数字化变电站

§6.9　数字化变电站

6.9.1　技术背景

变电站作为电力系统的重要组成部分，起着变换电压、接受和分配电能、控制电流的流向和调整电压的功能，变电站通过变压器将各级电压的电网联系起来。因此，变电站的运行与管理直接关系到电网的安全性和稳定性。

变电站自动化技术经过十多年的发展，大大提高了电网建设的现代化水平，降低了变电站建设的总造价。从早期的RTU装置、高频继电保护装置等设备在变电站内的应用，变电站就已经开始体现出数字化的特征。随着通信技术和电子技术越来越多地应用于变电站，数字化的智能装置也逐步增加，现在，数字化技术已经成为变电站技术的重要组成部分。同时，数字化技术也显著提高了变电站的自动化水平，为电力行业带来了明显的技术经济效益，比较典型的例子如变电站自动化技术和微机保护技术。近年来，电网及变电站的自动化水平有了大幅度提高，一些变电站实现了无人值班或少人值守，在电力调度监控中心，能够对各变电站(所)相关数据、参量、图像进行监控和监视，以便能够实时、直接地了解和掌握各变电站(所)的情况，并及时对发生的情况作出反应。

本书所说的数字化变电站，是指用三维空间技术、虚拟现实技术、网络技术，以三维可视化方式描述和再现变电站(所)物理结构、运行状况、技术性能等，建立变电站(所)三维可视化仿真系统。

现代变电站(所)结构复杂，生产自动化程度高，各项指标要求严格，生产不但要经济，更要高度可靠。随着计算机性能不断提高，特别是计算机容量和运算速度不断扩大和提高，人们对变电站(所)自动化及其仿真提出了更高的要求，即不断扩展其功能，更好地为电力生产的运行分析及科学研究服务。利用三维可视化及仿真等先进的科学技术手段，可以形象地反映设备的正常、异常、事故状态及其动作过程，不但对虚拟场景中的设备巡视、检查、漫游，而且可以进行虚拟操作，并提供各种事故状态的事故场景，如着火、爆炸等，提高了系统的真实感、现场感;能够提高变电站(所)运行分析条件，辅助运行控制决策。采用数字化、可视化手段进行变电站(所)运行方案研究、安全评估、工程规划建设方案研究、运行人员培训是变电站(所)运行管理和建设的发展方向。

基于激光雷达数据，可以对变电站(所)进行三维重构，建立变电站(所)三维可视化仿真系统，实景模拟变电站(所)及其周边地形地貌、以及变电站(所)内设备，实现对变电站(所)设备的物理结构、设备参数等信息的管理，从而辅助进行变电站(所)管理、教学、培训。包括:

1.培训基本的运行技能，使运行人员熟悉变电站(所)一二次设备、变电站综合自动化系统、电网结构、运行方式，掌握基本运行操作及运行规程。

2.可以进行开关、刀闸、变压器、母线、线路、电容器等各种设备及其相关的故障处理培训，培训变电站(所)运行人员发现事故、异常，依据仿真的电网环境判断故障和处理故障，并在训练结束后对事故进行分析，重放事故发生和处理的全过程。

3.通过变电站(所)一次设备三维交互式漫游巡视系统，实现变电站(所)一次设备的三维重现和虚拟操作，受训人员感到富有直观性、形象性，有助于其熟悉了解现场情况，更好地将理论知识与实践经验相结合。

另外，随着电力需求的不断扩大，变电站(所)的改建、扩建日益增多，但设计人员拿到的变电站(所)图纸或多或少不能反映当前变电站(所)实际情况，这给工程设计带来不便。变电站(所)三维可视化仿真系统可以根据情况进行更新，可以随时从中提取出最新的变电站(所)各种图纸，作为改建、扩建时的资料。

6.9.2　技术路线

利用地面激光雷达系统对变电站(所)及其周边环境进行详细扫描和拍照，具体扫描方法可以参考第11章。将采集的数据进行处理，得到变电站(所)的激光点云和正射影像。

利用激光点云数据，可以对变电站(所)及其周边地形、地貌，以及各种设施、设备进行三维建模，包括建筑物、架构、电线、变压器、开关、刀闸、母线、电容器、围墙、进站道路、周边环境等。在相应的设施、设备上挂接实际物理参数、运行状况、技术性能，可以实现变电站(所)台账和运行的精细管理。运行人员可以方便进行如图6-59所示的三维变电站(所)中漫游，查询关注的设备的信息;也可以通过属性查询等方法，定位设备，统计设备信息。在台账管理基础上，建立全动态数学模型，可以完整、严格、精确地对现场各种行为进行实时仿真。

图6-59　三维仿真数字变电站(所)模型

在建立变电站(所)三维仿真模型的同时，可以建立变电站(所)设施设备模型库，在变电站(所)改建、扩建的时候，可以利用模型库修改变电站(所)三维仿真模型，快速进行更新。