智能变电站二次系统三维数字化设计与装配关键技术

刘清泉,李铁成,王献志,任江波,赵宇皓

(1.国网河北省电力有限公司电力科学研究院,河北 石家庄 050021;2.国网河北省电力有限公司,河北 石家庄 050021)

0 引言

电网三维数字化设计是对建模技术、信息技术、网络技术的一次集成创新,有利于优化设计、施工安装和生产运维,提升电网工程全寿命周期本质安全水平,是建设智能电网的重要技术支撑。三维技术可以实现电网全信息仿真,具备数字化、可视化特点,可以有效提高工程建设、运检管理水平,同时为构建数字电网奠定基础[1-3]。

在国内以三维信息技术为基础,进行变电工程的数字化设计已进入推广阶段,国家电网有限公司相关部门已陆续发布电网工程的数字化设计移交规范[4-5],但变电站二次系统的三维设计规范尚未建立,目前围绕变电站二次系统三维设计方面已有一些学者开展了相关工作。文献[6]提出了基于公共信息模型(Common Information Model,CIM)的变电站三维可视化信息交互技术,该技术能够解决传统方式下设备信息展示不直观及交互困难等问题,但对三维场景的构建仍然使用传统碰撞方式,对二次系统适应性不强。文献[7]提出了基于变电站端子排图、电缆清册等信息的三维设计方法,该方法需要收集大量原始资料,且建模过程耗时耗力,效率不高。文献[8]提出了二次专业与其他专业协同的设计方案,该方案虽然能够全面考虑二次系统三维设计,但对设计软件的兼容度以及各部门的协调性要求较高,不利于实际实施。文献[9]采用虚拟现实技术的三维设计方法,但该方法不利于所建模型的扩展与维护,一旦变电站结构改变,所有与之关联的设计都需修改,给系统维护和更新带来困难。文献[10-11]着重研究了三维模型在二次系统智能运检中的应用,但对如何快速有效地建立三维模型没有具体阐述,无法为设计人员提供有效的建模方法。

针对以上研究内容的不足,本文以智能变电站二次系统多个关键模型文件为切入点,通过对二次模型文件的应用整合分析,研究模型文件与三维设计之间关系,提出基于扩展模型的三维装配技术,包括标准族库技术、文件解析技术以及自动成图技术,该技术能够实现变电站二次系统三维模型的高效集成,模型实物与逻辑关系的耦合,为三维模型在二次系统中的仿真分析、在线监测和故障诊断等高级应用奠定基础。

1 二次系统三维数字化设计整体思路

智能变电站三维数字化设计模型的建立最终以二次专业实际应用场景为目的,从而在仿真分析、在线监测和故障诊断方面为运维人员提供更加直接高效的手段。现阶段智能变电站信息交互模型的建立基于Q/GDW 396-2009《IEC 61850工程继电保护应用模型》(简称“IEC 61850”),该标准对智能变电站智能电子设备(Intelligent E-lectronic Equipment,IED)的交互语言和信息交互方式进行了详细规范[12],智能变电站二次系统正常运维均基于二次系统模型文件,其中关键模型包括全站系统配置(Substation Configuration Description,SCD)、系统规范描述(System Specification Description,SSD)以及电网信息模型(Grid Information Model,GIM)等文件。

本文三维数字化设计以上述3个核心模型文件为基础进行构建与应用,如图1所示。对智能变电站3类模型文件进行应用分析,构建二次设备三维数字化设计的内在联系机理。其中,SCD模型文件为二次设备三维模型之间的通信提供逻辑连接信息;SSD模型文件为一二次设备三维模型之间的关联提供层级属性信息;GIM模型文件为二次系统三维模型的移交与应用提供文档信息。以上述模型文件为基础,通过研究二次设备三维模型标准族库技术、文件解析技术以及自动成图技术,从而完成二次设备三维外在可视化模型。在对二次系统三维数字化设计的基础上,通过研究二次系统三维模型与运行信息接口技术、在线监测与诊断技术,从而完成二次系统三维模型在实际运维中的高级应用。

图1 二次系统三维数字化设计思路

2 二次系统关键模型文件应用分析

2.1 SCD文件应用分析

智能变电站SCD模型文件基于IEC 61850规范,以XML语言编制,它规定了智能变电站内部IED之间的信息共享交互操作。基于文献[13]介绍的方法,解析SCD文件,获取变电站内各IED之间的通信关系,包括IED模型信息、子网分配信息以及虚回路信息。SCD文件包含5个元素,分别为:信息头(Header)、变电站描述(Substation)、智能电子设备描述(IED)、通信系统描述(Communication)和数据类型模板(Data Type Template)[13]。同时SCD文件按照IEC 61850规范建立了3种信息服务模型:制造报文规范(MMS)、通用面向变电站时间对象(GOOSE)和采样值(SV)。MMS信息以标准化格式为主站上送各IED设备运行维护信息,GOOSE信息包含了IED之间及IED与智能终端之间的交互信息,SV信息包含了IED设备与合并单元之间的采样值。

通过解析不同IED节点下LN0内的GOOSE控制块节点,Inputs、SV控制块节点信息,即可获取该IED设备关于GOOSE/SV的虚回路信息,如图2所示,包含了保护装置之间的失灵跳闸信息、保护装置的电压电流采样信息以及保护装置的跳闸信息等。

图2 SCD虚回路连接

SCD模型文件可以为二次系统三维模型之间的信息传输提供逻辑关系描述,IEC 61850提供了IED设备端口之间的光纤物理连接关系,通过获取IED设备之间逻辑回路关系与实际光纤进行匹配,可以实现二次系统在三维模型中的虚实关联映射。

2.2 SSD文件应用分析

智能变电站SSD文件描述了变电站一次系统结构以及相关联的逻辑节点,为设备属性及连接关系提供了有效的依据,同时对系统一二次设备关系进行了详细描述,能够通过配置工具实现系统的图形化。文献[14]描述了SSD文件结构,其主要包括的对象模型:变电站(Substation)、电压等级(VoltageLevel)、变压器(Power Transformer或 Transformer)、间隔(Bay)、设备(E-quipment)、子设备(Sub Equipment)、功能(Function)、连接节点(Connectivity Node)、端点(Terminal)、逻辑节点(LNode)等。

SSD文件描述了变电站一次设备以及二次装置的模型,建立了“电网·变电站·间隔·设备·部件·属性”层级结构,并对电网一次设备进行了参数设置。SSD文件遵循Q/GDW 11662-2017《智能变电站系统配置描述文件技术规范》的要求,建立了电网一次设备图元,在工程中应采用基于间隔(Bay)的建模方法,即把设备或功能根据其关联关系或功能关系组织到一系列的间隔中。

完成一次设备间隔建模后进行一二次关联,对LNode的属性lnClass、ied Name等进行赋值,一二次设备按照以下规则建立关联关系:

a.二次设备中的功能和信息通过逻辑节点实现与一次设备的关联,将保护设备逻辑节点LPHD配置关联到对应一次设备;

b.所有与一次设备相关联的四遥数据,通过所在逻辑节点关联到对应的一次设备的对象中;

c.所有与一次设备相关联的保护动作信息和定值信息等,通过所在逻辑节点关联到对应的一次设备对象中;

d.所有与一次设备相关联的过程层信息,通过所在逻辑节点关联到对应的一次设备的对象中。

通过上述过程,实现了一次设备与二次设备二维图形的关联,如图3所示。利用图模一体化技术实现一二次设备的图形化展示。

图3 一次设备与二次节点关联

因此,在二次设备三维模型的构建中,为使装配过程尽量简单,本文采用图模一体化技术,在一次设备可视化组件构造的过程中关联二次设备的三维模型,保证设备的二维模块与三维模块状态保持一致。

2.3 GIM文件应用分析

GIM主要应用于输变电工程的设计与建造[15],本文针对国家电网有限公司GIM规范进行了二次系统内容的扩充,其中包括各厂家的保护装置、智能终端、合并单元、测控装置、交换机、安稳装置、录波器等二次设备以及相关的二次附属元件。例如对于二次保护装置规定了“保护装置模型几何细度”、“保护装置工程信息”以及“保护装置属性细度”。

建立的变电站二次系统三维模型按照国家电网有限公司GIM标准格式进行移交,如图4所示,模型包括:数字高程模型(*.mod)、工程模型(*.cbm)、物理模型(*dev)、组合模型(*.phm)。

图4 GIM移交模型组成

通过规范的GIM进行移交,可以实现:

a.数据规范性检查。包括三维模型完整性检查、GIM格式的规范性检查、三维模型与设计图纸的一致性检查。

b.模型可视化编辑。对已建立的三维模型进行可视化查看,显示建成的二次系统的三维模型,可对模型中错误部分进行修改。

c.模型变动过程管控。通过对模型进行规范性审查和一致性校验,将模型进行存档管理,当现场存在变动时及时修改入库模型,并进行标记,保证入库模型与现场一致。

3 二次系统三维模型装配关键技术

为了提升二次系统三维设计的效率与质量,确保三维模型设计的完整性,如图5所示,本文以面向对象的方式开发二次系统标准族库与材料库,对二次模型文件进行三维信息扩展,研究模型文件识别解析技术、自动组屏与编辑技术从而实现二次系统三维模型的自动装配。

图5 二次系统三维建模流程

3.1 三维元件族库与材料库技术

本文二次系统采用Autodesk Revit软件[16]进行三维建模,建立包含二次屏柜和二次附属元件族库,其中二次附属元件包括:压板、按钮、指示灯、空开、端子排、把手、光纤、配线架。所有二次间隔屏柜和二次设备附属元件的基本属性信息均包括名称、类型、基本形状和按标准比例缩放的尺寸,其中族库中还包括了元件的不同状态。

为了快速、准确创建三维模型,根据不同厂家、不同型号二次设备建立已封装完备的二次设备材料库。材料库包含不同厂家、不同型号二次设备的三维模型,三维模型包含了二次设备的厂家信息、型号信息、保护类型信息、装置插件信息、三维空间信息。材料库中二次设备三维模型如图6所示。

图6 材料库中合并单元模型

3.2 二次模型三维信息扩展

由于现阶段智能变电站二次模型文件不包含相关的三维信息,因此基于变电站SSD文件,对其进行扩展,完善了二次设备的三维属性信息,为三维模型构建提供模型支撑,同时能够保证变电站二次设备二维信息与三维信息的一致性。

针对SSD文件中描述的一二次设备层级结构,建立了二次小室(room)、二次屏柜(cabinet)、二次附属元件(unit)在内的属性信息,形成了“电网·厂站·小室·间隔·屏柜·装置·属性”完整的层级结构。

在三维空间信息方面,二次屏柜在小室内的具体位置采用空间坐标系(X,Y,Z)来描述,对于二次装置及附属元件采用相对于坐标(F层级,U层级,L层级)的方式来描述,其中,用F表示从前往后排列的层级,用U表示从上往下排列的层级,用L表示从左往右排列的层级,进而完成屏柜、装置及元件空间位置信息的属性添加,如图7所示。

图7 扩展的SSD模型文件

3.3 模型解析与自动组屏技术

该文采用基于文档对象模型(Document Object Model,DOM)的解析方法对扩展SSD文件进行解析[17]。该方法将整个SCL文件内容一次性读入内存,配置文件信息被转化成对象节点树,从而提取二次小室、二次屏柜、二次装置及元件的属性(attribute)和空间位置(position)信息。对智能变电站SCD模型文件进行解析,得出二次设备之间的逻辑连接关系以及光纤、电缆之间连接地址。

根据电气二次设计的基本规则,系统逻辑数据中的编号在同级目录下具有唯一性原则,通过模型解析结果,根据映射的标准模块化族库中的模块族,提取系统设计中二次设备族模型。利用模型文件中屏柜箱体、电缆光纤的逻辑关系,以及柜体、元件、设备、接线的编号属性信息,由外层柜体到内部装置、端子排设备进行组建,调用匹配的模块族,分析其位置布局,自动生成二次系统的三维模型,最终生成变电站二次系统三维模型的GIM文件进行移交验收,整体流程如图8所示。

图8 基于扩展模型文件的三维建模流程

4 应用案例

本文提出的二次系统三维模型装配技术在河北省220 k V秋山变电站开展了试点应用,取得了良好的效果,证明了该方法的可行性与有效性。

4.1 二次系统三维建模规范起草

结合国家电网有限公司GIM规范以及《输变电工程变电站(换流站)三维设计建模规范》、《架空输电线路的三维设计建模规范》,通过对智能变电站二次系统特点研究,起草了《变电站二次系统三维建模技术规范》(草案),二次系统三维建模技术方案的建模范围包含屏柜及装置、安防系统、火灾报警系统、蓄电池组、预制舱5个大类,以及保护装置等18个小类,进一步完善了电网三维模型规范内容,为试点变电站三维模型的建立提供了规范依据。

4.2 试点站二次系统三维模型建立

a.本文使用Autodesk Revit软件进行智能变电站二次系统三维建模,通过STD-R赋值设备属性,形成具有普适性的标准屏柜箱体、装置设备、端子排、元器件、电缆光纤模块化族库,并进行效果渲染,为试点变电站的三维模型建立奠定基础。变电二次系统通用模型族库可重复载入到任意模型工程项目中,作为变电站二次系统三维模型的资源积累,实现了三维模型资源重复利用,减少建模工作量,提高建模工作效率。

b.对220 k V秋山变电站SSD模型文件进行三维信息扩展,通过对秋山变电站各电压等级小室、屏柜位置实际测量,确定各个屏柜位置信息,进行设备参数化设置,同时确定各个二次装置及附属元件的相对位置,完成三维信息的添加;对220 k V秋山变电站SCD模型文件进行解析,确定过程层以及间隔层各个IED设备的逻辑信息连接,构建整站虚回路与实回路映射。

c.根据建立的扩展SSD文件二次设备三维属性的解析以及SCD文件中的设备连接关系,结合标准设备材料库和标准模块化族库的关联信息,进行模型集成设计,实现秋山变电站工程设计阶段中二次三维模型屏柜箱体的实例化,如图9所示。

图9 秋山变电站二次屏柜及汇控柜三维模型

d.将秋山变电站三维模型应用于三维全景可视化,可视化数据支撑包含扩展SSD模型文件、标准SVG图形文件、标准GIM文件、在线监测实时监测数据。三维引擎展示技术通过解析标准GIM文件,进行变电站三维全景的可视化展示;与在线监测系统平台通过TCP协议和接口访问技术进行集成,当监测到故障信息时与三维引擎进行接口交互和展示,实现在三维场景下的全景感知与故障定位[1820],如图10-11所示。

图10 二次系统三维在线监视

图11 三维模型故障定位

220 k V秋山变电站采用本文提出的三维建模方法实现了二次系统三维模型的快速建立,由于三维模型的建立基于二次系统模型文件,从而保证了三维模型与二维模型的一致性,同时保证了三维在线监视信息与变电站实际运行信息的一致性,实现了智能变电站二次系统仿真分析、在线监测以及故障诊断在三维场景下的有效应用,为工作人员提供更加友好直观体验,大幅提升二次系统运维效率。

5 结束语

本文介绍了一种智能变电站二次系统三维装配技术。针对现阶段二次系统三维建模研究现状进行了具体的分析,指出已有装配技术的不足,提出了基于变电站二次系统模型文件的三维模型装配技术。该方法在设计过程中充分考虑了一次设备与二次设备的关联,逻辑回路与实回路的映射,通过运用标准族库技术、文件解析技术以及自动成图技术,实现三维模型实物与逻辑关系的耦合,保证变电站在运行过程中的安全性以及改扩建工程的扩展性,通过试点案例验证了该技术的有效性。随着能源互联网建设的进一步推进,电网数字化转型要求进一步提升,三维数字化技术有效契合数字化主动电网技术特征,对推动数字化主动电网的建设起到重大的示范作用。