数字孪生变电站建模及应用

陈静，姜伊

(国网冀北电力有限公司秦皇岛供电公司，河北 秦皇岛066000)

近年来，为适应居民用电负荷的持续增长及先进电网技术的应用普及，变电站内改扩建工程及技改大修项目逐年增多；同时随所辖变电站总量及规模不断增长，站内设备防腐、加固及检修试验等日常维护工作亦与日俱增。

内网调控系统及站内图纸类资料呈现一次接线结构化、量测数据平面化、设备展示孤立化等特征，对设备区实际空间布局、施工安全距离判定、安全措施布置指导等不具备可视化展示及量测能力。

施工方案制定阶段工作人员要驱车前往站内核实设备实际空间位置，对图纸中缺失数据，要重新测距计算，占用车辆及人力资源，费时费力。

方案研讨阶段部分实施环节无法直观展示，仅通过文字描述及图片展示，存在数据碎片化，展示单一化，量测粗略化等特点，难以明确部分具体施工细节，如特种车辆站内行进轨迹，吊臂回转半径及伸缩长度限值，施工人员活动范围同带电设备空间距离等，施工过程中存在潜在安全隐患。

针对实际工作中存在的上述问题，结合电力生产实际，通过头脑风暴，拟提出以下三个课题。

从安全可靠、经济适用、可推广等多角度综合分析比较，选择利用3D建模技术构建数字孪生变电站，对施工方案及现场作业环节进行指导。

1 建模软件选择

目前工程常用3D建模软件有3ds Max、C4D、Maya、SU、AutoCAD、Zbrush6类。不同软件适用范围及优势如表1所示。

表1 建模软件对比表

数字孪生变电站建模及其应用在于为施工方案编制及现场安全措施布置及完善提供数据支撑及可视化展示。因此，对于变电站及电力设备3D模型细节刻画及后期光影渲染要求并不高，但对于空间坐标定位及空间距离测量则要求较高。综上采用Auto-CAD进行数字化建模，更符合实际电力工作需求。

2 提出方案并制定最佳方案

针对变电站主体电力设备建模，依据建模效率、建模精细度及可推广性，主要提出以下3种备选方案。

方案一：使用立方体对电力设备进行等效替代。此方案建模效率最高，仅需设备轮廓尺寸即可建模，且此设备尺寸便于测量及查找。但建模精细度不足，对安全措施布置指导意义有限。且因设备均用立方体代替，变电站整体建模完成后，尽管可用立面颜色对不同类型设备进行区分，但可视化不高，不利于寻找指定设备。

方案二：使用3D建模对电力设备进行精细化测量。此方案建模精准度较高，对现场安全措施布置具有实际指导价值，但建模效率低，且所需建模尺寸需精确，但部分运行时间已达30年的老旧变电站，部分资料遗失或不全，建模数据难以获取。并且精细建模，模型位面数较多，全站模型数据量较大，后续使用过程中占用较多内存，影响用户体验。

方案三：对电力设备模型进行适度简化，即对影响施工方案编制和安全措施布置的核心尺寸及立面形状予以保留，其余部分可使用基础立方体进行简化，可在一定程度上提升建模效率。但因对模型局部进行简化，故在实际作业过程中，应对安全距离留有裕度。

综上，3种方案各有利弊，从建模效率及实际使用体验出发，方案三更适用于目前实际电力工作需要。

3 方案实施步骤和主要做法

空间孪生变电站以站内设备实际量测及基建竣工图纸为数据基础，构建设备平面坐标图及3D空间立体模型。对于竣工图纸齐全的新建站及改扩建站，可以直接依据电子化图纸精准建模；对于投入时间较长，图纸资料不全、遗失等老旧变电站，可酌情联系相关设备厂家及设计院，亦可使用高精度激光测距仪、滚轮测距仪等测距设备，对站内设备布局及设备结构尺寸进行较精确的测量，为后续建模提供数据支撑。

空间孪生变电站以站内设备实际量测及基建竣工图纸为数据基础，构建设备平面坐标图及3D空间立体模型。对于竣工图纸齐全的新建站及改扩建站，可以直接依据电子化图纸精准建模；对于投入时间较长，图纸资料不全、遗失等老旧变电站，可酌情联系相关设备厂家及设计院，亦可使用高精度激光测距仪、滚轮测距仪等测距设备，对站内设备布局及设备结构尺寸进行较精确的测量，为后续建模提供数据支撑。

目前，调控系统仅提供一次设备简化连接示意图，间隔实际位置与图1中所示并无直接联系，对后续3D建模并无实际指导意义。以某站35 kV设备区为例，建模成果实施步骤具体如下。

图1 35 kV设备区电气连接示意图

第一步，须获取此35 kV设备区所含断路器、隔离开关、避雷器、门型架构等核心组件空间位置参数及其平面投影参数。该设备区空间量测数据部分取自现存基建图纸，部分由激光测距仪测距获取，并据此绘制出35 kV设备区平面坐标图，如图2所示。

图2 35 kV设备区平面坐标图

第二步，构建站内设备及架构3D模型库。变电站内电力设备数量庞大，但种类有限，且同一电压等级设备型号基本一致，并具有三相间对称性。因此，构建设备及架构3D模型库，将为后续设备区整体建设提供核心模型支撑。

此处以隔离开关类设备为例，简述设备类模型搭建过程。

隔离开关通常包含底座、支柱绝缘子，导电系统与操作系统4个基本部分。进一步细化，还可分解为动触头、静触头、操作手柄、操作联杆、连锁机构、接地排等诸多环节，如图3所示。

图3 隔离开关实物图

在实际建模过程中，抽取设备核心空间结构，并依据工作需求、建模难度等因素综合分析，最终确定3D模型结构。该设备区核心施工环节仅涉及架构防腐及母线拆作业，工作内容并未涉及隔离开关，故所建3D模型将仅由水泥柱底座、支柱绝缘子及导电臂构成。对于操动机构、地刀、地排等结构，可视后续实际使用需求进行增减。隔离开关二维线框模型如图4所示，3D实物模型如图5所示。

图4 隔离开关二维线框模型

图5 隔离开关3D模型

按照上述步骤，可依次构建断路器、避雷器、电压互感器、门型架构、悬梁、母线等3D实物模型，分别如图6、图7与图8所示。

图6 断路器3D模型

图7 电压互感器、熔断器及避雷器3D模型

图8 门型架构、悬梁及母线3D模型

上述4组3D模型搭建完成后，对于35 kV设备区而言，其所需设备及架构类3D模型库已基本构建完毕。

第三步，在35 kV设备区平面坐标图基础上，依据间隔空间位置关系，依次从3D模型库中选取对应设备模型，并添加至3D空间内。根据站内设备电气主接线，对各设备接线端子进行连接，至此，该设备空间模型搭建完毕，如图9所示。

图9 35 kV设备区空间3D模型

在构建整体模型时，通过优化图层，对设备、架构及连接线等模型要素，进行分层管理，以便在实际工作中，针对项目对其进行筛选及拓展。

4 确认效果

搭建空间孪生数字变电站，将为施工方案编制及安全措施布置提供重要数据支撑。方案编制人员可从设备区宏观俯视图规划特种设备行进路线，多班组作业人员分区等；与此同时，针对施工细节，也可对单间隔设备3D模型进行分离，从平面及垂直方向三个维度对施工机具抬升及回转安全区、带电设备区作业人员安全活动范围进行前期估算。施工方案研讨阶段，通过PC端全景考察、实时测量，将摆脱以往文字描述及照片展示的碎片化、静止化弊端，方便参会人员现场沟通对接施工方案。

以某站35 kV设备区架构防腐及#6母线实际改造工程为例，通过构建3D设备区模型，获取作业人员工作区域与带电区域最小安全距离，据此确认施工方案合理性。如图10、11所示，施工过程中35 kV设备区1号间隔带电，在拆除#6母线及对#4母线所在悬梁架构进行防腐工作时，作业人员拟工作区域同带电部分安全距离可直接测量。由图中数据可知，施工工作区域均在安全距离外。

图10 1号间隔3D模型

图11 1号间隔门型架构3D模型

相关数字模型使用后，作业人员将无需前往变电站查阅相关土建资料，同时也不须前往设备区对设备空间坐标进行测量计算，仅须在PC端利用建模软件绘制连接线及空间范围，同时与安全规程要求各电压等级安全距离进行比较，即可获知当前工作方案是否满足安全作业条件。以上述某站项目改造工作为例，使用3D模型后，将节约交通及人员成本共计296 h；同时工作时长由2.5 h（含交通时长），降至0.5 h。

目前，站内设备3D模型可在PC端与移动端访问并查看。该类模型除应用于施工与检修方案编制、审查外，也可用于运维人员站内培训及指导相关规程编制。通过设置接口及管理程序，可同PMS3.0实现联动，依据工作任务及站内3D模型，自动加载带电部位，生成相关安全措施等内容，指导作业现场安全隔离措施布置方案，及特种车辆站内行进路线及操作范围。随在线检测装置进一步普及与接入，逐步实现空间孪生变电站到数字孪生变电站过渡，构建数字化、智能化运检体系。