基于BIM的變電站三維可視化系統(tǒng)

許佳佳，嚴 棟，是晨光，史秋蕓，胡 鵬

（1.國網(wǎng)無錫供電公司，江蘇 無錫 214100；2.國網(wǎng)無錫供電公司 廣盈設(shè)計公司，江蘇 無錫 214100；3.上海九洲信息技術(shù)有限公司，上海 200120）

0 引 言

近年來，我國電力網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)出特高壓大規(guī)?；ヂ?lián)的全新發(fā)展態(tài)勢，因此必須對傳統(tǒng)變電站進行改造，同時建設(shè)大量的新型智能化變電站，以滿足電網(wǎng)的發(fā)展需求。新型變電站面臨電壓等級高、建設(shè)時間短、占地面積小、成本要求低以及質(zhì)量要求嚴格等多挑戰(zhàn)，此外還必須保證投運后能安全穩(wěn)定運行，在實現(xiàn)電網(wǎng)互聯(lián)的同時提高電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量。

智能變電站是電力網(wǎng)絡(luò)中不可或缺的部分，需充分提高變電站運維人員的各項技術(shù)水平，以保證電網(wǎng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟且優(yōu)質(zhì)的運行。目前，變電站運維人員無法在已投運的裝備或系統(tǒng)上直接進行操作、實驗或培訓等工作，且變電站無法模擬實際故障供學員參觀學習，這就使培訓相關(guān)學員無法從直接操作或?qū)嶋H故障中吸取經(jīng)驗。研發(fā)變電站三維可視化仿真培訓系統(tǒng)有利于解決上述難題。本文基于建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）對智能變電站的三維可視化仿真系統(tǒng)展開研究，分析了智能變電站三維可視化仿真平臺的系統(tǒng)架構(gòu)與總設(shè)計方案，從設(shè)備運行狀態(tài)信息、配置描述文件管理以及故障信息傳遞等方面對全景可視化進行研究，實現(xiàn)了變電站高效、直觀且規(guī)范的運行。同時通過Unity的真實渲染，構(gòu)建了便于運維人員直觀學習與查閱的動態(tài)可視化畫面。

1 變電站可視化總體方案

變電站BIM可視化運維平臺是一種虛實結(jié)合的技術(shù)平臺，在上位機、通信光纖以及各類測量轉(zhuǎn)換模塊的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)變電站的BIM可視化在線監(jiān)測和管理。其本質(zhì)是將基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)以及監(jiān)測監(jiān)控數(shù)據(jù)等清晰直觀地展現(xiàn)給運維人員。其中，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)涵蓋了用戶個人信息、變電站多類型線路或設(shè)備的BIM數(shù)據(jù)以及地理信息數(shù)據(jù)等；管理數(shù)據(jù)涵蓋了應急處理、故障排查、例行檢修以及設(shè)備更換等歷史數(shù)據(jù)；監(jiān)測監(jiān)控數(shù)據(jù)為傳感器和攝像頭等多種數(shù)據(jù)收集裝備獲取的各類數(shù)據(jù)，包括操作人員工作狀態(tài)、線路或電氣裝備狀態(tài)以及監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)等。將監(jiān)測的設(shè)備狀態(tài)信息、管理文件以及故障告警解析成信息圖形，進而實現(xiàn)在屏幕中直觀監(jiān)測信息。本文設(shè)計的可視化平臺架構(gòu)可分為網(wǎng)絡(luò)連接和邏輯連接兩大部分，能夠?qū)崿F(xiàn)變電站各類數(shù)據(jù)信息、電站內(nèi)智能電氣設(shè)備（Intelligent Electrical Device，IED）網(wǎng)絡(luò)連接情況以及虛擬端子連接情況的實時查看。

變電站可視化運維平臺可以實時管理全景數(shù)據(jù)，并將設(shè)備狀態(tài)、故障信息、配置文件以及通信故障信息進行實時展示。一旦虛擬端子或虛擬通道發(fā)生異常，可視化運維平臺能夠在海量數(shù)據(jù)中迅速尋址，并在顯示屏中突出顯示，以此實現(xiàn)變電站異常信息及故障告警的高度可視化，提高變電站的智能化水平。

2 變電站BIM可視化平臺設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 BIM配置管理文件可視化

IED的網(wǎng)絡(luò)連接圖和虛擬端子的邏輯連接圖可以通過解析變電站配置文件形成，在屏幕中清晰展現(xiàn)數(shù)據(jù)交換形式和組網(wǎng)架構(gòu)。基于BIM配置管理文件可視化技術(shù)和增強現(xiàn)實技術(shù)，實現(xiàn)各個設(shè)備的虛擬展示與交互。

2.2 BIM可視化平臺構(gòu)建

通過BIM技術(shù)建設(shè)可視化平臺后，需要使用Unity引擎對場景進行渲染。同時需要依據(jù)設(shè)備的地理位置對相關(guān)設(shè)備進行再次校驗，并依據(jù)主電路圖紙將設(shè)備進行碰撞連接，以構(gòu)建完整的變電站電氣設(shè)備3D虛擬模型，變電站整體場景及電氣部分場景如圖1所示。

圖1 變電站3D虛擬模型

為滿足新入職運維人員提高技術(shù)水平的培訓需求，需要對多類型設(shè)備的二維及三維可視化圖形增加注釋和實時運行工況的數(shù)據(jù)，并對相關(guān)設(shè)備和回路進行3D動態(tài)渲染，以便對相關(guān)變電站電氣設(shè)備的動作過程進行查看和學習。變壓器的模擬效果如圖2所示。

圖2 變壓器3D虛擬模型

此外，為加強運維人員對變電站故障嚴重性的認知，需要對多類型設(shè)備故障效果進行渲染。主變壓器模擬爆炸起火效果如圖3（a）所示，該效果主要利用了Unity引擎的粒子特效渲染以及光源渲染功能，創(chuàng)建火焰材質(zhì)球來完成，使火焰效果更加真實。站內(nèi)電抗器常出現(xiàn)過熱故障，產(chǎn)生冒煙現(xiàn)象，如圖3（b）所示，制作煙霧同樣需要粒子特效渲染，并對周圍進行暗化和陰影處理，使其效果更加逼真。

圖3 核電站電氣設(shè)備故障效果

3 結(jié) 論

本文提出了一種基于BIM技術(shù)的變電站可視化設(shè)計方案，解決了變電站設(shè)計、施工、運維以及教學難度大的問題。首先分析了變電站可視化的功能需求，其次構(gòu)建了以網(wǎng)絡(luò)連接圖和邏輯連接圖為中心的可視化平臺總體架構(gòu)，并對設(shè)備狀態(tài)和BIM配置管理文件進行了設(shè)計，最后依托Unity引擎對場景進行渲染，形成了真實直觀的變電站動態(tài)畫面，以幫助運維人員對變電站全方面學習。