輸變電設備物聯網的建設要求既全面覆蓋智能變電站一次設備又全面覆蓋二次設備，要依靠標準化的一、二次設備模型，一、二次設備運行數據信息采集和交互，服務于輸變電設備運行狀態展示和分析，服務于智能高效運維檢修。

輸變電工程三維設計技術已日趨成熟并進入推廣應用階段，但變電站二次系統三維建模等相關技術研究尚未系統開展。由于缺少變電站二次系統三維建模及可視化等關鍵技術，無法構建二次系統三維模型，二次系統運行信息不全面，影響輸變電設備物聯網的建設與應用。

三維數字化技術是通過一定軟件采用面向數字化基本構件，輔以電網技術專業手段，以建立對象三維數字化模型為目標的一種信息化手段。隨著信息化技術的不斷發展，三維技術手段已在建筑、交通、醫療等多個領域廣泛應用，電力領域內也在穩步推動三維技術在各個階段的應用，三維技術已成為一個行業發展趨勢。

相關研究通過工程實例探索了變電站的三維設計及數字化移交工作，實現了三維建模、二三維貫通、碰撞檢查、自動工程量統計、三維漫游、三維設計二維出圖等功能。但現階段國內變電三維數字化技術的研究主要還是面向電氣一次專業、土建專業，同時其研究范圍主要集中在變電設計、地理場景仿真等方向。

與此相關地，國家電網公司先后發布了〔2018〕585號《關于全面應用輸變電工程三維設計及建設工程數據中心的意見》、〔2019〕63號《輸變電工程三維設計模型交互規范》等多項文件，以支撐三維數字化技術在變電設計階段的設計開展及數字化移交。

然而，在變電二次方面，由于更多的是體現功能原理，較難具體為三維實物模型，其相關的三維數字化方面的研究還較少，三維數字化技術在二次系統的應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，對于實回路的展示不能直觀地與實際變電站現場進行坐標位置的對應。

本文面向智能變電站二次系統回路，在二次對象三維建模及可視化方面進行深入研究，通過全景可視化的方式實現三維場景下二次系統物理回路及邏輯回路信息的完整展現，為智能變電站三維可視化運維的研究和發展提供參考。

1 整體方案設計

智能變電站二次系統三維全景可視化的實現，依賴于變電站系統配置描述（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據擴展及交互。

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系，但缺失電纜回路部分內容，無法全面描述全站的實回路信息，同時缺少與三維模型的交互方法。二次對象三維模型當前仍處于空白階段，面向三維全景可視化應用的需求，需要建立完善的二次對象三維模型庫，以實現與配置文件的信息交互。整體交互方案如圖1所示。

本技術規定了變配電二次回路三維描述文件配置實施流程、模型文件格式、模型文件命名、模型配置工具的技術要求，補充了電網信息模型中二次設備基本圖元信息。

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點要求：①二次回路三維模型文件獨立配置；②二次回路三維模型實例化流程獨立配置；③全站配置完的二次回路三維模型獨立，智能變電站電網信息模型（grid infor- mation model, GIM）建模應遵循相關標準要求。

為滿足二次回路三維全景展示需要，本技術補充了智能變電站二次對象GIM中的基本圖元，二次對象GIM建模應參照執行。

本技術中定義的IP3D和P3D三維模型文件均應采用UTF-8編碼的XML文件格式，擴展名分別為.ip3d和.p3d。

IP3D和P3D在IPCD和SPCD基礎上構建，包含二次系統電網標識系統編碼及二次回路線纜信息；通過P3D配置工具導入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屏柜、設備等對象的電網標識系統編碼，用以實現電網標識系統編碼索引的模型交互；P3D文件通過GIM邏輯模型文件（*.sch）實現二次系統三維模型與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識，實現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文件虛實回路對應的基礎上，可結合GIM中二次對象幾何模型實現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。通過現有的系統配置工具進行配置并形成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。擴展現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實物的二次對象三維模型庫，以供P3D文件通過三維接口信息進行調用。

4）三維全景可視化展示。采用“虛實對應”及“光纖自動搜索”技術實現在三維場景下的二次回路全景可視化展示。

2 三維模型庫設計

本文基于Untiy3D引擎實現三維模型配置工具的開發，分別從工程實際二次對象的三維建模及程序角度設計，考慮三維模型庫的基本圖元分解及層次化結構應用。

2.1 基本圖元庫設計

智能變電站二次系統三維全景可視化的實現，依賴于所有二次對象的三維建模及呈現，“四統一、四規范”對二次設備的外觀進行了統一要求，基本圖元庫的設計可以按標準進行設計，但此部分規范主要面向測控、網關機、同步向量、網分等自動化設備，未涵蓋站內所有設備，同時需考慮兼容已投運設備，面向各類非標的二次設備進行擴展設計。并且，為提高工程設計及配置效率，應對屏柜、設備、線纜、硬壓板、端子排等不同對象分類建立最小化基本圖元。

二次設備方面包括機箱、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識、端子類型等。由此，細化最小圖元，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

基于三維引擎進行基本圖元的分類建立，以二次設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 二次設備三維基本圖元示意圖

2.2 組合模型庫設計

組合模型庫的設計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，實現同時保存多個基礎圖元通過模型互編輯操作，組成一個相對獨立且完整的二次對象三維模型；信息層面主要面向二次設備，包括設備類型、設備名稱、設備型號、設備版本、生產廠商、所屬間隔、額定電流、額定電壓、設備管理體系（plant management system, PMS）設備ID號、電網標識系統編碼、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行關聯性展示。

組合模型的建立步驟如下：①基于基本圖元庫，批量調入多個基本圖元；②對調入的基本圖元進行互編輯操作，包括調整基本圖元位置、大小、方位等幾何變換；③暫存物理模型，進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現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據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行可視化瀏覽，無論二次對象基礎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系，故而設計一種樹狀節點的存儲形式把兩個庫進行關聯分類存儲，實現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，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節，如帶有24個百兆口的交換機和20個百兆口、4個千兆口的交換機，同時，組合模型的接口調用缺少惟一標識，因此，需面向組合模型庫內的三維模型，進行惟一標識及描述的設置。

惟一標識格式定義如下：className/typeName，className表示組合模型分類名稱，包括屏柜（cubicle）、設備（unit）、端子排（terminal）等；typeName表示對象型號，設備類可以廠家型號標注，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點圖

3 三維模型配置文件設計

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規范》對智能變電站光纖物理回路已經作了明確規范，按照變電站、區域、屏柜、設備、端口、屏內光纖連接、屏間光纜連接的結構詳細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文件已經很好地描繪了二次對象的物理層級關系及光纖連接關系，是二次系統三維全景展示的基礎。

三維模型配置文件可在此基礎上進行電纜回路信息的補充建模，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元素格式進行定義；面向電纜，按照core元素格式進行定義。

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

三維模型交互接口的擴展建模，其格式如下：

擴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 圖形化坐標配置

三維模型配置文件內的三維坐標信息及索引信息，采用基于Unity3D引擎的圖形化方式進行自動配置，實現小室、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，搭建小室、屏柜的過程中，自動計算各個對象的世界坐標。

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的配置通過轉換視角，并保持單個維度的自由便可實現。

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

裝置在視圖1中可以自由移動，在視圖2中僅能進行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、變換等都會實時映射到三維模型配置文件坐標屬性中，如此可確保裝置在屏柜內坐標和模型的可視化配置，實現所見即所得。

圖6 圖形化配置示意圖

4 全景可視化實現

物理回路可視化成像時，基于物理回路層級結構及三維模型接口的定義，按層級結構對物理對象的坐標進行讀取并拼接對象。由于模型文件內定義的是各個層級的相對坐標，因此在實際成像時，需要根據定位的小室位置進行世界坐標的變換，最終面向各個端口對象，根據模型文件內定義的線纜連接關系，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 全景可視化實現流程圖

通過上述物理回路的全景可視化實現方法，結合SCD文件，采用逆向解析的方式，實現智能變電站二次電纜回路、光纖回路、邏輯回路、設備信息的三維全景可視化，技術路線如圖8所示，整體流程如下：

圖8 三維全景展示技術路線圖

1）通過導入P3D文件，進行物理回路信息解析，獲取變電站、小室、屏柜、設備、端子排、光纜、電纜等對象的層級關系、設備端口、回路連接關系、三維坐標及模型引用信息。

2）通過導入SCD文件，進行邏輯回路信息解析，獲取每個設備虛端子接收和發送信息，以及Inputs定義的接收端口信息，作為虛實對應的基礎。

3）通過導入三維模型庫，以供P3D模型引用時進行調用和解析，解析過程中，獲取所引用的三維組合模型的基本圖元構成、相對坐標位置、組合模型屬性信息。

4）解析完畢后，通過虛實對應技術實現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接口實現二次系統三維成像。

（1）二次對象三維展示。在三維全景可視化平臺實現小室內屏柜、設備、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、旋轉等三維場景交互的幾何變換。

（2）電纜回路三維展示。實現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。實現三維場景下，屏柜內、屏柜間各個設備端口跳纖、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。實現每個光口、光纖上流經的邏輯回路信息的可視化展示。

（5）設備信息展示。實現二次設備所對應的產品信息、資產信息、運維信息的可視化展示。

圖9所示為新疆博州110kV鳳棲變進行試點應用圖。

圖9 光纖路徑虛實回路三維視圖

5 結論

本文面向智能變電站二次系統，研究并提出了一種基于二次回路三維模型構建、實例化配置及交互方法，以實現二次系統三維全景可視化。基于Unity3D引擎搭建了二次系統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現了二次系統三維模型、電纜回路、光纖回路、邏輯回路、設備信息的三維場景呈現。

二次系統三維全景可視化直觀地展示了二次回路的實景信息，可有效指導施工過程中的光纜、電纜鋪設、接線、光纖熔接等工序，提高施工安裝效率和正確性，為竣工驗收提供準確依據；通過三維可視化展示二次回路物理回路、邏輯回路關聯信息，可有效提高回路分析效率，為運維檢修的開展提供技術保障；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，可有效滿足智能運檢的相關需求。