基于GIM模型的智能变电站二次回路三维可视化系统设计分析

基于GIM模型的智能变电站二次回路三维可视化系统设计分析

张武焱

（湖北省电力规划设计研究院有限公司 湖北省武汉市 430040）

摘要：在智能变电中需要二次回路模拟的对象总体比较多，也具备着时序性以及非时序性的特征，因此就造成了智能变电站二次回路三维可视化效果总体偏差。本文在论述以及分析中提出智能变电站二次回路三维可视化系统结构分析，提出了如何做好设计管理。

关键词：GIM模型；变电站；二次回路；三维可视化；系统

引言

在智能变电站中，二次回路能够监测一次回路中相关的运行参数，对提高变电站运行安全性有重要意义。基于其这个优点，二次回路已经逐渐替代了传统的电缆，因此对二次回路的监测具有重要的研究价值。当前，三维可视化技术已经被广泛应用到各行各业中，但是在智能变电站中还没有系统地开展，并且在设计时，三维模型构建起来比较困难。

1、智能变电站二次回路三维可视化系统结构

在GIM模型影响下，相关人员应合理设置智能变电站二次回路的三维可视化模型，并在该模型内部设计专业软硬件。具体而言，二次回路三维可视化模型的系统结构共分成下位机层、中间层与上位机层。下位机层包括传感设备和辅助元件，前者的主要工作内容为组织管理、数据采集、监测振动与获取电流数据等；后者的工作内容是开展求交计算，核实准确性和生成GIM模型。在明确不同设备元件的应用内容后，利用三维技术手段可恰当加强模型设计的专业性。三维可视化系统中间层含有诸多传输设备，利用光纤、以太网与RS485总线完成相关数据信息的传输工作。上位机层含有多个处理器，能科学分析处理系统内部的各项数据信息，精准化处理三维可视化模型中的数据，并在该类数据信息的充分影响下，增强智能变电站二次回路三维可视化结构的应用效果。

2、继电保护与二次回路现状分析

中国的电力行业在发展的早期阶段，尽管远远落后于国外发达国家，但是随着近年来的快速发展，新型的供电设备如继电器、二次传输线路等，已逐渐成为中国电网的一块重要基础，整体的技术水准也越来越高。中国目前拥有完整的继电器防护科技体系，无论是在继电保护的设计与开发、安装、调试、维护等方面，均处于世界领先地位，这些技术已经在中国电力的应用领域取得了重大进展。利用电脑对继电器进行安全防护，可使装置得到完整的防护。目前，基于神经网络的继电保护、自适应继电保护、瞬时保护等，已有许多新的智能化保护技术不断发展。在未来，电力系统的综合、智能是继电器的重要组成部分。同时，现代电脑已经被高效地应用到了电力系统中，从而大大提高了系统的自动化监控能力。在电力系统建设和发展中，必须从基础技术问题入手，构建电力系统的关键技术基础，从而掌握电力系统发展的重大技术措施，这样才能在竞争中占据上风。在现代变电站的日常运行中，为了实现对继电设备的控制，采用数字信号代替了原有的模拟信号回路，实现了对继电设备的控制。其中，网络通信是一种用于对智能网络的工作状态进行记录和分析的一种信息监视设备，这些设备都可以对报文进行存储和分析，并对网络业务进行监视，从而监测到网络的工作状态。目前二次回路监控技术已被运用于网络信息技术中来探讨二次回路的故障，然而因信息资料庞大且复杂，故必须进行转接。在此过程中，需要涉及报文的对象抽取以及辅助线路的操作，从而达到全面的分析目的。

3、系统设计概述

智能变电站三维数字化设计模型的建立最终以二次专业实际应用场景为目的，从而在仿真分析、在线监测和故障诊断方面为运维人员提供更加直接高效的手段。现阶段智能变电站信息交互模型的建立基于Q/GDW 396-2009《IEC 61850工程继电保护应用模型》(简称“IEC 61850”),该标准对智能变电站智能电子设备(Intelligent Electronic Equipment, IED)的交互语言和信息交互方式进行了详细规范,智能变电站二次系统正常运维均基于二次系统模型文件，其中关键模型包括全站系统配置(Substation Configuration Description, SCD)、系统规范描述(System Specification Description, SSD)以及电网信息模型(Grid Information Model, GIM)等文件。

3.1、空间数据组织与管理

在绘制三维可视化场景时，采用金字塔层次结构对DEM进行分层分割，以保证三维场景的绘制效率。在创建层次结构时，将每个像素基于第一层采样结果重新进行像素分割，然后再进行分组处理，从而构成完整的金字塔层次结构。当场景间隔较小时，加载分辨率较高的图像，如果场景间隔越大，则该图像的分辨率越高，反之，该图像的分辨率越低。

3.2、处理器设计

在系统硬件中，将S3C2440处理器作为核心器件，该器件主要包含内存、以太网卡与声卡等。该处理器具有数据通道高速与处理速度快的优点，同时在该处理器上构建嵌入式平台，实现图像采集功能，并能够在图像采集后将压缩后的图像传输至终端，通过上位机显示。

3.3、互感器采样模块设计

在系统设计中，互感器能够连接一次回路与二次回路，采样模块主要由电流装置、滤波器等组成，能够对二次数据进一步采集，二次数据主要包括信号接口发送、接收振动强度数据、通信口运行状态数据、接口温度数据、面向通用对象的变电站事件(generic object oriented substation event,GOOSE)数据，采集后将数据传输到二次设备中。研究采用的互感器型号为AKH互感器，其额定电流比为100 A/5 A，准确级为1级，本身未含有辅助电源。

4、GIM模型下智能变电站二次回路三维可视化系统的试验比较

4.1、模型建立效果的比较

完成不同检测方式的帧数比对后，可看出二次回路三维可视化的帧数较理想，不同场景的数值都较接近，可在此后智能变电站二次回路的运行中使用该方法。

4.2、三维可视化运用效果的比较

观察二次回路三维可视化系统、网络拓扑可视化系统与普通系统的设计效果时，要及时找出其设计结果的影响要素，再利用该要素完善三维可视化系统的开展状态。例如，操作人员采用手动电控形式全面探索3种控制系统，观察其应用状态。从系统内部的应用状态看，网络拓扑可视化系统与普通系统在实际使用时，其内部的回路保护装置出现了不同程度的模糊问题，且模糊现象对装置内部的多个位置形成了较大影响，在装置表面不清晰的情况下，可视化系统较难得到理想效果。二次回路三维可视化系统在实际运用时，其内部保护装置的模糊现象较少，关键部位较清晰，为此后对智能变电站运行过程的持续性分析打下了较好的基础。鉴于二次回路三维可视化体系的清晰程度，智能变电站内部可大量应用该系统，提升系统运行数据的准确性。

4.3、三维可视化效率的比较

随着模拟对象数量的持续增加，要适当观察二次回路三维可视化中搭建不同系统消耗的时间，找出当前系统模型搭建的具体效率，再与时间消耗进行详细比对。例如，在数据量增加的过程中，二次回路三维可视化搭建的系统未消耗太多时间，搭建时间也进行了适当控制，极大地提升了三维可视化体系的应用效率，不同类型的数据信息处理结果也变得较理想。系统搭建的时间有所增加，在消耗大量时间的情况下，数据统计的整体效率较难呈现理想状态，难以把控变电站内部信息数据的控制性水平。

5、结语

为规范智能变电站二次回路中的运行状态，相关部门可合理利用三维可视化技术搭建以变电站回路为主的运行模型，在GIM模型内部结构的全面影响下，二次回路中的数据信息将变得更准确，为此后变电站的持续运行打下良好的基础。

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作者简介：张武焱（1985.6-），男，汉，湖北孝感人，本科。