基于BIM的铁路客站三维可视化电力监控系统研究

冯星明, 石 栋, 王云鹏

(中南建筑设计院股份有限公司, 湖北 武汉 430071)

0 引 言

铁路客站的变配电所基本上都是按照无人值守设计的,特别是大中型客站,变电所数量多且位置分散,供电系统复杂,出线回路众多。传统的变电所电力监控系统仅为单线系统图和数据图表的展示,当电气系统发生故障时无法及时得到告警信息,得到信息后也无法很快确认故障回路的具体地理位置,给运维管理带来很多的困扰。

因此,迫切需要一个可视化的电力监控运维管理系统,一旦有故障发生,控制室大屏幕界面就会立刻自动弹出故障点,在三维立体图中显示其准确地理位置,并同步显示其故障类型、电气参数及波形分析等。即使电气管理人员未在控制室,系统也可以通过手机软件将信息马上推送到管理员的手机上,使他可以第一时间了解现场情况。对于平时无故障状态下的电力监控,可视化操作也会非常直观、方便和快捷,同时基于数据分析技术,也可以为管理者提供决策,防患于未然。

变电所的运维管理是建筑电力系统的核心功能。传统的运维模式存在运维人员数量有限、水平参差不齐,运维不及时,故障查找困难等多种缺点。三维可视化的运维模式给变电所运维管理带来了新的理念。

鉴于工程需要,在铁路客站项目中开展了此项课题的研究,并且将研究成果运用于项目案例当中,获得了良好的效果。

1 关键技术

1.1 BIM技术

“三维建模”(3D Modeling),就是利用三维制作软件通过虚拟三维空间构建出具有三维数据的模型。常用的三维建模软件包括:Autodesk Maya、3D Studio Max、Blender、Cinema 4D、ZBrush、Rhino、Modo、Sketch Up、CATIA、Solidworks等。这些软件在动画、游戏、建筑、景观、室内和工业等各个领域都有其适用场景,对于建筑工程领域,其三维建模通常称为建筑信息模型(BIM)技术。

BIM通过建立虚拟的建筑工程三维模型,可视化建筑设计意图,并利用数字化技术,为这个模型提供完整的、与实际情况一致的建筑工程信息库。就目前我国市场上各软件的占有率来看,Autodesk公司的Revit软件是BIM设计行业标准软件,也是建筑业BIM体系中使用最广泛的软件之一。

变电所的建筑三维建模首选采用Revit软件绘制,BIM的三维建模方式类似于“搭积木”,将建筑的墙、柱、梁、板、门等构件作为一个个“积木”进行搭建,最后形成一个完整的结构模型。电气设备的三维模型同样可以采用该方式进行搭建,例如低压抽屉柜,需要采用搭积木的方式构造每个抽屉模型,便于后期的数据分割映射。

1.2 Web 3D技术

为适应云平台技术,电力可视化运维管理软件要求采用B/S架构,以实现跨平台传输的功能,三维模型需要在Web中操作和显示,因此采用专业的3D软件或BIM软件制作的三维模型是不能够直接在该软件中运行的。这时,就需要用到Web 3D技术。

Web 3D技术是实现网页中三维虚拟现实的一种最新技术。Web 3D三维引擎是指用于创建和渲染三维图形的软件框架。它们通常提供了图形处理、物理模拟、光照、碰撞检测等功能,帮助开发者构建逼真的三维场景和交互体验。常见的三维引擎包括Direct 3D、Open GL、Unreal Engine、Unity 3D和Three.js。

Three.js是一个基于Web GL的Java Script三维库,用于在网页上创建交互式的三维图形应用,是目前最流行的开源Web 3D开发框架,提供了构建web 3D应用几乎所有功能。推荐应用于三维可视化电力监控系统软件。将采用Revit绘制的每个变电所(包含所有变配电设备)的完整三维模型导出obj格式文件,通过Three.JS引擎读入三维可视化监控系统软件并进行渲染和封装。配电房三维模型如图1所示。

图1 配电房三维模型

1.3 数字孪生技术

“数字孪生”是将实体、模型与运行数据在虚拟空间中完成映射,让三维模型真实地反映实体对象。

作为可视化的电力运维管理系统,仅仅有变电所三维模型的展示显然是不够的,还必须打通虚拟三维模型与现实变电所之间的连接,这就是数据流的通道以及虚拟与现实之间的映射关系。该系统的数字孪生技术由4部分组成:变配电设备、变配电设备的三维模型、变配电设备的电力数据、变配电设备与三维模型的映射关系。

将变配电设备的三维模型分割映射区域,为每个映射区赋予对应电力数据的同时,增加属性标签,如负荷类型、负荷级别、状态类别、告警等级等。

数字孪生的最终目的是,管理者无须进入变电所,即可通过虚拟模型查看真实世界的电气设备,并且判断是否正常和当有异常告警时能够自动定位真实的物理空间并做出适当的处理。

1.4 物联网技术

物联网(IoT)指将被监控物体通过网络连接,进行信息交换和通信,以实现智能化识别、定位、监控、管理等功能。

三维可视化电力监控系统也正是物联网的应用之一,它的感知层包括智能电表、数字综合继电保护器、变压器温控器、直流屏控制器、无功补偿控制器、有源滤波控制器、温湿度传感器、空气品质传感器、烟雾传感器、水浸传感器、门磁、高清摄像机等设备;传输层包括RS-485开关量采集模块、串口服务器、边缘计算网关、通讯管理机、网络交换机等设备;应用层则是系统的控制管理软件。

1.5 组态软件

物联网的应用离不开组态软件,它是建立物联网平台的基础。组态软件是指数据采集与过程控制的专用软件,也是指在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境。组态软件提供丰富的编辑和作图工具。数据采集与输出、数据处理与算法实现、图形显示及人机对话、实时数据的存储、检索管理、实时通信等多个任务可以在同一台计算机上同时运行。

国外的组态软件包括美国 WONDERWARE公司的InToueh、美国Intellution 公司的Fix、德国西门子公司的WINCC等。国产化的组态软件产品也正在成为市场上的一支生力军。本文选用了华中科技大学开发的QTouch 3.0,它是跨平台软件,集成了实时数据库、IO设备通信、图形组态、数据转换、逻辑处理、调试与诊断系统等功能[1]。

1.6 边缘计算技术

边缘计算是指在靠近物或数据源头的一侧,采用网络、计算、存储、应用核心能力为一体的开放平台,就近提供最近端服务。它们在数据产生的源头进行处理,减少了数据传输的延迟和带宽消耗,提高了实时性。

对物联网而言,边缘计算技术意味着许多控制将通过本地设备实现而无须交由云端,处理过程将在本地边缘计算层完成。这无疑将大大提升处理效率,减轻云端的负荷。

以铁路客站配电房监测为例,它具有数量众多、部署分散、数据量大等特点,利用边缘计算网关,快速接入配电房设备运行状态数据、图形图像数据、环境状态数据,对动力、环境、视频、安全等进行集中一体化监控。

将传统的仅仅负责数据传输功能的通信管理机升级为边缘计算服务网关,设置在每个变电所的现场,可以大大降低监控主机的负担,降低延迟,提高监控系统的处理和传输速度,并且可靠性更高。

1.7 云平台

云平台是指基于硬件资源和软件资源的服务,提供计算、网络和存储能力。云平台按服务类型可以划分为3类:以数据存储为主的存储型云平台,以数据处理为主的计算型云平台以及计算和数据存储处理兼顾的综合云计算平台。云平台按属性可划分为公有云、私有云和混合云。

电力运维管理软件应充分利用云平台的优势,数据库既可以存放于本地服务器,也可以存放于云平台服务器,云平台同时可以提供运算功能。是否部署云平台服务应根据用户的需求确定。推荐采用租赁公有云的方式,实现异地监控和数据共享,可以极大地提高运维管理效率。BIM电力运维管理系统组网方式如图2所示。

图2 BIM电力运维管理系统组网方式

1.8 手机通信技术

电力监控系统与手机通信技术相结合,可以实现移动运维管理功能,对于铁路客站这种无人值守型的变电所而言,具有非常重要的意义,在手机上实现三维可视化电力监控功能,管理者可以随时随地查看每个电气设备和每个出线回路的数据,当有故障报警时,手机上的三维模型可以显示准确的故障位置,管理者到达变电所后,仅仅通过手机就可以定位故障点,处理效率可以得到极大的提高。

手机端软件采用手机微信小程序或App方式(提供IOS、安卓和鸿蒙3种系统的App),访问云端的数据库服务器,云服务器的数据与本地服务器同步。此外,当变电所发生紧急告警或重要告警时,系统后台会通过云平台自动发送短信到该管理者的手机中,提醒管理者。

1.9 环境检测技术

变配电系统设备不可能脱离环境而独立存在,环境的状态会对电力系统产生重大的影响,如温度过高会使电气设备异常甚至跳闸;湿度过大会影响电气设备的绝缘能力;电气设备因为周围有水浸入会导致严重的事故;电气设备发生过热或燃烧时会产生离子烟雾等。引入环境监控系统无疑是对电力监控系统的有力补充。同时,增加门磁检测防止非工作人员闯入、增加摄像机进行远程监控等,使变配电系统实现真正的全方位安全保障。

2 应用实例

2.1 项目简介

某铁路客运站房总建筑面积约6万m2,为高架跨线式站房,地上二层,地下一层。共设置3个变电所,分设于东、西站房,均设置于地下出站层,变压器总装机容量为13 900 kVA,台数为10台。该站房变电所数量多且位置分散,相互距离较长,传统的电力监控系统的方式已不适应运维管理要求,存在如报警反应不及时,无法准确判断故障点,故障处理时间长等缺点。所以,设计采用三维可视化的电力监控及运维管理系统,该系统软件根据设计要求和项目需求量身定制,可极大提高管理效率,增强电力系统的可靠性和安全性。

2.2 三维可视化电力监控系统功能

依托Qtouch组态软件,借助BIM、Web 3D、数字孪生、物联网、边缘计算、云平台、手机通信、环境监测等技术手段,建立“三维可视化电力运维管理系统”,它具有以下功能。

(1) 系统架构。PC端软件采用B/S(浏览器和服务器)方式,WEB服务器存放于本地或云端。手机端软件采用手机APP方式(提供IOS、安卓和鸿蒙3种系统的APP),或采用Wechat Mini Program的方式。

(2) 组网方式。采用混合组网方式,即既建立本地端服务器,同时建立云平台,数据同时存于本地端及云端,功能更加全面,可靠性更高。

(3) 三维模型。建立变电所地图和三维模型,均以真实尺寸绘制,包括建筑模型、变配电设备的模型等。电气设备包括高压柜、环网柜、直流屏、变压器、低压柜、补偿柜、滤波柜等。软件支持三维模型的旋转缩放操作,支持低压柜单个抽屉显示。模型通过Revit绘制,并导入到系统软件中,采用three.js引擎进行三维操作与显示。

(4) 数据采集。采集变电所内所有电气设备的电力数据、状态数据、温度数据等实时信息,变电所内设置边缘计算网关进行现场处理并上传,环境监控的数据采集,包括变电所的温度、湿度、CO2浓度、水浸信号、门磁信号、烟雾信号、视频信号等。

(5) 数据映射。软件三维模型的每台设备、低压柜的每个抽屉均应绑定该设备或回路的电气数据,支持点击交互弹出单个设备模型并显示实时数据,支持故障报警设备的报警闪烁和变换颜色功能。低压配电柜的数据详情页如图3所示。

图3 低压配电柜的数据详情页

(6) 数据库。数据库由实时数据库和历史数据库组成。采用标准通用的数据库管理系统,如MySQL等关系型数据库管理系统。

(7) 运维功能。软件首页功能包括用电统计、负载排行、分类统计、环境监测、实时告警等。主菜单功能包括供电网络、运维管理、告警管理、容量管理、线路管理、用电分析、电能管理、环境管理、报表管理、资产管理、系统管理等。

(8) 实时告警。软件首页设置实时告警栏,当有报警突发事件时,软件自动回到首页,实时报警栏的信息会闪烁,并有声警报和语音播报,且在三维模型中准确定位其实体,根据报警级别(分为一般告警、次要告警、重要告警和严重告警4个等级),设备颜色变为红、黄色系列定义色。手机端软件同时接收到报警信息,且在模型菜单内定位该事件的设备。变压器超温时的大屏和手机端同时告警如图4所示。当变压器的发生温度告警时,大屏幕与手机端同时发出告警信息并标定其编号和地理位置。

图4 变压器超温时的大屏和手机端同时告警

3 结 语

传统的电力监控系统仅仅是数据的图表展示和监视,无法定位数据的物理空间,无法定位故障的准确位置,而三维可视化电力监控系统,在监控后台就可以通过三维模型准确定位故障的设备和地理位置,到达变电所现场后还可以通过手机进一步确认。提高了处理效率,降低了运维管理人员的能力要求、人员数量和劳动强度。本文研究的成果在铁路客站项目进行了实践应用,它同样适用于各类民用建筑和工业建筑,具有广阔的应用前景。