前比较主流的建模方法包括数字立体采集技术、模型参数库建模技术等，数字立体采集技术主要是利用航空拍摄获取空间资料信息，而模型参数库建模技术则是先利用基础特征昨晚标准化样本参数，实际过程中根据用户对参数的调整对参数进行修订，最终得到实际的数据模型。

(2)一体化建模技术

本系统需要融合变电站模型、输电配电设备模型和电网物理电力模型为一体，如此连贯打通，才便于设备定位以及数据分析。另外，可自动生成电气拓扑图，功率和电压等势图，进行实现信息管控。

(3)虚拟现实技术

虚拟现实技术其实是一种沉浸式的人机交互性很强的构想型技术，它是一个综合的概念，涉及计算机图形、计算机网络、传感器和并行运算等多种核心技术，它实现了人与机器之间更为自然流畅的交互手段，通过管控系统即可远程对变电站进行观测与坚持，并且通过三维可视化技术达到了接近感官实际真实体验的漫游效果[2]。

1.3.2 通讯方式优势

该系统采用面向对象的模块化、分布式设计，系统功能模块可分布在不同计算节点，采用TCP/IP、UDP/IP协议，通讯模型上既支持传统规约，同时又提供IEC61850通讯方式。IEC61850通讯方案基于网络，可与现有规约直接对接，前端图形展示终端与主机设备、综合应用设备、后台服务设备之间都可以采用IEC61850通讯方式。从安全、影响面和通用角度分析其他串口通信方案相比较，结果如表1所示。

表1 通信方案比较表

由此可以看出，不管是配合复杂程度还是易用通用方面，IEC61850方案都有较大优势，安全性方面只需防火墙做相应的禁ping、禁ftp和指定端口设置白名单等设置即可保证。通信示意图如图1所示。

图1 IEC61850通信规约示意图

1.4 参数配置

(1)硬件

CPU：≥8 2 GHz

MEM：≥4 G

硬盘：≥100 G

显卡：≥512 M独立显卡

(2)软件

开发语言：VC++

数据库：SQL SERVER

(3)性能要求

动态画面响应：≤2 s

数据实时刷新：≤2 s

遥控检测传送：≤3 s

平均成功率：99.98%

主机CPU使用率：正常≤35%，故障≤60%

2 数据模型构建

变电站管控系统是整体真实感依赖于构建模型是否合理，所需功能考虑的是否完善，在现实生活中，变电站是一个复杂度较高的实用场景，不但包含各类设置，还涉及线路铺排，场地安全等各类因素，因此模型与实际情况的契合度显得尤为重要[3]。

2.1 建立场景模型

2.1.1 数据采集

可视化变电站管控系统的模型建立需要考虑服务器参数、设备连接情况、电气安全和安全警示等多方面的因素，数据的原始积累需要依赖施工图纸、各类设备、关键连接的照片以及各个角度的视频记录等，实际采集过程中，对不同类型的数据需要有针对性的处理：对于设备数据，可通过互联网图片以及实地测量的位置、纹理以及占地面积等信息；对于地貌数据，则需要利用相机将层次感与方位记下来，另外需要对地形纹理、设备形状以及与线杆及电桩之间的高低落差进行测量与记录，最后使用图形处理软件进行裁剪及颜色等处理。对于其他数据则依赖于运维实施人员的经验与实际测量数据互为补充。

2.1.2 建立模型

(1)地形：本系统通过规则格网方法将变电站的整体地形进行矩形网格划分，以各个网格作为基础，根据颜色以及其他参数对应的转换为不同的材质，如图2所示。

图2 地形网格生成图

其中，每个点的高度由相邻点的平均值以及随机偏移量共同决定，既能体现互相之间的关联又能体现不同的差异。

(2)设施：变电站的基础设施主要包括变压器、避雷装置、开关柜、无功补偿设置等。由于设置数量较多，首先，需要进行分类，然后针对其中的一次设备达到真实还原标准，其他非重要物件可相应调整，针对其中的大型设备还需要先分割，利用3DS MAX定位基础坐标系，确定最初的多边形，然后进行挤压、扭曲等操作进行立体化处理，先将各个部分的简单模型构建好之后，最终做最后的复杂整合。

(3)环境：为了最终呈现的模型的真实程度与可视化美观效果，还需要对周边环境也进行建模，本文采用6面无缝连接的贴图方式来构建环境部分，将周边的环境图片按照区域进行切割，标以一定顺序的标号，然后进行三维的无缝连接，搭建与实际情况贴合的环境模型[4]。

2.2 主要算法

本文采用的LOD技术是确保三维可视化系统逼真程度的主要技术，对于不同层次的模型绘制方法有所区别，包含的多边数目也完全不一样，最常见的模块如下。

LOD

{

Level []-设置层次节点列表，按照细节程度排序。

Center 0.0 0.0 0.0-设置细节层次模型的中心坐标。

Range[]-设置距离列表，例如层次中包含n个节点，那么就应该有n-1个距离列表对应，并且必须>0，递增。

}

在实际建模过程中，实体越复杂，多边形的数量也会随之增加，非常不利于后期的管理与维护，因此，在本文设计的三维可视化变电站管控系统中，重点关注空间位置、设备连接以及相关设置的基本参数，对于散热片栅数等非重要细节利用逐层分解法、顶点生成法和删除单元法进行了简化。

(1)在几何模型中，可以利用逐层分解法基于基础模型根据特征进行分解，这一方法不适用于细节过多的非几何模型。

(2)对于控制柜或者控制箱这种具有对称性或者重复规则的模型来说，可以采用顶点生成多边形的方法来实现。

(3)为了简化层次LOD，降低多边形梳理，可以采用删除单元法来删除多余的“面”，利用拓扑结构补充“边”。

3 后端管控模块设计

该系统后端管控模块采用MVC架构模式，即模型(Model)->视图(View)->控制器(Controller)，对用户、权限、位置、设备、访问帐号、告警信息等等进行统一管控。

(1)通过http接口从基站定位引擎获取相关人员的定位信息。

(2)通过实时数据库获取设备当前运行状态。

(3)通过webservice接口与后台数据库实时交互，对记录进行新增、删除、修改、查询。

(4)通过开发razor视图控制前端展示功能。

后台MVC框架如图3所示。

图3 MVC框架结构图

4 前端可视化设计

(1)可视化台账：将变电站设计的基础设施、数据库与三维设备进行捆绑，设备模型、数据属性均可实现双向检索，迅速定位目标设备，查看关联信息，实现可视化资产管控[5]。查询流程如图4所示。

图4 设备信息查询流程图

(2)可视化控制与展示：模拟开关状态，调节分接头位置，自动提示相关参数，误操作提醒，模拟操作结果，确保与现实场景一致。另外，在三维可视化界面可查看遥信变位量、解析处理采集到的遥测量，便于掌控设备当前运行状态、运行风险。

(3)可视化告警：对于不是人为操作引起的断路跳闸、已经设备状态异常、遥信状态异常、节点状态异常、链路状态异常和电压合格率异常等异常现象进行可视化告警，自动在三维场景示意图出推出告警信息，并有不同音效的提示音，便于及时发现故障或潜在风险。

(4)缺陷管控：系统设计专门的缺陷发布模块，通过选择XX变电站XX设备XX模块，录入相关的缺陷信息，包括检测人员、归属班组、检测时间和检测结论等，并提供字段填写处理结果，默认为未处理，管理员可更改处理状态，填写处理意见。缺陷逻辑如图5所示。

图5 缺陷逻辑图

(5)权限管控：数据库表保存用户权限信息，根据分配的不同权限展示不同的功能菜单。具备高级权限的管理员可操作管理页面，可对数据库记录进行增删改查以及审批，并具有管理其他普通用户的权限。普通用户则只具备查看权限，不允许修改或者删除记录。

(6)数据分析：为了预测潜在风险，避免拒动或者误动产生的后果，对采集到的数据及以往的故障利用波形显示、游标线显示等方式直观展示分析结果，找出各类数据之间的关系，为阻断故障发生提供预判结果。

5 验证测试

本文设计的三维可视化变电站管控系统在国内某变电站进行了实地部署，测试结果表明：使用人员可以全方位查看各类设备的台账信息、运行状态和告警状态，数据显示准确，权限控制精准，告警信息实时，系统运行稳定，为普通操作人员及管理人员都带来了极大便利。

6 总结

本文搭建了基于三维信息技术的可视化变电站管控系统，详细描述了模型构建过程，阐述了其中运用的关键技术，实现可视化管理、可视化检索、可视化分析与维护。打破传统单纯文本的管理模式，使操作人员更加直观方便，也为管控人员决策提供了数据分析结果，实现了变电站系统的智能化管控。