三维数字化平台二次回路全过程可视化研究

陈晨　董平先　宋晓帆　郭放　白萍萍　薛文杰

摘 要：以三维设计指导施工的设计理念，对三维设计平台进行二次开发，实现二次设备接线、传输路径、二次虚回路的可视化，实现二次设备信号传输物理路径和虚回路的可视化，同时现场调试人员可获取所需信号的收发设备、接续设备（交换机、光配等）以及传输路径的全景信息，提高虚端子、虚链路现场调试效率，提高设计人员和现场施工人员的工作效率。

关键词：三维数字化;二次回路;可视化;虚端子

中图分类号：TM63 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）26-0022-04

The Whole Process Visualization Study of the Secondary

Loop of the 3D Digital Platform

CHEN Chen DONG Pingxian SONG Xiaofan GUO Fang BAI Pingping XUE Wenjie

（State Grid Henan Economic Research Institute， Zhengzhou Henan 450000）

Abstract： Based on the design concept of three-dimensional design guiding construction， this paper secondary develops the three-dimensional design platform to realize the visualization of secondary equipment wiring， transmission path and secondary virtual circuit， and realize the visualization of secondary equipment signal transmission physical path and virtual circuit. The on-site debugging personnel can obtain the transceiver and connection equipment （switch， optical distribution， etc.） of the required signals And the panoramic information of the transmission path， so as to improve the on-site commissioning efficiency of virtual terminal and virtual link， and improve the work efficiency of designers and on-site construction personnel.

Keywords： 3D digitization;secondary circuit;visualization;virtual terminal

随着网络技术、计算机硬件技术、设计平台技术、项目管理技术及辅助决策技术等各个领域的快速发展和创新突破，电力工程设计业务逐渐向设计平台一体化、设计对象三维化、设计过程协同化以及设计成果数字化的方向发展。其中，输变电工程三维设计技术融合了建模技术、信息技术及网络技术等设计领域中的多项集成创新，对输变电工程设计领域、施工领域和生产运维领域产生了深远影响。本文提出全新的思路和解决方案，应用电气二次专业的数字化技术手段解决变电站工程在施工中遇到的问题[1]。

①电气二次图纸繁多、接线复杂，现场施工工作量繁重且很易出现接线错误等问题。纸质的施工图纸作为现场的唯一接线依据，施工人员经常会遇到与实际情况不一致的问题。从设计角度考虑，在预估线缆长度时，设计人员通过在软件上进行线缆走径的模拟，粗略估算线缆长度。由于缺乏规范统一的线缆长度计算规则，设计人员为保证线缆长度满足施工需要，往往给线缆预估远大于实际需求长度的余量，造成物资材料的浪费。另外，二次专业因其线缆数量多、路径差异大等，使得设计人员的电缆清册制作过程费时费力。从施工角度考虑，在埋管敷设（涉及电缆、光缆和尾缆）过程中，线路路径受施工人员经验、现场环境等因素影响，易造成实际线路敷设结果与设计要求不一致的情况，如敷设路径存在差异、电缆沟或槽盒中线缆排布不合理等，致使电缆线路长度预留不足或预留过多、电缆沟敷设线缆分布不均匀及电缆沟局部沟段缆线过多而旁路电缆沟空余较大，使得电缆沟整体空间利用率偏低。

②在智能变电站被广泛应用的情况下，变电站中的大部分电缆由光缆替代。同样条件下，单根光缆可以实现普通数十根电缆传输数据的效果。这样虽然减少了电缆的敷设工作量，但变相增加了光缆信号的调试工作量。从设计人员角度考虑，不同厂家定义的设备收发信号的虚端子的地址命名有所差异，指令信息和信号的含义有所不同。将不同厂家虚端子进行连接需要设计人员进行一个个接续，而当变电站规模较大时，这种海量的信息和数据定义会给设计工作带来不便，也会经常发生漏填和错填问题。从施工角度考虑，现场调试人员通过Excel表格的形式进行虚端子的接续调试。由于缺乏对整个信息传输网络架构的完整视角，在遇到调试问题时往往无法快速判断出现问题的原因和发生问题的节点设备。

针对这些问题，本文将结合一个220 kV变电站工程，提出三维数字化平台二次回路全过程可視化的实施方案。通过配置二次设备接线可视化模块，使得端子排、设备光接口及电接口信息数据可视化;通过汇总智能变电站设备信息收发情况、接线信息和电缆敷设等情况，实现单个模块的链路可视化。这样现场施工人员可以从这些可视化的二次设备接线方案和优化后的线缆敷设路径上获得施工信息，且现场调试人员可以及时掌握实时收发信息数据的完整性以及链路是否清晰通畅，从而进一步提高施工效率。

1 二次设备接线信息数字化设计

二次接线信息数字化设计的首要任务是二次系统设计。电气二次系统从功能上可划分为7种类型，分别为保护系统（含保护、故障录波、行波测距等装置）、测控系统、计量系统、时钟系统（含主时钟及扩展时钟装置）、监控系统（含过程层交换机、间隔层交换机、保护及故障录波信息子站、网络分析仪等装置）、电源系统（含电源监控、照明配电、交直流分电、UPS主机等装置）及辅控系统（含图像监控、电气一次、二次设备在线监测等装置）。二次系统设计如图1所示。作为二次设备及其接线信息与三维模型联动的媒介，当二次设备依据自身功能实现系统的分类和归属时，隶属于不同系统下的二次设备可通过参数模型和物理模型的选择，实现二次设备逻辑模型和物理模型的联动。

电气二次设备种类繁多，不同厂家设备配套的端子排图格式不尽相同。同时，随着“零端子”技术的日益成熟，变电站电气二次设备朝着光缆、电缆全预制和“即插即用”的方向快速发展。本次河南怡德（梁庄）220 kV变电站工程全站采用预制光电缆设计方案，因此本专题在后续的论述中将对“零端子”式二次设备接线和传统端子排接线两种接线形式的数字化设计进行论述。

对于“零端子”式二次设备接线而言，通过三维软件平台将设备接口中不同缆芯信息进行录入，包括对应的设备型号、线缆编号、缆芯编号及传输的信息内容等;对于端子排接线形式而言，通过三维软件系统设计平台对端子排进行录入，统一标准，规范格式，为后续三维端子排及接线自动生成做准备[2]。端子排数字化设计模块如图2所示。通过三维软件系统设计平台中的端子排绘制模块，设定端子个数、端子排列数及定义等信息，确定端子排安装位置（即端子排所依附的二次设备或一次设备机构箱）以及去向并绘制缆线。当所有二次设备或一次设备机构箱端子排或预制光缆、电缆接头信息接线录入完毕，可自动生成电缆清册。电缆清册包含起点终点设备信息、线缆型号、线缆编号及备用芯数等参数。电缆长度待设备物理模型摆放完毕且电缆沟或桥架路径设定好后可自动进行计算。

2 二次设备接线信息可视化

2.1 二次设备模型建模

二次设备三维模型建模包括屏柜的模型、设备模型、端子排及光配接线模型（如图3所示）等。根据变电站三维设计情况，二次电气设备模型建设可以不考虑厂家内部配线，重点在端子排外侧的接线上。这样有具体属性和数据的端子排和接口、接线都可以与所属屏柜进行关联。按照间隔进行全站物理回路和逻辑回路建模，需要对全站元器件进行数字化赋值和建模，并建立设备库、电缆型号库、芯线功能库及回路库等;把不同类型板卡模型文件通过拼接合成IED文件，或对端子排开展数字化建模形成物理端口自描述文件（IPCD），并对IED设备中的装置板卡和物理端口进行描述;利用屏柜构成及内部连线模型，整体形成屏柜模型（CPCD），如图4所示。物理回路和逻辑回路建模包括光回路建模和电回路建模。

2.2 线缆接线可视化

通过虚实对应技术实现逻辑回路和光纤端口的映射，采用纤芯自动搜索算法实现光纤回路和二次电缆回路的自动布线，通过P3D文件的二次对象三维模型和世界坐标接口实现二次系统三维成像及设备信息查询。基于SCD文件、P3D文件及三维模型库，采用逆向解析的方式，实现智能变电站二次电缆回路、光纤回路及逻辑回路的三维全景可视化逆向解析三维全景展示流程[3]。二次设备接线可视化，如图5所示。

二次对象三维展示即在三维全景可视化平台实现小室内屏柜、设备、板卡、端口、硬压板、端子排及线缆等二次对象的三维成像，并支持平移、缩放及旋转等三维场景交互的几何变换。

电缆回路三维展示实现屏柜之间电缆端子排接线的三维场景查看，能直观展示电缆两侧所接端子，同时可查看电缆的长度、使用芯及备用芯等必要信息。

光纤回路三维展示实现三维场景下屏柜内、屏柜间各个设备端口跳纤、尾缆、光缆的接入信息展示，同时可查看跳纤、尾缆、光纤的长度、使用芯及备用芯等必要信息[4]。

逻辑回路展示实现每个光口、光纤上流经的逻辑回路信息的可视化展示。

设计成果展示可以实现电气一次、二次图纸按间隔进行可视化展示，在三维场景下展示IED设备及端子排等电回路连接信息。

可按间隔进行三遥信息表的可视化展示。三遥信息所设计的回路可视化展示和三维场景呈现，按间隔逐个展示SCD数据。

3 虚回路信息可视化

下面分析基于三维设计平台的虚回路可视化技术方案。如图6所示（变电站三维模型图），河南怡德（梁庄）220 kV变电站工程采用模块化变电站设计理念，增设110 kV、220 kV预制舱，相关间隔保护测控装置以及故障录波、网络分析、电源分屏下方至预制舱内，继电器小室仅保留主要公共设备。

怡德变网络设备三维模型与逻辑模型相对应，过程层设备如合并单元、智能终端通过直连或交换机与间隔层设备相连接。如前文所述，二次设备含有若干物理端口。每一个物理端口包含多个逻辑的数据发布端和接收端，与不同设备所需接收或发送的采样、开关量等信号相对应[5]。由光纤和交换机组成通信网络，形成虚回路信号通路，至此二次虚回路的起点、终点以及传输网络构建完成。

当前，三维模型的二次设备仅作为线缆敷设的起点终点设备，通过设备或者线缆接口和线缆的关联，实现变电站二次回路的可视化连接、电缆敷设等。在三维展示平面，点击二次屏柜中某一设备，可显示与该设备相关联的逻辑端口接收和发送的信息内容。选定某一信息可高亮显示该信息的起始设备、终点设备以及传输过程中经过的光缆。

4 结语

本文通过对三维设计软件功能模块的二次开发，将逻辑形式存在的端子排接线数据可视化，可指导现场人员准确接线，提高施工效率。此外，通过整合智能化变电站电气设备具体收发信息、端子排接线及线缆敷设等多元化数据，可实现面向单个信息的虚链路可视化，使得现场人员可以方便查询所需信息的传输路径和起点终点设备，提高虚回路接线效率。

参考文献：

[1]董跃周，王秀芳，彭玉培，等.电网工程三维数字化移交数据生产关键技术流程研究[J].科学技术创新，2020（26）：1-4.

[2]文江海，尚福瑞.基于电网资产统一身份编码的基建数字化移交信息管理平台建设及应用[J].电力设备管理，2021（1）：153-154.

[3]国家市场监督管理总局，國家标准化管理委员会.智能变电站光纤回路建模及编码技术规范：GB/T 37755—2019[S].北京：中国标准出版社，2019.

[4]郝晓光，耿少博，任江波，等.智能变电站二次电缆回路建模方法研究与应用[J].电力科学与技术学报，2020（4）：161-168.

[5]赵昂，王洪涛，赵军，等.智能变电站二次回路三维建模及全景可视化研究[J].电气技术，2020（4）：161-168.

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