基于BIM的变电站三维可视化系统

许佳佳，严 栋，是晨光，史秋芸，胡 鹏

（1.国网无锡供电公司，江苏 无锡 214100；2.国网无锡供电公司 广盈设计公司，江苏 无锡 214100；3.上海九洲信息技术有限公司，上海 200120）

0 引 言

近年来，我国电力网络呈现出特高压大规模互联的全新发展态势，因此必须对传统变电站进行改造，同时建设大量的新型智能化变电站，以满足电网的发展需求。新型变电站面临电压等级高、建设时间短、占地面积小、成本要求低以及质量要求严格等多挑战，此外还必须保证投运后能安全稳定运行，在实现电网互联的同时提高电力系统的电能质量。

智能变电站是电力网络中不可或缺的部分，需充分提高变电站运维人员的各项技术水平，以保证电网安全、稳定、经济且优质的运行。目前，变电站运维人员无法在已投运的装备或系统上直接进行操作、实验或培训等工作，且变电站无法模拟实际故障供学员参观学习，这就使培训相关学员无法从直接操作或实际故障中吸取经验。研发变电站三维可视化仿真培训系统有利于解决上述难题。本文基于建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）对智能变电站的三维可视化仿真系统展开研究，分析了智能变电站三维可视化仿真平台的系统架构与总设计方案，从设备运行状态信息、配置描述文件管理以及故障信息传递等方面对全景可视化进行研究，实现了变电站高效、直观且规范的运行。同时通过Unity的真实渲染，构建了便于运维人员直观学习与查阅的动态可视化画面。

1 变电站可视化总体方案

变电站BIM可视化运维平台是一种虚实结合的技术平台，在上位机、通信光纤以及各类测量转换模块的基础上，实现变电站的BIM可视化在线监测和管理。其本质是将基础数据、管理数据以及监测监控数据等清晰直观地展现给运维人员。其中，基础数据涵盖了用户个人信息、变电站多类型线路或设备的BIM数据以及地理信息数据等；管理数据涵盖了应急处理、故障排查、例行检修以及设备更换等历史数据；监测监控数据为传感器和摄像头等多种数据收集装备获取的各类数据，包括操作人员工作状态、线路或电气装备状态以及监控设备状态等。将监测的设备状态信息、管理文件以及故障告警解析成信息图形，进而实现在屏幕中直观监测信息。本文设计的可视化平台架构可分为网络连接和逻辑连接两大部分，能够实现变电站各类数据信息、电站内智能电气设备（Intelligent Electrical Device，IED）网络连接情况以及虚拟端子连接情况的实时查看。

变电站可视化运维平台可以实时管理全景数据，并将设备状态、故障信息、配置文件以及通信故障信息进行实时展示。一旦虚拟端子或虚拟通道发生异常，可视化运维平台能够在海量数据中迅速寻址，并在显示屏中突出显示，以此实现变电站异常信息及故障告警的高度可视化，提高变电站的智能化水平。

2 变电站BIM可视化平台设计与实现

2.1 BIM配置管理文件可视化

IED的网络连接图和虚拟端子的逻辑连接图可以通过解析变电站配置文件形成，在屏幕中清晰展现数据交换形式和组网架构。基于BIM配置管理文件可视化技术和增强现实技术，实现各个设备的虚拟展示与交互。

2.2 BIM可视化平台构建

通过BIM技术建设可视化平台后，需要使用Unity引擎对场景进行渲染。同时需要依据设备的地理位置对相关设备进行再次校验，并依据主电路图纸将设备进行碰撞连接，以构建完整的变电站电气设备3D虚拟模型，变电站整体场景及电气部分场景如图1所示。

图1 变电站3D虚拟模型

为满足新入职运维人员提高技术水平的培训需求，需要对多类型设备的二维及三维可视化图形增加注释和实时运行工况的数据，并对相关设备和回路进行3D动态渲染，以便对相关变电站电气设备的动作过程进行查看和学习。变压器的模拟效果如图2所示。

图2 变压器3D虚拟模型

此外，为加强运维人员对变电站故障严重性的认知，需要对多类型设备故障效果进行渲染。主变压器模拟爆炸起火效果如图3（a）所示，该效果主要利用了Unity引擎的粒子特效渲染以及光源渲染功能，创建火焰材质球来完成，使火焰效果更加真实。站内电抗器常出现过热故障，产生冒烟现象，如图3（b）所示，制作烟雾同样需要粒子特效渲染，并对周围进行暗化和阴影处理，使其效果更加逼真。

图3 核电站电气设备故障效果

3 结 论

本文提出了一种基于BIM技术的变电站可视化设计方案，解决了变电站设计、施工、运维以及教学难度大的问题。首先分析了变电站可视化的功能需求，其次构建了以网络连接图和逻辑连接图为中心的可视化平台总体架构，并对设备状态和BIM配置管理文件进行了设计，最后依托Unity引擎对场景进行渲染，形成了真实直观的变电站动态画面，以帮助运维人员对变电站全方面学习。