摘 要：針對電網(wǎng)信息模型（Grid Information Model，GIM）利用不足、與其他平臺業(yè)務(wù)集成度低的問題，提出一種基于GIM的輸變電工程全生命周期三維數(shù)字建模方法，涵蓋三維業(yè)務(wù)模型與數(shù)字孿生構(gòu)建，打通設(shè)計與建設(shè)管理環(huán)節(jié)，避免重復(fù)建模，節(jié)約成本，最終實現(xiàn)輸變電工程的投—建—運—調(diào)全周期應(yīng)用管理。以200 kV變電站為實踐案例，驗證該方法在全生命周期管理中的應(yīng)用效果，為電力行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供了創(chuàng)新解決方案。

關(guān)鍵詞：GIM；全生命周期；三維數(shù)字建模

中圖分類號：TM769" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）23-0008-06

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.23.002

0" " 引言

在數(shù)字化與智能化浪潮下，GIM模型與數(shù)字孿生技術(shù)在電力行業(yè)中潛力凸顯。GIM作為國網(wǎng)三維設(shè)計技術(shù)規(guī)范，加速了電網(wǎng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。數(shù)字孿生技術(shù)促進(jìn)了電網(wǎng)運維的革新，通過建模、仿真、監(jiān)測，能夠打造電網(wǎng)全方位鏡像。GIM為數(shù)字孿生提供數(shù)據(jù)支撐，融合靜態(tài)與動態(tài)信息，幫助精準(zhǔn)構(gòu)建電網(wǎng)鏡像。GIM模型不僅是物理世界的復(fù)刻，更是運維管理的智能助手，能提供實時、全面的數(shù)據(jù)洞察，引領(lǐng)電網(wǎng)運維進(jìn)入智能新時代。

GIM演進(jìn)受軟件平臺數(shù)據(jù)格式不兼容限制，模型重用性低，形成“信息孤島”[1]，根源在于缺乏完備的信息理論與逆向信息化技術(shù)支撐，導(dǎo)致“信息”與“物理”脫節(jié)。GIM側(cè)重“信息”到“物理”單向轉(zhuǎn)化，理想化設(shè)計難以完全映射現(xiàn)實；信息不對稱致模型多樣，“信息孤島”問題加劇。為破局，引入幾何數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換（Geometric Data Transformation，GDT）技術(shù)至關(guān)重要[2]，它強化“信息”與“物理”雙向互動，促進(jìn)各階段信息共享。GDT將提升信息流通效率，有效融合設(shè)計與現(xiàn)實，消除電力行業(yè)“信息孤島”，推動GIM模型向更高層次發(fā)展。

針對以上問題，本文提出一種基于GIM的輸變電工程全生命周期三維數(shù)字建模方法，實現(xiàn)變電站運維全過程管理的可視化、智能化，提升管理和運維檢修效率。該方法具體將從基于GIM的變電站三維業(yè)務(wù)模型構(gòu)建、變電站數(shù)字孿生業(yè)務(wù)模型構(gòu)建、GIM數(shù)據(jù)與變電設(shè)備臺賬多層級結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換、GIM與數(shù)字孿生業(yè)務(wù)模型轉(zhuǎn)換四個部分展開研究，最終以200 kV變電站為試點，完成基于GIM模型的輸變電工程全生命周期管理應(yīng)用。

1" " GIM模型工具集

構(gòu)建基于GIM的輸變電工程全生命周期管理平臺，離不開四個GIM模型工具的輔助，即GIM模型擴展工具、GIM數(shù)據(jù)剝離工具、GIM數(shù)據(jù)校驗工具和GIM輕量化工具，通過四個工具集的相互協(xié)助，方可完成目標(biāo)應(yīng)用的構(gòu)建。其具體技術(shù)路線如圖1所示。

1.1" " GIM模型擴展工具

GIM模型擴展工具結(jié)合GIM建模規(guī)程規(guī)范，制定GIM模型擴展格式，支持設(shè)備、部件間關(guān)系定義、模型展示以及屬性模板定制，并最終實現(xiàn)擴展后的GIM模型的導(dǎo)出。

1.2" " GIM數(shù)據(jù)剝離工具

為實現(xiàn)對工程GIM源模型的精細(xì)化管理和高效利用，增加了GIM數(shù)據(jù)剝離工具，旨在實現(xiàn)工程GIM模型的單體設(shè)備數(shù)據(jù)拆分、精準(zhǔn)剝離及結(jié)構(gòu)重組，并導(dǎo)出為獨立的設(shè)備GIM模型。同時，工具還將提供設(shè)備展示、篩選、定位及模型爆炸等功能，以滿足用戶全面了解和深入分析設(shè)備信息的需求。該工具能精準(zhǔn)剝離目標(biāo)設(shè)備在整體GIM模型中的相關(guān)數(shù)據(jù)，包括幾何信息、屬性信息等，并對剝離的數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)重組，確保數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性。同時，也支持將剝離并重組后的數(shù)據(jù)導(dǎo)出為獨立的設(shè)備GIM模型，便于用戶進(jìn)行后續(xù)的分析和處理。

1.3" " GIM數(shù)據(jù)校驗工具

GIM數(shù)據(jù)校驗工具，旨在對標(biāo)準(zhǔn)GIM模型及其擴展部分進(jìn)行細(xì)致入微的審核和屬性檢查，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和規(guī)范性。在審核和校驗過程中，工具能夠自動識別不符合規(guī)范的問題，并進(jìn)行分類匯總。問題的分類包括但不限于格式錯誤、屬性缺失、數(shù)據(jù)不一致等，方便用戶快速定位問題所在。根據(jù)GIM標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，該工具會自動對選擇的工程GIM文件和設(shè)備GIM文件進(jìn)行檢測，如圖2所示。檢測內(nèi)容包括模型完整性、準(zhǔn)確性、一致性等方面，同步生成質(zhì)檢報告，如圖3所示，幫助用戶快速定位問題并進(jìn)行修復(fù)。

1.4" " GIM輕量化工具

本工具旨在通過一系列模塊和功能，構(gòu)建專業(yè)的GIM模型輕量化可視化平臺[3]，通過解析標(biāo)準(zhǔn)GIM模型文件實現(xiàn)輸變電工程三維設(shè)計模型預(yù)覽、屬性查看、漫游、測量等，實現(xiàn)三維場景下的工程GIM成果可視化應(yīng)用和共享。

該工具支持地形影像數(shù)據(jù)的導(dǎo)入和處理，自動進(jìn)行切片操作以減少冗余數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三維數(shù)字化場景。通過高效的數(shù)據(jù)處理算法，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實時性，為后續(xù)的三維模型構(gòu)建和展示提供堅實基礎(chǔ)。實際效果如圖4所示。

2" " 基于GIM的輸變電工程全生命周期應(yīng)用構(gòu)建

2.1" " 基于GIM的變電站三維業(yè)務(wù)模型構(gòu)建

變電站GIM模型的構(gòu)建，旨在突破其作為設(shè)計評審與移交基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的局限，深入融合運維與檢修的實際應(yīng)用場景，為運維人員提供直觀高效的仿真分析、在線監(jiān)測及故障診斷工具。為此，首先詳盡梳理變電站運維、檢修等業(yè)務(wù)流程，明確各環(huán)節(jié)操作規(guī)范與要求；隨后，綜合各流程數(shù)據(jù)需求，系統(tǒng)性地收集并整理設(shè)備本體、在線監(jiān)測、地理信息等多維度數(shù)據(jù)，運用高級數(shù)據(jù)分析技術(shù)，如統(tǒng)計、歸納與挖掘，對三維模型格式與屬性信息進(jìn)行精細(xì)化分類與解析；最終，結(jié)合GIM的數(shù)據(jù)格式，考慮各種業(yè)務(wù)的特點和需求，以及數(shù)據(jù)交換的效率和準(zhǔn)確性，實現(xiàn)GIM數(shù)據(jù)格式的擴展，以支撐各業(yè)務(wù)三維模型的精細(xì)化需求。

2.2" " 變電站數(shù)字孿生業(yè)務(wù)模型構(gòu)建

2.2.1" " 基于變電站GIM三維業(yè)務(wù)模型的變電站數(shù)字孿生三維全景構(gòu)建

在構(gòu)建的高度精確的變電站GIM三維業(yè)務(wù)模型基礎(chǔ)上，充分利用GIS數(shù)據(jù)與影像地圖等豐富的變電站周邊環(huán)境信息，結(jié)合先前任務(wù)所確立的三維業(yè)務(wù)模型框架，打造一個1：1精準(zhǔn)復(fù)刻的變電站數(shù)字孿生三維全景模型，具體包括：1）構(gòu)建變電站GIM三維業(yè)務(wù)模型，并對數(shù)據(jù)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)解析、簡化、切片處理，完成變電站全站精細(xì)化三維建模及可視化；2）加載變電站三維場景，通過位置偏移，使基礎(chǔ)地形影像場景變電站位置與變電站三維場景位置對應(yīng)，加載相關(guān)監(jiān)控設(shè)備，對基礎(chǔ)地形影像場景、變電站三維場景、相關(guān)監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行融合配準(zhǔn)；3）融合運行、設(shè)備等信息，將集成數(shù)據(jù)與三維模型進(jìn)行融合，在三維場景內(nèi)直觀展示設(shè)備臺賬數(shù)據(jù)、實時運行數(shù)據(jù)、告警數(shù)據(jù)等。

2.2.2" " 以設(shè)備為最小單元的GIM數(shù)據(jù)剝離

為實現(xiàn)對GIM模型設(shè)備的精細(xì)化管理，使用GIM數(shù)據(jù)剝離工具對GIM模型進(jìn)行數(shù)據(jù)剝離。首先，對目標(biāo)設(shè)備進(jìn)行詳細(xì)分類，并基于設(shè)備的層級結(jié)構(gòu)和屬性信息構(gòu)建出不同類別設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)信息結(jié)構(gòu)樹，這個樹形結(jié)構(gòu)將作為后續(xù)提取和分析設(shè)備數(shù)據(jù)的框架和指南；然后，從GIM模型中提取設(shè)備的幾何信息（如尺寸、形狀）、物理屬性（如材質(zhì)、重量）和工程參數(shù)（如工作電壓、功率），并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)信息結(jié)構(gòu)樹對提取的信息進(jìn)行組織和匹配，確保信息的完整性和準(zhǔn)確性；接著，使用GIM數(shù)據(jù)校驗工具，對從GIM模型中提取的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求的設(shè)備的層級結(jié)構(gòu)和屬性信息進(jìn)行校驗，確保提取數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和一致性；最后，根據(jù)校驗結(jié)果，對提取的信息進(jìn)行必要的優(yōu)化和調(diào)整，確保模型的準(zhǔn)確性和完整性，輸出滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求的設(shè)備GIM模型，該模型能準(zhǔn)確反映設(shè)備的層級結(jié)構(gòu)、屬性信息以及各種工程參數(shù)。

2.3" " GIM數(shù)據(jù)與變電設(shè)備臺賬多層級結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換

GIM模型設(shè)計文件采用的是參數(shù)化模型分級表達(dá)的數(shù)據(jù)組織方式，GIM模型中對整個輸變電工程進(jìn)行了總站、區(qū)域、系統(tǒng)、設(shè)備及部件的明確分級，從整體到個體，從全面到部分，層級分明，邏輯緊密?，F(xiàn)階段GIM模型和電網(wǎng)管理平臺中設(shè)備臺賬的層級沒有建立明確的關(guān)聯(lián)關(guān)系，導(dǎo)致部分?jǐn)?shù)據(jù)的共享、信息流轉(zhuǎn)受到影響，制約了數(shù)字孿生變電站的發(fā)展和應(yīng)用。

本模塊開展GIM數(shù)據(jù)與變電設(shè)備臺賬多層級結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換技術(shù)研究，如圖5所示，通過對GIM數(shù)據(jù)和變電設(shè)備臺賬多層級結(jié)構(gòu)（組成、要素、屬性等）進(jìn)行深入的分析和拆解，構(gòu)建數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)關(guān)系，將GIM數(shù)據(jù)與變電設(shè)備臺賬的多層級結(jié)構(gòu)相映射，形成與變電設(shè)備臺賬多層級結(jié)構(gòu)對應(yīng)的GIM數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。并基于數(shù)據(jù)的映射關(guān)系，構(gòu)建一套支持設(shè)備臺賬多層級擴展結(jié)構(gòu)的GIM建模工具，該工具可將revit等常用設(shè)計平臺的GIM模型導(dǎo)出符合設(shè)備臺賬多層級擴展結(jié)構(gòu)的GIM模型文件，方便用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)的導(dǎo)入和導(dǎo)出操作，提高工作效率和準(zhǔn)確性?；谏鲜鲅芯砍晒瑢崿F(xiàn)變電站GIM模型與設(shè)備臺賬多層級結(jié)構(gòu)匹配，以支持變電站運維過程中的數(shù)字化管理，提升模型數(shù)據(jù)的利用效率，支持?jǐn)?shù)字孿生的深度應(yīng)用。

2.4" " GIM與數(shù)字孿生業(yè)務(wù)模型轉(zhuǎn)換

本模塊致力于優(yōu)化Web數(shù)據(jù)的處理，通過將GIM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為高效的3DTiles格式，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的輕量化與廣泛兼容性。3DTiles技術(shù)巧妙融合了LOD（多細(xì)節(jié)層級）策略，構(gòu)建起一個樹狀結(jié)構(gòu)的層次模型，與二維瓦片地圖相似，顯著加速了三維場景的加載與渲染流程[4-5]。該模型將三維空間分割成多個子區(qū)域，每個子區(qū)域作為樹結(jié)構(gòu)中的一個節(jié)點，內(nèi)含該區(qū)域的幾何邊界信息。這些節(jié)點（即tiles）共同構(gòu)成了tileset，而tileset則以JSON格式進(jìn)行文件存儲，便于管理與訪問。

在tileset中，核心信息包括boundingVolume、geometricError及content等屬性。其中，boundingVolume詳細(xì)描述了節(jié)點的空間范圍，可通過region、sphere或box等子屬性具體表示，為空間定位與篩選提供了基礎(chǔ)；geometricError則衡量了渲染模型與理想模型間的幾何誤差，是評估屏幕空間誤差（SSE）的關(guān)鍵指標(biāo)，有助于實現(xiàn)按需加載，優(yōu)化渲染性能；至于content屬性，它直接指向了當(dāng)前節(jié)點所代表空間區(qū)域的模型資源URI，確保了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確鏈接。

3DTiles通過模擬二維瓦片金字塔的方式，利用表面細(xì)分技術(shù)創(chuàng)建了多精度級別的模型集合。這些模型從tileset的根節(jié)點到葉節(jié)點，按精度遞增的順序排列，形成了一套高效的數(shù)據(jù)組織體系。用戶交互時，系統(tǒng)首先根據(jù)視錐體與boundingVolume的交集篩選出潛在可見的模型，隨后利用SSE評估進(jìn)一步篩選，確保僅渲染那些既在視野內(nèi)又滿足當(dāng)前視圖精度需求的模型，從而實現(xiàn)了高效、流暢的三維場景展示。

GIM模型轉(zhuǎn)換主要是對GIM數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后導(dǎo)出通用三維數(shù)據(jù)格式。GIM數(shù)據(jù)由于其本身構(gòu)成三維模型的最小單元為參數(shù)模型，而大部分三維通用數(shù)據(jù)格式中模型的空間信息均以點、面的形式存儲，因此需要對GIM數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、建模、組裝、優(yōu)化、屬性入庫等操作，組裝完成后導(dǎo)出為通用三維數(shù)據(jù)格式，如OBJ、OFF、FBX，通用三維地理數(shù)據(jù)，如3DTiles等。

3" " 220 kV變電站試點建設(shè)

為了深入挖掘并展示GIM的變電站三維數(shù)字孿生業(yè)務(wù)模型在電力系統(tǒng)中的革新潛力，本文選取一座具有代表性的220 kV變電站作為研究對象。研究的核心目標(biāo)是構(gòu)建一套全面而詳盡的GIM數(shù)據(jù)模型框架，該框架需精準(zhǔn)對接變電站數(shù)字孿生業(yè)務(wù)的具體需求，確保從物理世界到數(shù)字鏡像的無縫映射。

試點實驗的實施旨在初步驗證所開發(fā)工具集的實用價值和廣泛適用性，不僅檢驗其構(gòu)建基于GIM的變電站三維數(shù)字孿生業(yè)務(wù)模型的能力，還探索其在提升變電站運維效率、增強系統(tǒng)安全性方面的實際效果。這一過程不僅是對技術(shù)創(chuàng)新的一次有力實踐，更為電力行業(yè)提供了一個可復(fù)制、可推廣的數(shù)據(jù)模型范例。

圖6所示展示了該數(shù)字孿生模型的具體建模成果，它不僅高度還原了變電站的物理布局與設(shè)備細(xì)節(jié)，還融入了實時數(shù)據(jù)監(jiān)測、智能分析預(yù)測等先進(jìn)功能，為變電站的智能化管理和決策支持提供了堅實的基礎(chǔ)。這一成果的取得，不僅標(biāo)志著變電站運維管理邁入了新的數(shù)字化、智能化階段，也為數(shù)字孿生技術(shù)在整個電力系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用與深入發(fā)展開辟了新路徑。

4" " 結(jié)束語

本文深入探討了基于GIM的輸變電工程全生命周期三維數(shù)字模型的構(gòu)建與應(yīng)用策略，成功解決了GIM在輸變電領(lǐng)域應(yīng)用的局限性，如模型適用性不足、跨部門間三維模型格式與屬性信息的差異，以及三維應(yīng)用平臺通用性挑戰(zhàn)等問題。通過系統(tǒng)梳理并統(tǒng)一各業(yè)務(wù)部門的三維模型格式與屬性要求，本文實現(xiàn)了對GIM數(shù)據(jù)格式的有效擴展，從而確保了三維模型在輸變電工程全鏈條精細(xì)化管理中的應(yīng)用，顯著減少了重復(fù)建模工作，有效降低了成本。

基于上述研究突破，本文進(jìn)一步構(gòu)建了涵蓋GIM數(shù)據(jù)擴展、數(shù)據(jù)剝離、數(shù)據(jù)校驗以及設(shè)備拆解等功能的GIM工具集。這一工具集不僅支持對GIM數(shù)據(jù)進(jìn)行靈活的屬性擴展與數(shù)據(jù)剝離操作，還提供了模型校驗功能以確保數(shù)據(jù)質(zhì)量，同時實現(xiàn)了設(shè)備拆解過程的預(yù)演，極大地提升了數(shù)據(jù)的通用性、可重用性和可操作性。這些成果為電力行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供了堅實的技術(shù)支撐和高效的解決方案，推動了行業(yè)向更加智能、高效的方向發(fā)展。

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收稿日期：2024-07-23

作者簡介：杜浩（1987—），男，貴州松桃人，工程師，主要從事電力信息化軟件開發(fā)工作。