基于GIM的輸變電工程全生命周期三維數(shù)字建模應(yīng)用研究

0引言

在數(shù)字化與智能化浪潮下,GIM模型與數(shù)字孿生技術(shù)在電力行業(yè)中潛力凸顯。GIM作為國(guó)網(wǎng)三維設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范,加速了電網(wǎng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。數(shù)字孿生技術(shù)促進(jìn)了電網(wǎng)運(yùn)維的革新,通過(guò)建模、仿真、監(jiān)測(cè),能夠打造電網(wǎng)全方位鏡像。GIM為數(shù)字孿生提供數(shù)據(jù)支撐,融合靜態(tài)與動(dòng)態(tài)信息,幫助精準(zhǔn)構(gòu)建電網(wǎng)鏡像。GIM模型不僅是物理世界的復(fù)刻,更是運(yùn)維管理的智能助手,能提供實(shí)時(shí)、全面的數(shù)據(jù)洞察,引領(lǐng)電網(wǎng)運(yùn)維進(jìn)入智能新時(shí)代。

GIM演進(jìn)受軟件平臺(tái)數(shù)據(jù)格式不兼容限制,模型重用性低,形成“信息孤島”^[1],根源在于缺乏完備的信息理論與逆向信息化技術(shù)支撐,導(dǎo)致“信息”與“物理”脫節(jié)。GIM側(cè)重“信息”到“物理”單向轉(zhuǎn)化,理想化設(shè)計(jì)難以完全映射現(xiàn)實(shí);信息不對(duì)稱(chēng)致模型多樣,“信息孤島”問(wèn)題加劇。為破局,引入幾何數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換(GeometricDataTransformation,GDT)技術(shù)至關(guān)重要^[2],它強(qiáng)化“信息”與“物理”雙向互動(dòng),促進(jìn)各階段信息共享。GDT將提升信息流通效率,有效融合設(shè)計(jì)與現(xiàn)實(shí),消除電力行業(yè)“信息孤島”,推動(dòng)GIM模型向更高層次發(fā)展。

針對(duì)以上問(wèn)題,本文提出一種基于GIM的輸變電工程全生命周期三維數(shù)字建模方法,實(shí)現(xiàn)變電站運(yùn)維全過(guò)程管理的可視化、智能化,提升管理和運(yùn)維檢修效率。該方法具體將從基于GIM的變電站三維業(yè)務(wù)模型構(gòu)建、變電站數(shù)字孿生業(yè)務(wù)模型構(gòu)建、GIM數(shù)據(jù)與變電設(shè)備臺(tái)賬多層級(jí)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換、GIM與數(shù)字孿生業(yè)務(wù)模型轉(zhuǎn)換四個(gè)部分展開(kāi)研究,最終以200 kv 變電站為試點(diǎn),完成基于GIM模型的輸變電工程全生命周期管理應(yīng)用。

1 GIM模型工具集

構(gòu)建基于GIM的輸變電工程全生命周期管理平臺(tái),離不開(kāi)四個(gè)GIM模型工具的輔助,即GIM模型擴(kuò)展工具、GIM數(shù)據(jù)剝離工具、GIM數(shù)據(jù)校驗(yàn)工具和 GIM輕量化工具,通過(guò)四個(gè)工具集的相互協(xié)助,方可完成目標(biāo)應(yīng)用的構(gòu)建。其具體技術(shù)路線如圖1所示。

1.1 GIM模型擴(kuò)展工具

GIM模型擴(kuò)展工具結(jié)合GIM建模規(guī)程規(guī)范,制定 GIM模型擴(kuò)展格式,支持設(shè)備、部件間關(guān)系定義、模型展示以及屬性模板定制,并最終實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展后的 GIM模型的導(dǎo)出。

1.2 GIM數(shù)據(jù)剝離工具

為實(shí)現(xiàn)對(duì)工程GIM源模型的精細(xì)化管理和高效利用,增加了GIM數(shù)據(jù)剝離工具,旨在實(shí)現(xiàn)工程GIM 模型的單體設(shè)備數(shù)據(jù)拆分、精準(zhǔn)剝離及結(jié)構(gòu)重組,并導(dǎo)出為獨(dú)立的設(shè)備GIM模型。同時(shí),工具還將提供設(shè)備展示、篩選、定位及模型爆炸等功能,以滿足用戶(hù)全面了解和深入分析設(shè)備信息的需求。該工具能精準(zhǔn)剝離目標(biāo)設(shè)備在整體GIM模型中的相關(guān)數(shù)據(jù),包括幾何信息、屬性信息等,并對(duì)剝離的數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)重組,確保數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性。同時(shí),也支持將剝離并重組后的數(shù)據(jù)導(dǎo)出為獨(dú)立的設(shè)備GIM模型,便于用戶(hù)進(jìn)行后續(xù)的分析和處理。

1.3 GIM數(shù)據(jù)校驗(yàn)工具

GIM數(shù)據(jù)校驗(yàn)工具,旨在對(duì)標(biāo)準(zhǔn)GIM模型及其擴(kuò)展部分進(jìn)行細(xì)致入微的審核和屬性檢查,確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和規(guī)范性。在審核和校驗(yàn)過(guò)程中,工具能夠自動(dòng)識(shí)別不符合規(guī)范的問(wèn)題,并進(jìn)行分類(lèi)匯總。問(wèn)題的分類(lèi)包括但不限于格式錯(cuò)誤、屬性缺失、數(shù)據(jù)不一致等,方便用戶(hù)快速定位問(wèn)題所在。根據(jù)GIM標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,該工具會(huì)自動(dòng)對(duì)選擇的工程GIM文件和設(shè)備GIM 文件進(jìn)行檢測(cè),如圖2所示。檢測(cè)內(nèi)容包括模型完整性、準(zhǔn)確性、一致性等方面,同步生成質(zhì)檢報(bào)告,如圖3所示,幫助用戶(hù)快速定位問(wèn)題并進(jìn)行修復(fù)。

1.4 GIM輕量化工具

本工具旨在通過(guò)一系列模塊和功能,構(gòu)建專(zhuān)業(yè)的 GIM模型輕量化可視化平臺(tái)^[3],通過(guò)解析標(biāo)準(zhǔn)GIM模型文件實(shí)現(xiàn)輸變電工程三維設(shè)計(jì)模型預(yù)覽、屬性查看、漫游、測(cè)量等,實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景下的工程GIM成果可視化應(yīng)用和共享。

該工具支持地形影像數(shù)據(jù)的導(dǎo)入和處理, 自動(dòng)進(jìn)行切片操作以減少冗余數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三維數(shù)字化場(chǎng)景。通過(guò)高效的數(shù)據(jù)處理算法,確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性,為后續(xù)的三維模型構(gòu)建和展示提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。實(shí)際效果如圖4所示。

2 基于GIM的輸變電工程全生命周期應(yīng)用構(gòu)建

2.1 基于GIM的變電站三維業(yè)務(wù)模型構(gòu)建

變電站GIM模型的構(gòu)建,旨在突破其作為設(shè)計(jì)評(píng)審與移交基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的局限,深入融合運(yùn)維與檢修的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景,為運(yùn)維人員提供直觀高效的仿真分析、在線監(jiān)測(cè)及故障診斷工具。為此,首先詳盡梳理變電站運(yùn)維、檢修等業(yè)務(wù)流程,明確各環(huán)節(jié)操作規(guī)范與要求;隨后,綜合各流程數(shù)據(jù)需求,系統(tǒng)性地收集并整理設(shè)備本體、在線監(jiān)測(cè)、地理信息等多維度數(shù)據(jù),運(yùn)用高級(jí)數(shù)據(jù)分析技術(shù),如統(tǒng)計(jì)、歸納與挖掘,對(duì)三維模型格式與屬性信息進(jìn)行精細(xì)化分類(lèi)與解析;最終,結(jié)合GIM的數(shù)據(jù)格式,考慮各種業(yè)務(wù)的特點(diǎn)和需求,以及數(shù)據(jù)交換的效率和準(zhǔn)確性,實(shí)現(xiàn)GIM數(shù)據(jù)格式的擴(kuò)展,以支撐各業(yè)務(wù)三維模型的精細(xì)化需求。

2.2 變電站數(shù)字孿生業(yè)務(wù)模型構(gòu)建

2.2.1基于變電站GIM三維業(yè)務(wù)模型的變電站數(shù)字孿生三維全景構(gòu)建

在構(gòu)建的高度精確的變電站GIM三維業(yè)務(wù)模型基礎(chǔ)上,充分利用GIS數(shù)據(jù)與影像地圖等豐富的變電站周邊環(huán)境信息,結(jié)合先前任務(wù)所確立的三維業(yè)務(wù)模型框架,打造一個(gè)1:1精準(zhǔn)復(fù)刻的變電站數(shù)字孿生三維全景模型,具體包括:1)構(gòu)建變電站GIM三維業(yè)務(wù)模型,并對(duì)數(shù)據(jù)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)解析、簡(jiǎn)化、切片處理,完成變電站全站精細(xì)化三維建模及可視化;2)加載變電站三維場(chǎng)景,通過(guò)位置偏移,使基礎(chǔ)地形影像場(chǎng)景變電站位置與變電站三維場(chǎng)景位置對(duì)應(yīng),加載相關(guān)監(jiān)控設(shè)備,對(duì)基礎(chǔ)地形影像場(chǎng)景、變電站三維場(chǎng)景、相關(guān)監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行融合配準(zhǔn);3)融合運(yùn)行、設(shè)備等信息,將集成數(shù)據(jù)與三維模型進(jìn)行融合,在三維場(chǎng)景內(nèi)直觀展示設(shè)備臺(tái)賬數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)、告警數(shù)據(jù)等。

2.2.2 以設(shè)備為最小單元的GIM數(shù)據(jù)剝離

為實(shí)現(xiàn)對(duì)GIM模型設(shè)備的精細(xì)化管理,使用GIM 數(shù)據(jù)剝離工具對(duì)GIM模型進(jìn)行數(shù)據(jù)剝離。首先,對(duì)目標(biāo)設(shè)備進(jìn)行詳細(xì)分類(lèi),并基于設(shè)備的層級(jí)結(jié)構(gòu)和屬性信息構(gòu)建出不同類(lèi)別設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)信息結(jié)構(gòu)樹(shù),這個(gè)樹(shù)形結(jié)構(gòu)將作為后續(xù)提取和分析設(shè)備數(shù)據(jù)的框架和指南;然后,從GIM模型中提取設(shè)備的幾何信息(如尺寸、形狀)、物理屬性(如材質(zhì)、重量)和工程參數(shù)(如工作電壓、功率),并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)信息結(jié)構(gòu)樹(shù)對(duì)提取的信息進(jìn)行組織和匹配,確保信息的完整性和準(zhǔn)確性;接著,使用GIM數(shù)據(jù)校驗(yàn)工具,對(duì)從GIM模型中提取的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求的設(shè)備的層級(jí)結(jié)構(gòu)和屬性信息進(jìn)行校驗(yàn),確保提取數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和一致性;最后,根據(jù)校驗(yàn)結(jié)果,對(duì)提取的信息進(jìn)行必要的優(yōu)化和調(diào)整,確保模型的準(zhǔn)確性和完整性,輸出滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求的設(shè)備GIM模型,該模型能準(zhǔn)確反映設(shè)備的層級(jí)結(jié)構(gòu)、屬性信息以及各種工程參數(shù)。

2.3 GIM數(shù)據(jù)與變電設(shè)備臺(tái)賬多層級(jí)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換

GIM模型設(shè)計(jì)文件采用的是參數(shù)化模型分級(jí)表達(dá)的數(shù)據(jù)組織方式,GIM模型中對(duì)整個(gè)輸變電工程進(jìn)行了總站、區(qū)域、系統(tǒng)、設(shè)備及部件的明確分級(jí),從整體到個(gè)體,從全面到部分,層級(jí)分明,邏輯緊密?，F(xiàn)階段GIM模型和電網(wǎng)管理平臺(tái)中設(shè)備臺(tái)賬的層級(jí)沒(méi)有建立明確的關(guān)聯(lián)關(guān)系,導(dǎo)致部分?jǐn)?shù)據(jù)的共享、信息流轉(zhuǎn)受到影響,制約了數(shù)字孿生變電站的發(fā)展和應(yīng)用。

本模塊開(kāi)展GIM數(shù)據(jù)與變電設(shè)備臺(tái)賬多層級(jí)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換技術(shù)研究,如圖5所示,通過(guò)對(duì)GIM數(shù)據(jù)和變電設(shè)備臺(tái)賬多層級(jí)結(jié)構(gòu)(組成、要素、屬性等)進(jìn)行深入的分析和拆解,構(gòu)建數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)關(guān)系,將GIM數(shù)據(jù)與變電設(shè)備臺(tái)賬的多層級(jí)結(jié)構(gòu)相映射,形成與變電設(shè)備臺(tái)賬多層級(jí)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的GIM數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。并基于數(shù)據(jù)的映射關(guān)系,構(gòu)建一套支持設(shè)備臺(tái)賬多層級(jí)擴(kuò)展結(jié)構(gòu)的GIM建模工具,該工具可將revit等常用設(shè)計(jì)平臺(tái)的GIM模型導(dǎo)出符合設(shè)備臺(tái)賬多層級(jí)擴(kuò)展結(jié)構(gòu)的GIM模型文件,方便用戶(hù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的導(dǎo)入和導(dǎo)出操作,提高工作效率和準(zhǔn)確性?；谏鲜鲅芯砍晒?實(shí)現(xiàn)變電站GIM模型與設(shè)備臺(tái)賬多層級(jí)結(jié)構(gòu)匹配,以支持變電站運(yùn)維過(guò)程中的數(shù)字化管理,提升模型數(shù)據(jù)的利用效率,支持?jǐn)?shù)字孿生的深度應(yīng)用。

2.4 GIM與數(shù)字孿生業(yè)務(wù)模型轉(zhuǎn)換

本模塊致力于優(yōu)化web數(shù)據(jù)的處理,通過(guò)將GIM 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為高效的3DTiles格式,實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的輕量化與廣泛兼容性。3DTiles技術(shù)巧妙融合了LOD(多細(xì)節(jié)層級(jí))策略,構(gòu)建起一個(gè)樹(shù)狀結(jié)構(gòu)的層次模型,與二維瓦片地圖相似,顯著加速了三維場(chǎng)景的加載與渲染流程^[4—5]。該模型將三維空間分割成多個(gè)子區(qū)域,每個(gè)子區(qū)域作為樹(shù)結(jié)構(gòu)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn),內(nèi)含該區(qū)域的幾何邊界信息。這些節(jié)點(diǎn)(即tiles)共同構(gòu)成了tileset,而tileset則以JSON格式進(jìn)行文件存儲(chǔ),便于管理與訪問(wèn)。

在 tileset中, 核 心 信 息 包 括 boundingvolume 、geometriCError及Content等屬性。其中,boundingvolume 詳細(xì)描述了節(jié)點(diǎn)的空間范圍,可通過(guò)region、sphere或 box等子屬性具體表示,為空間定位與篩選提供了基礎(chǔ);geometriCError則衡量了渲染模型與理想模型間的幾何誤差,是評(píng)估屏幕空間誤差(SSE)的關(guān)鍵指標(biāo),有助于實(shí)現(xiàn)按需加載,優(yōu)化渲染性能 ;至于 Content屬性,它直接指向了當(dāng)前節(jié)點(diǎn)所代表空間區(qū)域的模型資源URI,確保了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確鏈接。

3DTiles通過(guò)模擬二維瓦片金字塔的方式,利用表面細(xì)分技術(shù)創(chuàng)建了多精度級(jí)別的模型集合。這些模型從tileset的根節(jié)點(diǎn)到葉節(jié)點(diǎn),按精度遞增的順序排列,形成了一套高效的數(shù)據(jù)組織體系。用戶(hù)交互時(shí),系統(tǒng)首先根據(jù)視錐體與boundingvolume的交集篩選出潛在可見(jiàn)的模型,隨后利用SSE評(píng)估進(jìn)一步篩選,確保僅渲染那些既在視野內(nèi)又滿足當(dāng)前視圖精度需求的模型,從而實(shí)現(xiàn)了高效、流暢的三維場(chǎng)景展示。

GIM模型轉(zhuǎn)換主要是對(duì)GIM數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后導(dǎo)出通用三維數(shù)據(jù)格式。GIM數(shù)據(jù)由于其本身構(gòu)成三維模型的最小單元為參數(shù)模型,而大部分三維通用數(shù)據(jù)格式中模型的空間信息均以點(diǎn)、面的形式存儲(chǔ),因此需要對(duì)GIM數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、建模、組裝、優(yōu)化、屬性入庫(kù)等操作,組裝完成后導(dǎo)出為通用三維數(shù)據(jù)格式,如OBJ、OFF、FBX,通用三維地理數(shù)據(jù),如3DTiles等。

3 220 kv變電站試點(diǎn)建設(shè)

為了深入挖掘并展示GIM的變電站三維數(shù)字孿生業(yè)務(wù)模型在電力系統(tǒng)中的革新潛力,本文選取一座具有代表性的220 kv變電站作為研究對(duì)象。研究的核心目標(biāo)是構(gòu)建一套全面而詳盡的GIM數(shù)據(jù)模型框架,該框架需精準(zhǔn)對(duì)接變電站數(shù)字孿生業(yè)務(wù)的具體需求,確保從物理世界到數(shù)字鏡像的無(wú)縫映射。

試點(diǎn)實(shí)驗(yàn)的實(shí)施旨在初步驗(yàn)證所開(kāi)發(fā)工具集的實(shí)用價(jià)值和廣泛適用性,不僅檢驗(yàn)其構(gòu)建基于GIM 的變電站三維數(shù)字孿生業(yè)務(wù)模型的能力,還探索其在提升變電站運(yùn)維效率、增強(qiáng)系統(tǒng)安全性方面的實(shí)際效果。這一過(guò)程不僅是對(duì)技術(shù)創(chuàng)新的一次有力實(shí)踐,更為電力行業(yè)提供了一個(gè)可復(fù)制、可推廣的數(shù)據(jù)模型范例。

圖6所示展示了該數(shù)字孿生模型的具體建模成果,它不僅高度還原了變電站的物理布局與設(shè)備細(xì)節(jié),還融入了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、智能分析預(yù)測(cè)等先進(jìn)功能,為變電站的智能化管理和決策支持提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。這一成果的取得,不僅標(biāo)志著變電站運(yùn)維管理邁入了新的數(shù)字化、智能化階段,也為數(shù)字孿生技術(shù)在整個(gè)電力系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用與深入發(fā)展開(kāi)辟了新路徑。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文深入探討了基于GIM的輸變電工程全生命周期三維數(shù)字模型的構(gòu)建與應(yīng)用策略,成功解決了 GIM在輸變電領(lǐng)域應(yīng)用的局限性,如模型適用性不足、跨部門(mén)間三維模型格式與屬性信息的差異,以及三維應(yīng)用平臺(tái)通用性挑戰(zhàn)等問(wèn)題。通過(guò)系統(tǒng)梳理并統(tǒng)一各業(yè)務(wù)部門(mén)的三維模型格式與屬性要求,本文實(shí)現(xiàn)了對(duì)GIM數(shù)據(jù)格式的有效擴(kuò)展,從而確保了三維模型在輸變電工程全鏈條精細(xì)化管理中的應(yīng)用,顯著減少了重復(fù)建模工作,有效降低了成本。

基于上述研究突破,本文進(jìn)一步構(gòu)建了涵蓋GIM 數(shù)據(jù)擴(kuò)展、數(shù)據(jù)剝離、數(shù)據(jù)校驗(yàn)以及設(shè)備拆解等功能的GIM工具集。這一工具集不僅支持對(duì)GIM數(shù)據(jù)進(jìn)行靈活的屬性擴(kuò)展與數(shù)據(jù)剝離操作,還提供了模型校驗(yàn)功能以確保數(shù)據(jù)質(zhì)量,同時(shí)實(shí)現(xiàn)了設(shè)備拆解過(guò)程的預(yù)演,極大地提升了數(shù)據(jù)的通用性、可重用性和可操作性。這些成果為電力行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐和高效的解決方案,推動(dòng)了行業(yè)向更加智能、高效的方向發(fā)展。

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2024年第23期第2篇