輸變電設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)要求既全面覆蓋智能變電站一次設(shè)備又全面覆蓋二次設(shè)備，要依靠標(biāo)準(zhǔn)化的一、二次設(shè)備模型，一、二次設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)信息采集和交互，服務(wù)于輸變電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)展示和分析，服務(wù)于智能高效運(yùn)維檢修。

輸變電工程三維設(shè)計(jì)技術(shù)已日趨成熟并進(jìn)入推廣應(yīng)用階段，但變電站二次系統(tǒng)三維建模等相關(guān)技術(shù)研究尚未系統(tǒng)開展。由于缺少變電站二次系統(tǒng)三維建模及可視化等關(guān)鍵技術(shù)，無法構(gòu)建二次系統(tǒng)三維模型，二次系統(tǒng)運(yùn)行信息不全面，影響輸變電設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)與應(yīng)用。

三維數(shù)字化技術(shù)是通過一定軟件采用面向數(shù)字化基本構(gòu)件，輔以電網(wǎng)技術(shù)專業(yè)手段，以建立對象三維數(shù)字化模型為目標(biāo)的一種信息化手段。隨著信息化技術(shù)的不斷發(fā)展，三維技術(shù)手段已在建筑、交通、醫(yī)療等多個領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，電力領(lǐng)域內(nèi)也在穩(wěn)步推動三維技術(shù)在各個階段的應(yīng)用，三維技術(shù)已成為一個行業(yè)發(fā)展趨勢。

相關(guān)研究通過工程實(shí)例探索了變電站的三維設(shè)計(jì)及數(shù)字化移交工作，實(shí)現(xiàn)了三維建模、二三維貫通、碰撞檢查、自動工程量統(tǒng)計(jì)、三維漫游、三維設(shè)計(jì)二維出圖等功能。但現(xiàn)階段國內(nèi)變電三維數(shù)字化技術(shù)的研究主要還是面向電氣一次專業(yè)、土建專業(yè)，同時其研究范圍主要集中在變電設(shè)計(jì)、地理場景仿真等方向。

與此相關(guān)地，國家電網(wǎng)公司先后發(fā)布了〔2018〕585號《關(guān)于全面應(yīng)用輸變電工程三維設(shè)計(jì)及建設(shè)工程數(shù)據(jù)中心的意見》、〔2019〕63號《輸變電工程三維設(shè)計(jì)模型交互規(guī)范》等多項(xiàng)文件，以支撐三維數(shù)字化技術(shù)在變電設(shè)計(jì)階段的設(shè)計(jì)開展及數(shù)字化移交。

然而，在變電二次方面，由于更多的是體現(xiàn)功能原理，較難具體為三維實(shí)物模型，其相關(guān)的三維數(shù)字化方面的研究還較少，三維數(shù)字化技術(shù)在二次系統(tǒng)的應(yīng)用方面仍處于起步階段。

在智能變電站二次回路可視化方面，目前多停留在二維平面可視化的方向上，對于實(shí)回路的展示不能直觀地與實(shí)際變電站現(xiàn)場進(jìn)行坐標(biāo)位置的對應(yīng)。

本文面向智能變電站二次系統(tǒng)回路，在二次對象三維建模及可視化方面進(jìn)行深入研究，通過全景可視化的方式實(shí)現(xiàn)三維場景下二次系統(tǒng)物理回路及邏輯回路信息的完整展現(xiàn)，為智能變電站三維可視化運(yùn)維的研究和發(fā)展提供參考。

1 整體方案設(shè)計(jì)

智能變電站二次系統(tǒng)三維全景可視化的實(shí)現(xiàn)，依賴于變電站系統(tǒng)配置描述（substation configuration description, SCD）文件、全站光纖物理回路配置文件（substation physical configuration description, SPCD）、全站二次對象三維模型三者間的數(shù)據(jù)擴(kuò)展及交互。

SPCD文件雖然很好地描述了全站光纖物理回路信息及二次對象的層級關(guān)系，但缺失電纜回路部分內(nèi)容，無法全面描述全站的實(shí)回路信息，同時缺少與三維模型的交互方法。二次對象三維模型當(dāng)前仍處于空白階段，面向三維全景可視化應(yīng)用的需求，需要建立完善的二次對象三維模型庫，以實(shí)現(xiàn)與配置文件的信息交互。整體交互方案如圖1所示。

本技術(shù)規(guī)定了變配電二次回路三維描述文件配置實(shí)施流程、模型文件格式、模型文件命名、模型配置工具的技術(shù)要求，補(bǔ)充了電網(wǎng)信息模型中二次設(shè)備基本圖元信息。

利用配置工具開展智能變電站二次回路三維建模宜滿足以下3點(diǎn)要求：①二次回路三維模型文件獨(dú)立配置；②二次回路三維模型實(shí)例化流程獨(dú)立配置；③全站配置完的二次回路三維模型獨(dú)立，智能變電站電網(wǎng)信息模型（grid infor- mation model, GIM）建模應(yīng)遵循相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

為滿足二次回路三維全景展示需要，本技術(shù)補(bǔ)充了智能變電站二次對象GIM中的基本圖元，二次對象GIM建模應(yīng)參照執(zhí)行。

本技術(shù)中定義的IP3D和P3D三維模型文件均應(yīng)采用UTF-8編碼的XML文件格式，擴(kuò)展名分別為.ip3d和.p3d。

IP3D和P3D在IPCD和SPCD基礎(chǔ)上構(gòu)建，包含二次系統(tǒng)電網(wǎng)標(biāo)識系統(tǒng)編碼及二次回路線纜信息；通過P3D配置工具導(dǎo)入IP3D文件，完成全站三維物理回路的配置，并形成P3D文件；P3D文件和GIM文件中包含二次系統(tǒng)屏柜、設(shè)備等對象的電網(wǎng)標(biāo)識系統(tǒng)編碼，用以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)標(biāo)識系統(tǒng)編碼索引的模型交互；P3D文件通過GIM邏輯模型文件（*.sch）實(shí)現(xiàn)二次系統(tǒng)三維模型與GIM模型的物理對象及線纜交互；P3D文件與SCD文件通過智能變電站裝置和插件端口的命名與標(biāo)識，實(shí)現(xiàn)邏輯回路與物理回路的信息交互。

圖1 三維全景可視化展示交互方案

在P3D文件和SCD文件虛實(shí)回路對應(yīng)的基礎(chǔ)上，可結(jié)合GIM中二次對象幾何模型實(shí)現(xiàn)二次回路三維全景展示。二次回路三維全景展示過程如圖2所示。

圖2 二次回路三維全景展示過程

整體方案分為四大部分，即邏輯回路配置、三維模型文件配置、三維模型庫配置、三維全景可視化展示。

1）邏輯回路配置。通過現(xiàn)有的系統(tǒng)配置工具進(jìn)行配置并形成SCD文件，包括了邏輯回路信息及回路端口信息。

2）三維模型文件配置。擴(kuò)展現(xiàn)有的光纖物理回路配置工具，增加電纜回路配置及三維接口信息配置，形成P3D文件。

3）三維模型庫配置。通過建立的基本圖元庫搭建面向?qū)嵨锏亩螌ο笕S模型庫，以供P3D文件通過三維接口信息進(jìn)行調(diào)用。

4）三維全景可視化展示。采用“虛實(shí)對應(yīng)”及“光纖自動搜索”技術(shù)實(shí)現(xiàn)在三維場景下的二次回路全景可視化展示。

2 三維模型庫設(shè)計(jì)

本文基于Untiy3D引擎實(shí)現(xiàn)三維模型配置工具的開發(fā)，分別從工程實(shí)際二次對象的三維建模及程序角度設(shè)計(jì)，考慮三維模型庫的基本圖元分解及層次化結(jié)構(gòu)應(yīng)用。

2.1 基本圖元庫設(shè)計(jì)

智能變電站二次系統(tǒng)三維全景可視化的實(shí)現(xiàn)，依賴于所有二次對象的三維建模及呈現(xiàn)，“四統(tǒng)一、四規(guī)范”對二次設(shè)備的外觀進(jìn)行了統(tǒng)一要求，基本圖元庫的設(shè)計(jì)可以按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，但此部分規(guī)范主要面向測控、網(wǎng)關(guān)機(jī)、同步向量、網(wǎng)分等自動化設(shè)備，未涵蓋站內(nèi)所有設(shè)備，同時需考慮兼容已投運(yùn)設(shè)備，面向各類非標(biāo)的二次設(shè)備進(jìn)行擴(kuò)展設(shè)計(jì)。并且，為提高工程設(shè)計(jì)及配置效率，應(yīng)對屏柜、設(shè)備、線纜、硬壓板、端子排等不同對象分類建立最小化基本圖元。

二次設(shè)備方面包括機(jī)箱、面板、插件、端口等；屏柜方面包括屏體、屏眉等；硬壓板方面包括硬壓板標(biāo)識、硬壓板類型等；線纜方面包括光纜、尾纜、纖芯、跳纖及電纜等；端子排方面包括端子排標(biāo)識、端子類型等。由此，細(xì)化最小圖元，通過分類層級管理的方式建立基本圖元庫，見表1。

表1 基本圖元分類

基于三維引擎進(jìn)行基本圖元的分類建立，以二次設(shè)備所涉及的基本圖元為例，建立的部分三維基本圖元示意如圖3所示。

圖3 二次設(shè)備三維基本圖元示意圖

2.2 組合模型庫設(shè)計(jì)

組合模型庫的設(shè)計(jì)包含物理層面及信息層面兩個部分，物理層面基于基本圖元庫進(jìn)行二次對象的三維模型拼接，信息層面描述二次對象的基本屬性及特殊屬性。

物理層面主要基于基本圖元庫，實(shí)現(xiàn)同時保存多個基礎(chǔ)圖元通過模型互編輯操作，組成一個相對獨(dú)立且完整的二次對象三維模型；信息層面主要面向二次設(shè)備，包括設(shè)備類型、設(shè)備名稱、設(shè)備型號、設(shè)備版本、生產(chǎn)廠商、所屬間隔、額定電流、額定電壓、設(shè)備管理體系（plant management system, PMS）設(shè)備ID號、電網(wǎng)標(biāo)識系統(tǒng)編碼、物料編碼等，為各個階段的模型移交提供保障，并可在全景展示時進(jìn)行關(guān)聯(lián)性展示。

組合模型的建立步驟如下：①基于基本圖元庫，批量調(diào)入多個基本圖元；②對調(diào)入的基本圖元進(jìn)行互編輯操作，包括調(diào)整基本圖元位置、大小、方位等幾何變換；③暫存物理模型，進(jìn)行屬性信息的編輯及錄入；④保存并錄入組合模型庫。以二次設(shè)備為例，基于基本圖元庫建立的組合模型示意如圖4所示。

圖4 二次設(shè)備三維組合模型示意圖

2.3 模型庫管理方式

三維模型管理主要實(shí)現(xiàn)對基本圖元庫及組合模型庫的有效管理，目的在于對已有模型數(shù)據(jù)集合的有效查詢及接口引用，以便快速獲取所需模型，主要采用可視化瀏覽及檢索分類兩種方式進(jìn)行管理。

可視化瀏覽是指面向基本圖元庫及組合模型庫，通過層級管理的方式進(jìn)行可視化瀏覽，無論二次對象基礎(chǔ)圖元庫還是組合模型庫，都存在各式各樣的分類，并且，兩個庫之間也存在著一定的依存關(guān)系，故而設(shè)計(jì)一種樹狀節(jié)點(diǎn)的存儲形式把兩個庫進(jìn)行關(guān)聯(lián)分類存儲，實(shí)現(xiàn)對三維模型庫的有效管理及使用，如圖5所示。

模型的分類及檢索密切相關(guān)，單純可視化的方式難以從外觀快速衡量同類模型的不同細(xì)節(jié)，如帶有24個百兆口的交換機(jī)和20個百兆口、4個千兆口的交換機(jī)，同時，組合模型的接口調(diào)用缺少惟一標(biāo)識，因此，需面向組合模型庫內(nèi)的三維模型，進(jìn)行惟一標(biāo)識及描述的設(shè)置。

惟一標(biāo)識格式定義如下：className/typeName，className表示組合模型分類名稱，包括屏柜（cubicle）、設(shè)備（unit）、端子排（terminal）等；typeName表示對象型號，設(shè)備類可以廠家型號標(biāo)注，如PCS931、PCS9882等；屏柜、端子排等可自定義分類，如style1、style2等。

圖5 三維模型庫存儲管理樹狀節(jié)點(diǎn)圖

3 三維模型配置文件設(shè)計(jì)

3.1 三維模型配置文件格式定義

GB/T 37755—2019《智能變電站光纖回路建模及編碼技術(shù)規(guī)范》對智能變電站光纖物理回路已經(jīng)作了明確規(guī)范，按照變電站、區(qū)域、屏柜、設(shè)備、端口、屏內(nèi)光纖連接、屏間光纜連接的結(jié)構(gòu)詳細(xì)描述了各個光纖物理路徑的信息走向。因此，光纖物理回路SPCD文件已經(jīng)很好地描繪了二次對象的物理層級關(guān)系及光纖連接關(guān)系，是二次系統(tǒng)三維全景展示的基礎(chǔ)。

三維模型配置文件可在此基礎(chǔ)上進(jìn)行電纜回路信息的補(bǔ)充建模，由此完善全景回路信息，涉及端子排、電纜等對象模型。面向端子排，按照unit元素格式進(jìn)行定義；面向電纜，按照core元素格式進(jìn)行定義。

同時考慮三維全景展示的需要，基于擴(kuò)展的物理回路模型，面向cubicle（屏柜）、unit（二次物理設(shè)備對象，包括智能設(shè)備、光纖配線架、端子排等）、cable（線纜）等物理對象進(jìn)行三維模型交互接口的擴(kuò)展建模，需增加各個對象的空間坐標(biāo)及對象模型引用屬性，以實(shí)現(xiàn)與三維模型庫的交互。

三維模型交互接口的擴(kuò)展建模，其格式如下：

擴(kuò)展的三維接口元素及屬性說明見表2。

表2 三維接口元素及屬性說明

3.2 圖形化坐標(biāo)配置

三維模型配置文件內(nèi)的三維坐標(biāo)信息及索引信息，采用基于Unity3D引擎的圖形化方式進(jìn)行自動配置，實(shí)現(xiàn)小室、屏柜、二次對象的搭建，二次對象三維組合模型的搭建過程中，自動存儲各個基本圖元的相對坐標(biāo)，搭建小室、屏柜的過程中，自動計(jì)算各個對象的世界坐標(biāo)。

若直接以立體模型展示反而不方便配置人員的拖動、對齊等操作，因此在本配置方法中不考慮模型的旋轉(zhuǎn)Rx、Ry、Rz，僅配置x、y、z三個自由度，x、y的配置可在二維平面中完成，z的配置通過轉(zhuǎn)換視角，并保持單個維度的自由便可實(shí)現(xiàn)。

以屏柜中的設(shè)備配置為例，如圖6所示，對設(shè)備坐標(biāo)和模型的配置分為兩個視圖，視圖1為主視圖，完成二次設(shè)備在屏柜內(nèi)的位置配置（x和y坐標(biāo)），支持從三維模型庫的導(dǎo)入和編輯；視圖2為主要完成裝置在屏柜內(nèi)z坐標(biāo)的配置，即裝置在屏柜內(nèi)的深度。

裝置在視圖1中可以自由移動，在視圖2中僅能進(jìn)行z方向的移動，其他方向鎖死，在兩個視圖中支持碰撞檢測等基本功能，模型在視圖中的移動、變換等都會實(shí)時映射到三維模型配置文件坐標(biāo)屬性中，如此可確保裝置在屏柜內(nèi)坐標(biāo)和模型的可視化配置，實(shí)現(xiàn)所見即所得。

圖6 圖形化配置示意圖

4 全景可視化實(shí)現(xiàn)

物理回路可視化成像時，基于物理回路層級結(jié)構(gòu)及三維模型接口的定義，按層級結(jié)構(gòu)對物理對象的坐標(biāo)進(jìn)行讀取并拼接對象。由于模型文件內(nèi)定義的是各個層級的相對坐標(biāo)，因此在實(shí)際成像時，需要根據(jù)定位的小室位置進(jìn)行世界坐標(biāo)的變換，最終面向各個端口對象，根據(jù)模型文件內(nèi)定義的線纜連接關(guān)系，完成線纜的全景可視化連接及布局。具體流程如圖7所示。

圖7 全景可視化實(shí)現(xiàn)流程圖

通過上述物理回路的全景可視化實(shí)現(xiàn)方法，結(jié)合SCD文件，采用逆向解析的方式，實(shí)現(xiàn)智能變電站二次電纜回路、光纖回路、邏輯回路、設(shè)備信息的三維全景可視化，技術(shù)路線如圖8所示，整體流程如下：

圖8 三維全景展示技術(shù)路線圖

1）通過導(dǎo)入P3D文件，進(jìn)行物理回路信息解析，獲取變電站、小室、屏柜、設(shè)備、端子排、光纜、電纜等對象的層級關(guān)系、設(shè)備端口、回路連接關(guān)系、三維坐標(biāo)及模型引用信息。

2）通過導(dǎo)入SCD文件，進(jìn)行邏輯回路信息解析，獲取每個設(shè)備虛端子接收和發(fā)送信息，以及Inputs定義的接收端口信息，作為虛實(shí)對應(yīng)的基礎(chǔ)。

3）通過導(dǎo)入三維模型庫，以供P3D模型引用時進(jìn)行調(diào)用和解析，解析過程中，獲取所引用的三維組合模型的基本圖元構(gòu)成、相對坐標(biāo)位置、組合模型屬性信息。

4）解析完畢后，通過虛實(shí)對應(yīng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)邏輯回路和光纖端口的映射，基于二次對象三維模型和坐標(biāo)接口實(shí)現(xiàn)二次系統(tǒng)三維成像。

（1）二次對象三維展示。在三維全景可視化平臺實(shí)現(xiàn)小室內(nèi)屏柜、設(shè)備、板卡、端口、端子排、線纜等二次對象的三維成像，并支持平移、縮放、旋轉(zhuǎn)等三維場景交互的幾何變換。

（2）電纜回路三維展示。實(shí)現(xiàn)屏柜之間電纜端子排接線的三維場景查看，能直觀地展示電纜兩側(cè)所接端子，同時可查看電纜的長度、使用芯、備用芯等必要信息。

（3）光纖回路三維展示。實(shí)現(xiàn)三維場景下，屏柜內(nèi)、屏柜間各個設(shè)備端口跳纖、尾纜、光纜的接入信息展示，同時可查看跳纖、尾纜、光纖的長度、使用芯、備用芯等必要信息。

（4）邏輯回路展示。實(shí)現(xiàn)每個光口、光纖上流經(jīng)的邏輯回路信息的可視化展示。

（5）設(shè)備信息展示。實(shí)現(xiàn)二次設(shè)備所對應(yīng)的產(chǎn)品信息、資產(chǎn)信息、運(yùn)維信息的可視化展示。

圖9所示為新疆博州110kV鳳棲變進(jìn)行試點(diǎn)應(yīng)用圖。

圖9 光纖路徑虛實(shí)回路三維視圖

5 結(jié)論

本文面向智能變電站二次系統(tǒng)，研究并提出了一種基于二次回路三維模型構(gòu)建、實(shí)例化配置及交互方法，以實(shí)現(xiàn)二次系統(tǒng)三維全景可視化。基于Unity3D引擎搭建了二次系統(tǒng)各類對象的基本圖元庫及組合模型庫，基于光纖物理回路模型擴(kuò)展端子排、電纜、三維模型接口等屬性，采用三維全景展示逆向解析的方式實(shí)現(xiàn)了二次系統(tǒng)三維模型、電纜回路、光纖回路、邏輯回路、設(shè)備信息的三維場景呈現(xiàn)。

二次系統(tǒng)三維全景可視化直觀地展示了二次回路的實(shí)景信息，可有效指導(dǎo)施工過程中的光纜、電纜鋪設(shè)、接線、光纖熔接等工序，提高施工安裝效率和正確性，為竣工驗(yàn)收提供準(zhǔn)確依據(jù)；通過三維可視化展示二次回路物理回路、邏輯回路關(guān)聯(lián)信息，可有效提高回路分析效率，為運(yùn)維檢修的開展提供技術(shù)保障；面向三維可視化場景，可更直觀地分析光纖回路故障原因，快速定位故障點(diǎn)，可有效滿足智能運(yùn)檢的相關(guān)需求。