变电站三维建模方法现状及展望.docx

变电站三维建模方法现状及展望王仁德;杜勇;沈小军【摘 要】分析了 VRML 建模法、几何造型建模法、地面激光雷达建模法建立变电站模型的原理及特点.理论分析与实际案例说明 VRML 建模法需要对变电站每种电气设备编写程序建模,对作业人员要求较高,建模效率与直观性较低;几何造型建模法直接选取特征体建模,效率和直观性有所提提升,但其变电站模型的真实感较差;地面激光雷达建模法使变电站模型具备了真三维实景特性,建模效率高、精度高、直观性强,特别是承受 Pointcloud 与 AutoCAD 联合建模法对电气设备细节特性具有格外真实的表现效果,能满足智能电网建设需求,值得推广应用.【期刊名称】华北电力技术【年(卷),期】2023(000)002【总页数】5 页(P19-23)【关键词】变电站;三维建模;地面激光雷达;VRML;几何造型【作 者】王仁德;杜勇;沈小军【作者单位】同济大学电气工程系,上海 202392;国网湖北省电力公司检修公司,湖北武汉 403350;同济大学电气工程系,上海 202392【正文语种】中 文【中图分类】TM63变电站三维建模方法现状及展望王仁德1，杜勇2，沈小军1(1.同济大学电气工程系，上海 202392; 2.国网湖北省电力公司检修公司，湖北武汉 403350)摘要:分析了 VRML 建模法、几何造型建模法、地面激光雷达建模法建立变电站模型的原理及特点。理论分析与实际案例说明 VRML 建模法需要对变电站每种电气设备编写程序建模，对作业人员要求较高，建模效率与直观性较低;几何造型建模法直接选取特征体建模，效率和直观性有所提提升，但其变电站模型的真实感较差;地面激光雷达建模法使变电站模型具备了真三维实景特性，建模效率高、精度高、直观性强，特别是承受 Pointcloud 与 AutoCAD 联合建模法对电气设备细节特性具有格外真实的表现效果，能满足智能电网建设需求，值得推广应用。关键词:变电站;三维建模;地面激光雷达; VRML;几何造型中图分类号: TM63文献标识码: BDOI:10.16308/ki.issn1003-9171.2023.02.005Expectation and Review on Substation 3D Modeling MethodsWang Rende1，Du Yong 2，Shen Xiaojun 1(1.Department of Electrical Engineering，Tongji University，Shanghai 202392，China; 2.State Grid Hubei Electric Power Company Maintenance Company，Wuhan 403350，China)Abstract: This paper analyzes the principle and characteristics of three modeling methods，such as VRML modeling method，geometric modeling method and terrestrial laser scanner modeling method，which are used to build transformer substation model.Theoretical analysis and field test experiences show that the VRML modeling method needs model program of every electrical equipment，which makes it inefficient，less intuitive and difficult for operators; when using geometric modeling method，3D model can be built directly by selecting features of the objective.Efficiency and intuition are improved，but the sense of reality isnot satisfactory; true three dimensional imaging features，high efficiency， high precision and strong intuition can be realized by using the terrestrial laser scanner modeling method to build a model.Particularly，the methodof Pointcloud and AutoCAD proposed in the paper has a highly real performance on the detail characteristics of electrical equipment，so this method should be promoted.Key words: substation，3D modeling，terrestrial laser scanner，VRML，geometric modeling0 引言变电站作为电力系统的主要组成局部，其日常检测与维护的有效性和电力系统安全运行亲热相关。先进的检测技术与高素养运维人员可提高变电站的运行牢靠性，而变电站环境的特别性制约着电气设备距离检测与运维人员上岗培训。特别在变电站培训方面，加拿大等国家已经开发了基于虚拟现实变电站仿真培训系统1-3，国内变电站培训仿真系统主要以接线图、数字图表、设备照片和现场录像等常规多媒体方式作为表现手段4-7，其真实感、临场感和表现力都有待改进8。随着三维技术的进展，变电站三维场景模型被应用于电气设备距离的非接触式检测与虚拟现实变电站仿真培训系统。变电站三维模型为电气设备供给了一种高效、安全的距离检测方法，且还是虚拟现实变电站仿真培训系统的关键组件之一9，因此变电站三维场景建模技术对变电站的安全运行具有重要现实意义。目前，变电站三维场景建模主要方法有 VRML 建模法、几何造型建模法、地面激光雷达建模法，不同建模方法的原理、效率、精度不全都。对上述 3 种方法进展比照分析有助于针对不同实际状况选取适宜的变电站三维建模方法，故本文比照分析它们的建模原理与优缺点，其中地面激光雷达建模法中包含本文提出的一种全的变电站三维场景建模方法。1 变电站三维建模方法争论现状1.1 基于 VRML 的变电站建模方法VRML 是虚拟现实建模语言(Virtual Reality Modeling Language)的简称，其不仅是一种建模语言，也是一种描绘 3D 场景中对象行为的场景语言10。VRML 通过编程语言以立方体、圆锥体、圆柱体、球体等为原始对象构造变压器、隔离开关、断路器、电压与电流互感器等电气设备模型，并给模型贴上特定材质，然后拼接这些模型以完成整个变电站的三维场景建模。VRML 脚本节点(script)对应的 JAVA 语言可以利用变电站模型进展人机交互，进而实现变电站虚拟现实系统。1.2 基于几何造型的变电站建模方法几何造型建模方法依据变电站数码图片、设计图纸和厂家设备图纸，利用AutoCAD、3dMax、Maya 等专业软件，依据肯定比例承受立方体、圆柱体、圆锥体、圆环等建立变电站各种电气设备的三维模型，然后设置模型贴图与材质，拼接电气设备模型完成变电站三维场景建模，该建模方法猎取的模型主要有三种:线框模型、外表模型与实体模型11-12。图 1 是几何造型建模法建立的电气设备绝缘子支柱模型。图 1绝缘子串三维模型与其彩色图比照1.3 基于地面激光雷达的变电站建模方法地面激光雷达承受非接触主动测量方式直接猎取高精度三维数据，快速将现实世界的信息转换成可以处理的点云数据，为空间三维信息的猎取与空间信息数字化进展供给了全的技术手段13。其工作原理是:首先由激光脉冲二极管放射出激光脉冲信号，经过旋转棱镜射向目标，并同时通过步进电机转变激光束的角度 ;然后通过探测器， 接收返回的激光脉冲信号，并由记录器记录，最终转换成能够直接识别处理的数据信息，其工作原理和测量示意如图 2 所示。图 2 地面激光雷达的工作原理和测量示意利用地面激光雷达扫描变电站，猎取密集的三维点云数据。将变电站点云数据与CCD 相机采集的现场图片进展融合后得到彩色点云数据，其包含物体的尺寸、构造、材质等信息14，使三维点云数据的场景具有较强真实感，为变电站点云数据的分类供给了有效依据，并可提高变电站三维建模的效率和准确性。理论分析和试验结果说明利用基于地面激光雷达建立的变电站三维模型可实现变电设备的模拟测量和三维实景重构。由于地面激光雷达建立的变电站三维实景模型用途广泛，故利用局部三维建模软件进展了相应的变电站三维建模方法争论。目前，基于点云数据建立变电站三维模型的主要软件有 Cyclone、3dMax、Pointcloud 等，Cyclone 与 3dMax 建模的方法根本全都，基于 Pointcloud 建立变电站三维场景模型是本文提出的方法，所以本节主要介绍 Cyclone 软件建模法及 Pointcloud 与 Auto-CAD 联合建模法。1.3.1 Cyclone 建模法Cyclone 是 Leica 公司开发的一款基于地面激光雷达点云数据的建模软件。该软件拥有柱体、球体、管状体、长方体等常规三维模型组件，利用这些组件与对应的点云匹配建模15。在 Cyclone 建立变电站模型的方法中，高压绝缘套管承受柱体、球体、管状体等几种组合模型与点云数据自动匹配的方式进展建模;绝缘子承受 Cyclone 软件的曲面自动延长的功能，生成中间有孔洞的薄面，然后组合成高压绝缘子串模型。其他电气设备也按类似方法建立三维模型，最终拼接各个电气设备的模型以实现整个变电站的三维场景建模。图 3(b)是基于 Cyclone 建模法建立的绝缘子模型。图 3基于 Cyclone 法的绝缘子串模型1.3.2 Pointcloud 与 AutoCAD 联合建模法Pointcloud 软件是 Kubit 公司开发的一款与 AutoCAD 联合使用的点云建模软件， 支持海量点云数据的导入，可以自动拟合圆、弧、圆柱、平面等几何体，能以切片 的形式快速提取点云数据中各类外形的特征量，进而利用 AutoCAD 三维建模工作空间内的扫掠、拉伸、放样、旋转等功能建立各类物体的三维模型，拥有模型仿真 度高、建模手段多样化、效率高的特点，且这些优点在古建保护和工厂管道工程的 数字化中得以应用和表达。鉴于此，争论者争论并提出了基于建模软件实现了变电 站的三维实景建模的方法与流程。基于 Pointcloud 与 AutoCAD 联合法建立变电站场景模型根本步骤如下:第一步:拟合规章特征设备，利用 Pointcloud 软件直接截取立方体、圆柱、圆环等规章外形的电气设备点云数据，并利用相应的特征体进展模型拟合。其次步:创立其他设备点云切片，利用 Pointcloud 以用户坐标系的某个坐标轴方向为基准，剖分其它外形的设备点云数据生成点云薄切片。第三步:建立三维线框模型，利用多义线拟合电气设备的点云切片，得出二维轮廓图，再将二维轮廓图沿着适宜的路径进展扫掠、拉伸、旋转等功能建立电气设备的三维线框模型。第四步:模型拼接，以变电站的完整点云数据为参照对象，将建立的各种电气设备模型在 AutoCAD 中拼接形成完整的变电站模型。为了检验上述建模方法的有效性及效果，2023 年 12 月 16 日，争论者在武汉市凤凰山 500 kV 变电站利用Z + F 5010 型地面激光雷达扫描仪猎取主变电站 2-H 构架的点云数据与彩色图片，并基于 Pointcloud 与 AutoCAD 建立了绝缘套管的三维线框模型，然后转换为真实模型，并进展贴图，如图 4 所示。图 4基于 Pointcloud 与 AutoCAD 的绝缘套管建模从图 4 可以看出，2-H 构架绝缘套管的三维实景模型与现场图的场景高度吻合， 具有较高的仿真度。图 4(a)是建立的支柱绝缘子模型，图 4 (b)左上方和右上方的框图分别是绝缘套管法兰和横梁金具的局部放大图，能区分出法兰上的具体构造， 较好地反映出了部件的细节和真实纹理。依据实景模型，测量出 B、C 两相绝缘套管的距离为 400.308 cm，和设计值 400.0 cm 相比，误差不超过 0.5 cm。可见该方法建立的模型具有较高的精度和真实感，并可以实现变电站电气设备间空间关系的分析。2 变电站建模方法特点分析与争论理论分析与工程实践说明，变电站三维模型的数字化和信息化过程中相继提出的VRML 建模法、几何造型建模法、Cyclone 建模法，以及 AutoCAD 与Pointcloud 联合建模法，各有特点。VRML 建模法基于 VRML 的变电站三维场景建模方法便于实现人机交互，易于推广，但该建模方法承受立方体、圆锥体、圆柱体、球体的组合构建设备模型，必定造成建立的变电站模型缺乏真实感，模型准确度差，不属于变电站三维实景建模技术，后续的高级应用功能有限，另外，VRML 建模方法需要作业人员生疏把握VRML 编程和电气设备的具体构造，建模效率较低。几何造型建模法与 VRML 建模方法相比，几何造型建模法无需编辑电气设备模型程序，直接选取特征体建模，效率和直观性有所提高;但变电站局部改建筑成电气设备数量变化，以及带电设备长期运行造成电气设备尺寸变化，以至于几何造型建模法凭借变电站数码图片和设计资料难以实现真实场景建模。Cyclone 建模法承受地面激光雷达实时采集的变电站点云数据进展建模，使变电站三维模型与实际场景不相符的状况得以避开，建模精度高，并拥有较好的直观性， 比照图 3 中绝缘子实物和模型可得，Cyclone 建模法仍存在几何造型建模法不能较好表达某些电气设备的弧度特性的缺点。AutoCAD 与 Pointcloud 联合建模法基于地面激光雷达采集的点云数据建立各种电气设备的模型，较好地实现了电气设备的弧度特性的展现，抑制了几何造型建模法和 Cyclone 建模法难以真实描述电气设备弧度特性的缺点;建立的模型与实景图的场景高度吻合，具有良好的细节部位表现力，在保证模型具有较高精度的同时， 还可实现变电站电气设备间空间关系量化分析，支撑后续高级应用功能的开发。 综上所述，基于地面激光雷达的变电站建模方法在模型精度、现场的复原性、细节表现力以及量化分析方面具有明显的优势。但争论者现场实际建模工作阅历也说明，基于地面激光雷达的变电站建模方法现场作业强度大，点云建模软件主要依靠手动建模，后续数据处理工作量大、建模效率不高;缺乏统一的建模标准和规章，模型质量受作业人员的阅历影响较大;电气设备模型库、作业标准等方面还需要进一步的开发争论。3 智能电网对变电站建模的需求分析与展望随着智能电网技术的进展、电网规模的扩大、变电集约化的实施对信息量需求的不 断增加，变电站信息模型需求从二维到三维的实景转变已成为趋势。 Quintana J， Mendoza E 对变电站的三维模型总结了 4 点要求16，国内也提出了变电站三维模型的数字化和信息化要求17-18，具体可归纳为:(1) 真实反映变电站设施设备细节和特征，让治理人员和技术人员直观地了解变电站设施设备的具体状况;(2) 真实反映变电站设施设备的空间关系，关心工程设计人员进展设计与分析; (3)仿真变电站改建后的效果，帮助确定改扩建的实施方案;(4) 利用三维可视化的虚拟实景变电站现场，培训变电站的规划、设计、巡察与运维;(5) 作为根底空间数据，能实现变电站资产的数字化治理;(6) 将多维信息综合化，能综合扫瞄变电站的三维物理模型、接线规律、运行状态、检修状态等信息。目前，变电站的信息模型是通过设备台帐、设计图纸、照片或视频等图像图文二维形式猎取的，并通过日常巡察、维护工作不断更。生产实践说明这种信息模型和猎取形式已成为制约电网安全生产的短板，具体表现在:设备台账虽能反映设备技术参数，但反映变电站设备、设施的信息载体呈二维平面化，缺乏直观性，不具备三维实景特征，不能反映出设备实际尺寸、位置以及设备间的空间关系;变电站设计图纸过于专业化，不符合现场运维需求，虽能反映出变电站设备平面位置和尺寸， 但是在扩建或改造中，现场人员更关注的是设备间的相对距离以及人员与带电设备 的安全距离。特别对那些投运较早、根底技术资料缺失严峻的变电站，由于区域负 荷增长、设备运行寿命和大修周期的原因，导致变电站内频繁地进展扩建、改造、 维护等工作，技术资料的缺失往往会导致设备运行隐患，现场作业风险高居不下;照片和视频虽能反映设备运行状况，但无法反映出设备的空间关系。可见，为了提升变电站设备治理工作、改扩建、以及设计规划的水平，满足智能电网建设对变电站建模的需求，支撑带电状态下快速三维模型化、数字化、信息综合化的电力设备建模与重构技术必将在变电站建模中得到广泛的应用。4 结论变电站 VRML 建模法效率较低、直观性差，对作业人员的要求较高;几何造型建模法本钱较低、效率较高，但建立的模型可能与实际场景不符，不能较好表现某些电气设备的弧度特性;基于地面激光雷达建立变电站模型具有精度高、直观性强等优点，所建模型与实际场景吻合度高，支持电气设备距离检测分析、变电站消防演练、作业方案的推演、虚拟培训系统制作等高级应用功能的开发，能满足智能电网对变 电站建模的需求，值得推广应用。参考文献1Okapuu-von Veh A，Marceau R J，Malowany A，et al.Design and operation of a virtual reality operator-training system J.Power Systems ， IEEE Transactions on，1996，11(3) : 1585-1591.2Tam E K，Maurel C，Desbiens Petall.A low-cost PC-oriented virtualenvironment for operator training J.IEEE Transaction on Power Systems ，1998，13(3) :829-853.3Tam E K，Badra F，Marceau R J，et al.A web-based virtual environment for operator training for power systemsJ.Power Systems， IEEE Transactions on，1999，14(3) 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收稿日期:2023-08-05作者简介:王仁德(1988)，男，硕士争论生，从事基于三维激光雷达的电力设备三维建模技术争论。(本文编辑徐伟婷)(上接第 8 页)2胡学浩.美加联合电网大面积停电事故的反思和启发J.电网技术， 2023(9).3李再华，白晓民，丁剑，等.西欧大停电事故分析J.电力系统自动化，2023(1).4周玉兰，许勇，沈晓凡，等.1998 年全国电力系统继电保护及安全自动装置运行状况J.电网技术，2023(9).5沈晓凡，舒治淮，吕鹏飞，等.2023 年国家电网公司继电保护装置运行状况J.电网技术.2023(3).6丁理杰，刘美君，曹一家，等.基于隐性故障模型和风险理论的关键线路辨识J.电力系统自动化，2023(6).7陈为化，江全元，曹一家.考虑继电保护隐性故障的电力系统连锁故障风险评估J.电网技术，2023(13).8施莉，赵东成，杨明玉.关于继电保护系统中隐形故障的探讨J.继电器， 2023(5).收稿日期:2023-07-08作者简介:高伟(1978)，男，黑龙江华电齐齐哈尔热电设备治理部，主要从事火力发电厂电气检修。(本文编辑徐伟婷)·能源技术·