Design and Application of Three-Dimensional Digitization and Intelligent Operation System for Converter Station

自2020年以来，南方电网建成了多个直流输电工程。昆柳龙直流工程实现了云南、广东电网联网，保障了广东地区的能源需求；粤港澳大湾区中通道背靠背直流输电工程是广东电网东西分区电力交换的重要联络通道，增强了联网容量效益，起到了异步联网、事故隔离的重要作用。

随着换流站建设进程加速，站内设备运维难度大，人均运维工作量逐年增加，传统人工巡视模式效率低下，无法在设备巡视精细化、状态掌握实时化等方面满足电网高质量发展要求^[1-3]。目前换流站运维主要存在以下几点问题：（1）远程巡视需求大，由于换流站地处偏远且占地面积大，站内日常巡视任务工作量极大，且直流运行时阀厅无法进入，巡视难度大；（2）站端各子系统分散独立开发，包含计算机监控、保信、视频监控、动环、在线监测等子系统，运维人员需要在多个系统、界面之间切换监控，无法掌握全部信息；（3）运维业务自动化程度低，巡视记录、维护记录、运行日志都是在换流站现场手工完成，对操作票与工作票的管控高度依赖人工管控。

国内学者针对新型电力系统建设背景下，数字电网技术^[4-6]的应用现状和发展方向进行了详细的分析论述。其中，数字孪生技术^[7-9]可以对物理实体进行100%映射建模，在电网运维、培训、仿真计算等领域具备广泛的应用前景。在智能运维方面，文献[10]提出了变电站运维业务的两层平台与站端、区域端、运维班终端三级功能应用架构，并初步实现了区域站远程运维业务应用；文献[11]针对变电站自动化装置远程运维调试业务提供了App化的解决思路，支持运维应用的灵活扩展和快速部署；文献[12]以某220 kV变电站为例，提出数字孪生变电站的设计与建设思路，为运维模式的数字化转变提供了范例支撑。在数字孪生技术应用方面，文献[13]建立了基于数字孪生技术的变电站巡检系统数字化模型，采用面向对象的方法建模，并借助人工智能算法规划了巡检路径；文献[14-15]提出了变电站数字孪生系统的搭建流程及系列数字应用，含全景展示、智能辅助监控、智能运维作业等。

然而，现阶段未开发出针对换流站的三维数字化与智能运维平台。一方面，当前的智能运维平台大部分部署在区域主站端，站端业务数据和管理数据存在壁垒，数据采集和更新频率只能达到分钟级，滞后于感知终端采集数据，使站内数据不能得到充分挖掘和利用，对现场巡视、检修等现场作业的支持能力不足；另一方面，当前基于三维技术的运维平台的功能应用都停留在视频、动环、台账等数据展示层面，未集成设备运行的实时数据，三维模型与运维数据割裂。

文章研究的换流站三维数字化应用及智能巡检系统，对换流站设备分层分级建模，搭建标准化的电网统一信息模型实现物理设备数字化，模型承载各阶段业务数据，实现各阶段数据与业务应用贯通；开展信息模型与业务数据的结构化设计，结合标准化数据与应用接口，支持智能操作、智能巡视、智能安全、智能分析等智能运维业务应用，可以实现换流站运维业务降本增效与本质安全提升。

换流站三维数字化应用及智能巡检系统采用分层、分布式的网络构架，由站控层设备和前端设备构成，独立部署于安全Ⅲ区。系统主要由平台应用服务器、数据库服务器、数据转发服务器、图像算法服务器、三维渲染服务器、定位引擎服务器、智能网关、网络视频录像机等站控层设备，以及在线监测、视频终端、微型传感器、定位系统、门禁、智能锁控等感知层终端设备及配套的通信网络设备、通信接口设备等构成。系统总体架构如图1所示。

Figure 1.  Overall system architecture diagram

基于数字孪生技术三维数字化应用及智能巡检系统采集I区实时运行数据、Ⅱ区的在线监测系统及Ⅲ区的视频监控系统、动环监测系统、智能巡检设备数据，实现可视化展示、设备状态评估、事故告警特殊巡视与智能分析决策等功能。

中通道换流站基本呈现柔直变压器－启动回路及桥抗－阀厅－启动回路及桥抗－柔直变压器－交流场的流线性布局，二次设备间环绕主场地布置，设备区域划分清晰。根据各区域的主设备的布置、高度等特点，站内部署了一套视频终端设备，基本覆盖了换流站运维人员日常巡维需求，视频终端设备配置方案如表1所示。

三维数字化应用及智能巡检系统采用微服务架构^[16-17]，为换流站业务应用、公共组件提供计算、存储、网络融合资源池，实现计算、存储、网络的资源融合和统一运维，如图2所示。

Figure 2.  System technical architecture diagram

通过数据接入、数据集成、消息中间件、数据库、视频组件、微服务等公共组件，实现Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区的数据汇聚、模型转换以及与电网管理平台的云边协同等功能。

三维数字化应用及智能巡检系统在站端部署I/Ⅱ区防火墙与Ⅱ/Ⅲ区正、反向隔离装置，实现站端I区与Ⅱ区间、Ⅱ区与Ⅲ区间横向数据交互的安全防护；系统配置Ⅲ区纵向防火墙，实现Ⅲ区站端与主站端纵向数据交互的安全防护；系统配置Ⅱ区/Ⅲ区智能网关实现HTTP、TCP、IEC 104、MQTT等多种不同的网络协议感知层设备接入。

站内数据接口主要包括系统与I区监控系统、Ⅱ区智能网关、Ⅲ区智能网关等通信接口，如图3所示。

Figure 3.  Station data interface diagram

1）站端I区实时运行数据和顺控操作指令经防火墙接入Ⅱ区数据转发服务器，再通过正向隔离装置传输至Ⅲ区站端运维系统。同时，站端运维系统能基于图像识别技术智能识别开关、刀闸等位置状态，并把识别结果以文件形式通过反向隔离装置传至I区监控系统，辅助完成顺控执行结果的判别。

2）站端II区在线监测子系统包含主变油色谱、GIS局放在线监测、SF₆气体监测等系统，在线监测相关信息接入Ⅱ区交换机，Ⅱ区数据转发服务器完成信息采集和传输，并通过正向隔离装置接入Ⅲ区站端运维系统。

3）站端Ⅲ区视频监控、动环监测、智能锁具、人员定位等子系统信息直接经Ⅲ区智能网关接入Ⅲ区站端运维系统。

与主站接口方面，系统通过综合数据网将Ⅲ区数据上送至物联网平台，并通过物联网上送至变电运行支持系统和电网管理平台；同时，系统从电网管理平台相关系统获取设备台账信息、操作票和工作票信息等数据，为站端智能巡视、智能安全、台账管理等功能应用提供支持。

1）智能联动：系统实现主辅设备间、辅助设备间及与在线智能巡视的智能联动，便于运维人员全方位感知设备状态信息。

2）三维立体巡视：支持设备巡视“指哪看哪”，实现全覆盖、高精度、三维化的立体巡视，大幅提升巡视效率。

1）顺控操作调用：监控员根据调度指令，调用站端一键顺控服务，完成远方操作。

2）无纸化操作：调度与运维部门间业务通过电子化交互，实现从调度下令到操作完成的全过程无纸化交互。

3）联合防误：根据防误原理的差异性，联合变电站各类防误技术手段，提升设备远方操作的安全性。

1）进站人员资质检查：进站人员资质检查采用视频图像，进站安防识别区域视频图像采集后，软件系统能正确反馈人员资质库中信息，形成人员、车辆的进站记录。同时可采用电子标签，电子标签能与工作人员信息进行绑定。

2）工作地点的遮拦检查：智能安全模块可与3D模型、定位技术结合，设置工作地点的遮拦。通过设置电子围栏或视频识别的方式进行工作地点的遮拦检查。工作过程中，如发生遮拦位置变动，智能安全模块应给出反馈，至少应包含即时的现场声光警示，以及在后台记录的告警信息。

3）安全帽、工作服、安全带穿戴情况：系统可智能判断作业人员安全帽、工作服和安全带的佩戴是否符合要求。

4）其他各类不安全行为

在作业过程中，系统可通过视频采集和行为识别算法判断作业人员是否存在不安全行为。

5）作业区域风险评估及告警

系统能将站内所有设备、设施的运行状态和作业情况形成各作业区域风险评估，并实时反馈至现场作业人员。

1）智能告警：通过提取主辅设备告警信息的特征，将大量孤立的告警信号转化为综合的事件结果，降低监控员监盘压力。

2）监控助手：将设备状态监视、事件分析判断等重复性工作，转化为系统自动完成，辅助监控人员日常监盘，减轻工作负担。

3）设备状态预警：结合设备在线监测数据、实时量测和状态数据，对设备实时健康状态和短周期趋势变化进行分析，并对设备状态分析结果进行预警。提前发现故障隐患，支撑运维人员制定更为科学的设备检修计划。

4）缺陷识别推送：系统能自动提取异常数据，智能分析设备缺陷，一键生成缺陷记录并实时推送。

换流站主要设备为换流阀、换流变压器、控制调节系统、保护系统、平波电抗器、交流滤波器、直流滤波器、避雷器等。按照数字化移交标准对换流站开展设备级及部件级建模，模型精度满足基建及运维标准。换流站三维模型如图4所示。

Figure 4.  Three-dimensional model of converter station

换流站全景数字模型如图5所示。首先，本项目运用三维引擎^[18-19]实现BIM/GIM、激光点云、倾斜摄影、3DMax等多源异构三维数据处理与渲染，主要包含以下工作步骤：

Figure 5.  Panoramic digital model of converter station

1）现场信息采集：将基建阶段移交的正向三维建模模型按照运维需求精细化处理为运维模型，并在此基础上，运用全站激光扫描技术实现换流站内场景的各种电气设备、现场布局、实际结构的数字采集，融合生成三维空间点云进行实景复刻。

2）点云数据合成：通过扫描测量现实中真实存在的物体，获取物体表面的基本点云数据，通过点云数据校准、设备部件及元件级结构建模、外观处理及模型贴图、设备铭牌及标识牌制作，生成相应的三维数据模型。

3）数字场景构建：结合正向设计三维模型、点云数据和视频图像融合，将现实中的物体按照1∶1的比例搭建实体模型，最终形成三维模型。

其次，由于换流站工程涉及的信息范围较广、空间结构复杂，中通道工程的BIM模型体量较大，模型加载缓慢，亟需对模型进行轻量化处理。系统采用云渲染引擎提供的轻量化组件，利用简化三角面、合并图元等手段，在保持模型外观的同时，极大地减小了模型量级。

此外，为提升数字孪生场景渲染效率，系统进行了渲染调度的优化设计，主要包含3个方面的优化提升：

1）引擎在展示前预先建立空间分块的数据结构，根据工程数据的空间分布，采用八叉树或者四叉树对数据进行空间分块，实现动态加载调度，快速索引到对应块中的文件，加快数据传输速度。

2）引擎应用了实例化渲染技术，减少调度过程中内存空间占用，加速CPU到GPU的通信进程。

3）引擎采用了批次合并技术，通过降低调度渲染次数来加快渲染效率。

统一数据模型如图6所示。南方电网从模型信息、基本信息、技术参数、量测参数、消息和服务这5个维度对物联网终端设备建模，并规定了各终端的属性名、数据类型、字符长度等。本系统建立设备的统一数据模型，即以站内设备的唯一实物ID为标识，在南网物联网平台的物模型的基础上，将三维模型与站端各子系统的关键数据字段进行关联/匹配，支持站端运维系统不同业务对三维模型的调用和对监测数据的读取与交互。通过换流站的统一数据模型可以提取设备分析、资产管理、设备运维等各项业务所需的一次设备、二次设备、辅助设备、测点信息、台账信息，实现站端数据有序汇集、融通共享。建立设备的统一数据模型包含以下关键步骤：

Figure 6.  Unified data model

1）对站端一次设备、二次设备、辅控系统等建模，模型深度满足运维需求。

2）参考南方电网物模型规范，对各终端数据进行信息建模。

3）采用“调度命名+实物ID”^[20]的双重检索机制，分别对三维模型和信息模型进行结构化编码，编码规则满足主站端管理要求。

4）编码完成后，通过映射表的方式维护三维模型和信息模型的关联/匹配关系。

本系统以运维人员的使用、决策环境为依据，提取出换流站运行工况、设备状态和运维工作开展情况的关键数据指标，以饼状图、报表等组件进行数据的关联探索，实现换流站运维业务的全景可视化，主要包含以下内容：

1）一体化监控：根据业务需求，结合多屏、多窗口展现方式，实现主辅设备监控信息在同一界面上融合展示。

2）全景展示：结合运维计划、特殊巡视、重要保电任务提供设备运行、运维管理的全景展示，辅助运维人员全面掌握设备运行状况。

3）数据穿透：通过纵向数据穿透，按需调阅站端在线监测信息、故障报告等，召唤故障时刻历史数据，支撑运维人员对设备异常、故障的分析与定位。

项目依托粤港澳大湾区中通道背靠背直流输电工程，建设三维数字化应用及智能巡检系统，通过站内全景数字化建模，打通各子系统的数据壁垒，实现数据透明化，运维可视化，如图7～图10所示。

Figure 7.  3D Visual operation and maintenance interface

Figure 8.  Smart patrol interface

Figure 9.  Intelligent operation interface

Figure 10.  Intelligent security interface

通过可视化运维，实现了三维场景全站集中运维管控，大幅提升了运维效率与体验：日常智能巡视项目人工替代率达大于80%；现场操作时间减少60%；提高作业风险管控能力与安全水平，节省65%工时；系统可以自动生成事故处置报告，提升了事故处置的速率和准确度。

文章从生产运维的需求出发，以资产全生命周期管理为指导，搭建标准化的电网统一信息模型实现物理设备数字化，建立三维场景下的换流站智能巡检系统。与其他变电站智能运维系统相比，本系统采用数字孪生技术将三维模型与全站运维数据的深度融合，增强了系统的视觉呈现效果和交互操作体验，以最直观的、最全面的展示方式，打破数据壁垒，实现有效数据的全局流通和结构化表达。此外，系统积累的全寿命周期数据可进一步促进故障诊断、检修模拟、员工培训等衍生应用快速发展，提高换流站运行维护水平，为电网向更高层次的智能化赋能。