俞辰穎，宋 曄，壽之奇

(浙江華云電力工程設(shè)計(jì)咨詢有限公司，浙江 杭州 310014)

0 引言

隨著我國新一代智能變電站建設(shè)試點(diǎn)工作的開展，建立新一代變電站的三維可視化模型已成為研究熱點(diǎn)[1]。傳統(tǒng)采用3DS MAX、Revit等三維模擬軟件建立的變電站模型，更多的是對變電站整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，難以體現(xiàn)設(shè)備的細(xì)節(jié)部分[2-4]。如采用混合式仿真方法對變電站設(shè)備和軟件仿真，會耗費(fèi)大量的人力和時(shí)間成本[5]。基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對純軟件的仿真，在一定程度上提升了模型構(gòu)建效率。但當(dāng)變電站結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，系統(tǒng)難以進(jìn)行維護(hù)和更新[6]。而基于可擴(kuò)展對象庫對變電站設(shè)備的動作及異常的仿真，解決了系統(tǒng)改變修改時(shí)的復(fù)雜問題。但該方法難以實(shí)現(xiàn)變電站內(nèi)信息交互性，會導(dǎo)致智能變電站技術(shù)特征難以展現(xiàn)[7]。

針對智能變電站仿真方法存在的不足，引入可視化組件進(jìn)行設(shè)計(jì)。采用三維激光掃描技術(shù)建立可視化模型。通過可視化組件、配置文件和設(shè)備位置，構(gòu)成智能變電站三維仿真系統(tǒng)。

1 可視化組件裝配

可視化模擬組件裝配技術(shù)運(yùn)用三維點(diǎn)云掃描、模型渲染和動畫封裝技術(shù)，建立智能變電站三維仿真系統(tǒng)[8]。通過Unity 3D軟件執(zhí)行可視化作業(yè)，利用libIEC61850庫，實(shí)現(xiàn)模塊間的通信功能。

智能變電站可視化組件指展現(xiàn)設(shè)備三維特征、電氣特征和信息交互的可復(fù)用組件。在智能變電站內(nèi)，根據(jù)設(shè)備功能應(yīng)用和類別的不同，將設(shè)備分為一次設(shè)備和二次設(shè)備。一次設(shè)備主要是指主變壓器、斷路器、輸配電線路、刀閘、母線等用來接收和分配、改變電能的相關(guān)設(shè)備；二次設(shè)備是指對各類保護(hù)測控裝置、智能終端、智能電子設(shè)備(intelligent electronic device，IED)進(jìn)行保護(hù)、控制、檢查和測量的裝置。

在智能變電站可視化組件中，一次設(shè)備可視化組件包括控制模塊、二維模塊和三維模塊?？刂颇K主要提供可視組件控制接口和屬性訪問，并對三維模塊和二維模塊進(jìn)行控制。二維模塊用于構(gòu)造控制界面的接線圖，如設(shè)備相關(guān)動畫、控制腳本和二維圖元。三維模塊主要用于三維可視化展示，包括模型動畫、控制腳本。

二次設(shè)備主要為控制模塊、通信模塊和三維模塊?？刂颇K根據(jù)設(shè)備功能，監(jiān)聽設(shè)備屬性并修改和控制三維模塊。通信模塊用于二次設(shè)備的可視化組件，使系統(tǒng)符合IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)。三維模塊與一次設(shè)備的三維模塊功能相同。

2 關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用

2.1 三維點(diǎn)云技術(shù)

三維激光掃描基于激光測距實(shí)現(xiàn)對象掃描，因此需要從不同角度對物體進(jìn)行掃描。點(diǎn)云拼接是在遵循實(shí)際測量位置的前提下，將不同坐標(biāo)系下的多站點(diǎn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)統(tǒng)一在一個(gè)坐標(biāo)系內(nèi)[9]。目前應(yīng)用較多的為點(diǎn)云拼接方法。本文根據(jù)變電站實(shí)際建設(shè)和運(yùn)用過程中的特征點(diǎn)，基于Cyclone 軟件實(shí)現(xiàn)對變電站點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接[10-11]。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接執(zhí)行流程為：在相鄰兩測站間選定3個(gè)公共點(diǎn)作為匹配對象，監(jiān)測迭代過程中形成的誤差值和比率圖；當(dāng)數(shù)據(jù)匹配的誤差限制超過限值后，重新選擇公共特征點(diǎn)進(jìn)行匹配，直至滿足精度要求；完成所有站點(diǎn)間點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接后，將匹配好的點(diǎn)云約束在一起，完成站間的拼接。變電站點(diǎn)云拼接如圖1所示。

圖1 變電站點(diǎn)云拼接示意圖

2.2 模型的組合拼接

采用三維激光掃描儀獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)是對空間目標(biāo)表面信息的采集，并以一種離散數(shù)據(jù)形式表征。因此，要具體分析目標(biāo)物的細(xì)節(jié)特征和形狀，將這些離散的不規(guī)則點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過三維表面信息的形式來表示，從而建立物體的表面模型。采用“裝配組合”的方式構(gòu)建智能變電站模型，即在建立模型的過程中，將一個(gè)復(fù)雜的模型轉(zhuǎn)化為多個(gè)簡單模型的組合；通過建立簡單集合模型，以“組合”形式獲得具體的實(shí)體模型。

變電站三維建模中，采用Cyclone攜帶的box、cylinder等模型構(gòu)建較規(guī)則的圓形立柱、矩形基座和墻體結(jié)構(gòu)等規(guī)則結(jié)構(gòu)。對于不規(guī)則的物體，如高壓絕緣子串、變壓器設(shè)備等，一方面可利用Cyclone對該類點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分塊建模和組合。如在建立高壓絕緣子時(shí)，采用Cyclone中的曲面自動延伸功能生成薄面進(jìn)行組合。而變壓器模型則可通過延伸的長方體組合生成，建立確定的三維模型后，可通過紋理粘貼等操作進(jìn)行完善。另一方面，可將不規(guī)則設(shè)備導(dǎo)入Geomagic Studio軟件，完成不規(guī)則模型創(chuàng)建。針對變電站設(shè)備結(jié)構(gòu)特征，選擇第一種方法建立變電站模型，再通過3DS Max進(jìn)行模型拼接。變電站地理信息系統(tǒng)(geographic information system,GIS)設(shè)備組合拼接示意圖如圖2所示。

圖2 變電站GIS設(shè)備組合拼接示意圖

2.3 Unity 3D的三維可視化

Unity 3D作為一款基于虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)的簡易軟件，具備較高的可移植性和易用性[12]?？刹捎肬nity 3D軟件實(shí)現(xiàn)模型的三維可視化效果。在進(jìn)行可視化前，首先根據(jù)變電磁現(xiàn)場三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)、設(shè)備圖紙信息等建立基本三維模型，并利用Unity 3D軟件對模型進(jìn)行二次編輯，為設(shè)備模型添加材質(zhì)和貼圖等信息。同時(shí)，結(jié)合設(shè)備實(shí)際工況添加基本操作動畫，如合刀閘、開合斷路器等，提高仿真效果逼真度和人際交互能力。為實(shí)現(xiàn)模塊間的交互，通過對模型進(jìn)行封裝提供交互接口。對于一次設(shè)備，由于結(jié)構(gòu)相對較簡單，可直接進(jìn)行模型封裝。二次設(shè)備由于功能多樣化，若對設(shè)備的每個(gè)模型設(shè)計(jì)接口，會導(dǎo)致因粒度細(xì)化而增加控制模塊的耦合度。為控制接口粒度大小、減少控制模塊耦合度，選擇設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)作為設(shè)備接口封裝單元。以線路保護(hù)裝置為例。由于柜面信號指示數(shù)量較多，若對每個(gè)指示燈均設(shè)計(jì)一個(gè)控制接口，則接口調(diào)用相當(dāng)復(fù)雜。因此，選擇常見運(yùn)行狀態(tài)作為封裝單元，每個(gè)運(yùn)行狀態(tài)封裝一個(gè)線路保護(hù)裝置指示燈運(yùn)行狀態(tài)。

為精確控制設(shè)備模型，設(shè)計(jì)了一個(gè)節(jié)點(diǎn)(Node)腳本作為模型對接基本單元。對于每一個(gè)三維模型，在Unity 3D中均是一個(gè)Game Object類型的游戲物體。Game Object較為靈活。若對于每一個(gè)模型單元均采用Game Object單元控制，容易造成混亂。基于此，通過引入Node腳本與可視化組件綁定，保證建立的模塊能夠快速復(fù)用。

2.4 文件的解析

智能變電站中，每個(gè)IED均對應(yīng)一個(gè)智能電子設(shè)備能力描述(intelligent capability device，ICD)文件。ICD用于描述IED的功能和工程能力。為表征變電站信息交互情況，通過對ICD文件解析來獲取二次設(shè)備通信模型，并以此為基礎(chǔ)構(gòu)建可視化組件通信模塊。根據(jù)ICD，文件層次劃分為IED智能電子設(shè)備、Server服務(wù)器、邏輯設(shè)備(logical-device，LD)、邏輯節(jié)點(diǎn)(loical-dode，LN)和領(lǐng)域?qū)ο?domain object,DO)。其中：IED通過邏輯節(jié)點(diǎn)，執(zhí)行變電站自動化功能；Server為通信實(shí)體；邏輯節(jié)點(diǎn)(logical node，LN)為邏輯設(shè)備的最小載體；DO為邏輯節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)載體。

采用廣度優(yōu)先遍歷算法遍歷IED設(shè)備的ICD文件，使隊(duì)列獲取LD、LN、DO、DA節(jié)點(diǎn)信息，并由獲得的節(jié)點(diǎn)信息生成樹狀結(jié)構(gòu)類文件。LN是信息傳輸最小載體。以LN作為最小功能單位設(shè)計(jì)通信模型控制結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)對二次設(shè)備功能的準(zhǔn)確控制。

對于新一代智能變電站仿真系統(tǒng)，關(guān)鍵是在滿足IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的前提下實(shí)現(xiàn)信息共享與互操作。因此，根據(jù)IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)將變電站邏輯結(jié)構(gòu)劃分為過程層、間隔層和站控層。其中：站控層和間隔層設(shè)備間采用“客戶端/服務(wù)器”通信機(jī)制，以制造報(bào)文規(guī)范(manufacturing message specification，MMS)傳遞報(bào)文信息；間隔層和過程層間采用“發(fā)布者/訂閱者”機(jī)制，通過面向通用對象的變電站事件(generic object oriented substation event,GOOSE)報(bào)文傳遞信息，采用采樣值(sampled value，SV)報(bào)文傳遞方式向間隔層交換采樣值數(shù)據(jù)。ICD文件邏輯結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 ICD文件邏輯結(jié)構(gòu)圖

3 實(shí)例分析

以廣州知識城某110 kV智能變電站為例，采用三維可視化組件裝配技術(shù)進(jìn)行模型開發(fā)。首先，通過三維點(diǎn)云掃描、模型渲染、動畫封裝，建立變電站變壓器、斷路器、線路保護(hù)裝置等一次設(shè)備和二次設(shè)備的可視化組件。變電站結(jié)構(gòu)可視化組件示意圖如圖4所示。

圖4 變電站結(jié)構(gòu)可視化組件示意圖

同時(shí)，基于IEC 61850編制的信息交互模塊進(jìn)行信息交互。以某一線路間隔為例，通過解析系統(tǒng)配置描述(system confignration discription,SCD)文件獲得二次設(shè)備間的信息交互，利用合并單元采集間隔數(shù)據(jù)信息，生成SV報(bào)文和GOOSE報(bào)文。智能終端和測控裝置間的信息交互采用GOOSE報(bào)文傳遞。保護(hù)測控裝置采用SV報(bào)文傳遞。變壓器間隔SV報(bào)表信息如圖5所示。

圖5 變壓器間隔SV報(bào)表信息

根據(jù)該方法所建立的智能變電站可視化模型場景圖如圖6所示。

圖6 變電站可視化模型場景圖

在Unity 3D中，采用拖曳編輯的方式將一次設(shè)備和二次設(shè)備可視化組件放入實(shí)際場景組件的三維模型位置，從而快速完成整改變電站的三維場景可視化。同時(shí)，Unity 3D中提供的光照系統(tǒng)和天空盒子可模擬不同光照下的變電站場景。

系統(tǒng)提供了相應(yīng)的子編輯單元，用戶可以通過點(diǎn)擊系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)查找相應(yīng)報(bào)文的詳細(xì)信息。

4 結(jié)論

以某110 kV變電站為例，介紹了一種新的智能變電站可視化組件裝配技術(shù)。利用三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立不同結(jié)構(gòu)初模型，采用Unity 3D進(jìn)行模型化渲染。對建立的各可視化組件，應(yīng)用“組合”的形式拼裝成可視化整體模型。系統(tǒng)裝配過程中，可根據(jù)ICD文件、SCD文件的解析進(jìn)行二次設(shè)備的通信模型和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并基于IEC 61850庫進(jìn)行可視化組件通信模塊，實(shí)現(xiàn)設(shè)備位置、運(yùn)行信息的交互，建立新一代智能變電站三維仿真系統(tǒng)。