基于BIM的鐵路客站三維可視化電力監控系統研究

馮星明, 石 棟, 王云鵬

(中南建筑設計院股份有限公司, 湖北 武漢 430071)

0 引 言

鐵路客站的變配電所基本上都是按照無人值守設計的,特別是大中型客站,變電所數量多且位置分散,供電系統復雜,出線回路眾多。傳統的變電所電力監控系統僅為單線系統圖和數據圖表的展示,當電氣系統發生故障時無法及時得到告警信息,得到信息后也無法很快確認故障回路的具體地理位置,給運維管理帶來很多的困擾。

因此,迫切需要一個可視化的電力監控運維管理系統,一旦有故障發生,控制室大屏幕界面就會立刻自動彈出故障點,在三維立體圖中顯示其準確地理位置,并同步顯示其故障類型、電氣參數及波形分析等。即使電氣管理人員未在控制室,系統也可以通過手機軟件將信息馬上推送到管理員的手機上,使他可以第一時間了解現場情況。對于平時無故障狀態下的電力監控,可視化操作也會非常直觀、方便和快捷,同時基于數據分析技術,也可以為管理者提供決策,防患于未然。

變電所的運維管理是建筑電力系統的核心功能。傳統的運維模式存在運維人員數量有限、水平參差不齊,運維不及時,故障查找困難等多種缺點。三維可視化的運維模式給變電所運維管理帶來了新的理念。

鑒于工程需要,在鐵路客站項目中開展了此項課題的研究,并且將研究成果運用于項目案例當中,獲得了良好的效果。

1 關鍵技術

1.1 BIM技術

“三維建?！?3D Modeling),就是利用三維制作軟件通過虛擬三維空間構建出具有三維數據的模型。常用的三維建模軟件包括:Autodesk Maya、3D Studio Max、Blender、Cinema 4D、ZBrush、Rhino、Modo、Sketch Up、CATIA、Solidworks等。這些軟件在動畫、游戲、建筑、景觀、室內和工業等各個領域都有其適用場景,對于建筑工程領域,其三維建模通常稱為建筑信息模型(BIM)技術。

BIM通過建立虛擬的建筑工程三維模型,可視化建筑設計意圖,并利用數字化技術,為這個模型提供完整的、與實際情況一致的建筑工程信息庫。就目前我國市場上各軟件的占有率來看,Autodesk公司的Revit軟件是BIM設計行業標準軟件,也是建筑業BIM體系中使用最廣泛的軟件之一。

變電所的建筑三維建模首選采用Revit軟件繪制,BIM的三維建模方式類似于“搭積木”,將建筑的墻、柱、梁、板、門等構件作為一個個“積木”進行搭建,最后形成一個完整的結構模型。電氣設備的三維模型同樣可以采用該方式進行搭建,例如低壓抽屜柜,需要采用搭積木的方式構造每個抽屜模型,便于后期的數據分割映射。

1.2 Web 3D技術

為適應云平臺技術,電力可視化運維管理軟件要求采用B/S架構,以實現跨平臺傳輸的功能,三維模型需要在Web中操作和顯示,因此采用專業的3D軟件或BIM軟件制作的三維模型是不能夠直接在該軟件中運行的。這時,就需要用到Web 3D技術。

Web 3D技術是實現網頁中三維虛擬現實的一種最新技術。Web 3D三維引擎是指用于創建和渲染三維圖形的軟件框架。它們通常提供了圖形處理、物理模擬、光照、碰撞檢測等功能,幫助開發者構建逼真的三維場景和交互體驗。常見的三維引擎包括Direct 3D、Open GL、Unreal Engine、Unity 3D和Three.js。

Three.js是一個基于Web GL的Java Script三維庫,用于在網頁上創建交互式的三維圖形應用,是目前最流行的開源Web 3D開發框架,提供了構建web 3D應用幾乎所有功能。推薦應用于三維可視化電力監控系統軟件。將采用Revit繪制的每個變電所(包含所有變配電設備)的完整三維模型導出obj格式文件,通過Three.JS引擎讀入三維可視化監控系統軟件并進行渲染和封裝。配電房三維模型如圖1所示。

圖1 配電房三維模型

1.3 數字孿生技術

“數字孿生”是將實體、模型與運行數據在虛擬空間中完成映射,讓三維模型真實地反映實體對象。

作為可視化的電力運維管理系統,僅僅有變電所三維模型的展示顯然是不夠的,還必須打通虛擬三維模型與現實變電所之間的連接,這就是數據流的通道以及虛擬與現實之間的映射關系。該系統的數字孿生技術由4部分組成:變配電設備、變配電設備的三維模型、變配電設備的電力數據、變配電設備與三維模型的映射關系。

將變配電設備的三維模型分割映射區域,為每個映射區賦予對應電力數據的同時,增加屬性標簽,如負荷類型、負荷級別、狀態類別、告警等級等。

數字孿生的最終目的是,管理者無須進入變電所,即可通過虛擬模型查看真實世界的電氣設備,并且判斷是否正常和當有異常告警時能夠自動定位真實的物理空間并做出適當的處理。

1.4 物聯網技術

物聯網(IoT)指將被監控物體通過網絡連接,進行信息交換和通信,以實現智能化識別、定位、監控、管理等功能。

三維可視化電力監控系統也正是物聯網的應用之一,它的感知層包括智能電表、數字綜合繼電保護器、變壓器溫控器、直流屏控制器、無功補償控制器、有源濾波控制器、溫濕度傳感器、空氣品質傳感器、煙霧傳感器、水浸傳感器、門磁、高清攝像機等設備;傳輸層包括RS-485開關量采集模塊、串口服務器、邊緣計算網關、通訊管理機、網絡交換機等設備;應用層則是系統的控制管理軟件。

1.5 組態軟件

物聯網的應用離不開組態軟件,它是建立物聯網平臺的基礎。組態軟件是指數據采集與過程控制的專用軟件,也是指在自動控制系統監控層一級的軟件平臺和開發環境。組態軟件提供豐富的編輯和作圖工具。數據采集與輸出、數據處理與算法實現、圖形顯示及人機對話、實時數據的存儲、檢索管理、實時通信等多個任務可以在同一臺計算機上同時運行。

國外的組態軟件包括美國 WONDERWARE公司的InToueh、美國Intellution 公司的Fix、德國西門子公司的WINCC等。國產化的組態軟件產品也正在成為市場上的一支生力軍。本文選用了華中科技大學開發的QTouch 3.0,它是跨平臺軟件,集成了實時數據庫、IO設備通信、圖形組態、數據轉換、邏輯處理、調試與診斷系統等功能[1]。

1.6 邊緣計算技術

邊緣計算是指在靠近物或數據源頭的一側,采用網絡、計算、存儲、應用核心能力為一體的開放平臺,就近提供最近端服務。它們在數據產生的源頭進行處理,減少了數據傳輸的延遲和帶寬消耗,提高了實時性。

對物聯網而言,邊緣計算技術意味著許多控制將通過本地設備實現而無須交由云端,處理過程將在本地邊緣計算層完成。這無疑將大大提升處理效率,減輕云端的負荷。

以鐵路客站配電房監測為例,它具有數量眾多、部署分散、數據量大等特點,利用邊緣計算網關,快速接入配電房設備運行狀態數據、圖形圖像數據、環境狀態數據,對動力、環境、視頻、安全等進行集中一體化監控。

將傳統的僅僅負責數據傳輸功能的通信管理機升級為邊緣計算服務網關,設置在每個變電所的現場,可以大大降低監控主機的負擔,降低延遲,提高監控系統的處理和傳輸速度,并且可靠性更高。

1.7 云平臺

云平臺是指基于硬件資源和軟件資源的服務,提供計算、網絡和存儲能力。云平臺按服務類型可以劃分為3類:以數據存儲為主的存儲型云平臺,以數據處理為主的計算型云平臺以及計算和數據存儲處理兼顧的綜合云計算平臺。云平臺按屬性可劃分為公有云、私有云和混合云。

電力運維管理軟件應充分利用云平臺的優勢,數據庫既可以存放于本地服務器,也可以存放于云平臺服務器,云平臺同時可以提供運算功能。是否部署云平臺服務應根據用戶的需求確定。推薦采用租賃公有云的方式,實現異地監控和數據共享,可以極大地提高運維管理效率。BIM電力運維管理系統組網方式如圖2所示。

圖2 BIM電力運維管理系統組網方式

1.8 手機通信技術

電力監控系統與手機通信技術相結合,可以實現移動運維管理功能,對于鐵路客站這種無人值守型的變電所而言,具有非常重要的意義,在手機上實現三維可視化電力監控功能,管理者可以隨時隨地查看每個電氣設備和每個出線回路的數據,當有故障報警時,手機上的三維模型可以顯示準確的故障位置,管理者到達變電所后,僅僅通過手機就可以定位故障點,處理效率可以得到極大的提高。

手機端軟件采用手機微信小程序或App方式(提供IOS、安卓和鴻蒙3種系統的App),訪問云端的數據庫服務器,云服務器的數據與本地服務器同步。此外,當變電所發生緊急告警或重要告警時,系統后臺會通過云平臺自動發送短信到該管理者的手機中,提醒管理者。

1.9 環境檢測技術

變配電系統設備不可能脫離環境而獨立存在,環境的狀態會對電力系統產生重大的影響,如溫度過高會使電氣設備異常甚至跳閘;濕度過大會影響電氣設備的絕緣能力;電氣設備因為周圍有水浸入會導致嚴重的事故;電氣設備發生過熱或燃燒時會產生離子煙霧等。引入環境監控系統無疑是對電力監控系統的有力補充。同時,增加門磁檢測防止非工作人員闖入、增加攝像機進行遠程監控等,使變配電系統實現真正的全方位安全保障。

2 應用實例

2.1 項目簡介

某鐵路客運站房總建筑面積約6萬m2,為高架跨線式站房,地上二層,地下一層。共設置3個變電所,分設于東、西站房,均設置于地下出站層,變壓器總裝機容量為13 900 kVA,臺數為10臺。該站房變電所數量多且位置分散,相互距離較長,傳統的電力監控系統的方式已不適應運維管理要求,存在如報警反應不及時,無法準確判斷故障點,故障處理時間長等缺點。所以,設計采用三維可視化的電力監控及運維管理系統,該系統軟件根據設計要求和項目需求量身定制,可極大提高管理效率,增強電力系統的可靠性和安全性。

2.2 三維可視化電力監控系統功能

依托Qtouch組態軟件,借助BIM、Web 3D、數字孿生、物聯網、邊緣計算、云平臺、手機通信、環境監測等技術手段,建立“三維可視化電力運維管理系統”,它具有以下功能。

(1) 系統架構。PC端軟件采用B/S(瀏覽器和服務器)方式,WEB服務器存放于本地或云端。手機端軟件采用手機APP方式(提供IOS、安卓和鴻蒙3種系統的APP),或采用Wechat Mini Program的方式。

(2) 組網方式。采用混合組網方式,即既建立本地端服務器,同時建立云平臺,數據同時存于本地端及云端,功能更加全面,可靠性更高。

(3) 三維模型。建立變電所地圖和三維模型,均以真實尺寸繪制,包括建筑模型、變配電設備的模型等。電氣設備包括高壓柜、環網柜、直流屏、變壓器、低壓柜、補償柜、濾波柜等。軟件支持三維模型的旋轉縮放操作,支持低壓柜單個抽屜顯示。模型通過Revit繪制,并導入到系統軟件中,采用three.js引擎進行三維操作與顯示。

(4) 數據采集。采集變電所內所有電氣設備的電力數據、狀態數據、溫度數據等實時信息,變電所內設置邊緣計算網關進行現場處理并上傳,環境監控的數據采集,包括變電所的溫度、濕度、CO2濃度、水浸信號、門磁信號、煙霧信號、視頻信號等。

(5) 數據映射。軟件三維模型的每臺設備、低壓柜的每個抽屜均應綁定該設備或回路的電氣數據,支持點擊交互彈出單個設備模型并顯示實時數據,支持故障報警設備的報警閃爍和變換顏色功能。低壓配電柜的數據詳情頁如圖3所示。

圖3 低壓配電柜的數據詳情頁

(6) 數據庫。數據庫由實時數據庫和歷史數據庫組成。采用標準通用的數據庫管理系統,如MySQL等關系型數據庫管理系統。

(7) 運維功能。軟件首頁功能包括用電統計、負載排行、分類統計、環境監測、實時告警等。主菜單功能包括供電網絡、運維管理、告警管理、容量管理、線路管理、用電分析、電能管理、環境管理、報表管理、資產管理、系統管理等。

(8) 實時告警。軟件首頁設置實時告警欄,當有報警突發事件時,軟件自動回到首頁,實時報警欄的信息會閃爍,并有聲警報和語音播報,且在三維模型中準確定位其實體,根據報警級別(分為一般告警、次要告警、重要告警和嚴重告警4個等級),設備顏色變為紅、黃色系列定義色。手機端軟件同時接收到報警信息,且在模型菜單內定位該事件的設備。變壓器超溫時的大屏和手機端同時告警如圖4所示。當變壓器的發生溫度告警時,大屏幕與手機端同時發出告警信息并標定其編號和地理位置。

圖4 變壓器超溫時的大屏和手機端同時告警

3 結 語

傳統的電力監控系統僅僅是數據的圖表展示和監視,無法定位數據的物理空間,無法定位故障的準確位置,而三維可視化電力監控系統,在監控后臺就可以通過三維模型準確定位故障的設備和地理位置,到達變電所現場后還可以通過手機進一步確認。提高了處理效率,降低了運維管理人員的能力要求、人員數量和勞動強度。本文研究的成果在鐵路客站項目進行了實踐應用,它同樣適用于各類民用建筑和工業建筑,具有廣闊的應用前景。