摘要：随着坚强智能电网规模的迅速扩大，变电站正从传统的模式向更加智能化的方向发展，电力系统科技水平也在不断提高，尤其是三集五大，电力垂直化管理体系建设的不断深入和优化，电力生产/运维管控人员所需远程管控的地域范围越来越大，系统维度越来越多。本文提出并探讨了基于点云数据的变电站三维实景重构技术流程及方法，研究成果可为变电站数字化运维技术以及变电站虚拟现实技术提供理论参考！
关键词：变电站；实景重构；点云数据；
引言
在建立健全了变电站远程三维真实场景精确重构这一关键性的数字化基础后，承载于三维真实场景中的设备工况数据以及可供提升及改善的各类应用前景将会十分广泛。
1.变电站实景三维重构流程与方法应用
1.1 变电站实景模型重构流程
变电站包含了变压器、断路器、刀闸开关、电抗器、避雷器、龙门架等各种电器设备和设施，设备结构多样、种类繁多，只有通过合理的区域划分、站点
选取与记录，才能保证作业过程能有序、有效进行。另外，合理的模型重构及模型库搭建，可实现“模型重构丰富模型库，库中模型的复用提高模型重构效率”的良性循环。模型重构作为整个环节的基础，为实现变电站高效建模，必须研究模型重构的流程及方法。本文提出并采用的变电站实景模型重构流程如图1所示。
1）对变电站进行区域划分。区域划分是实现高效数据采集的基础，划分原则为“以电压等级为标准，分500 kV、220 kV、35 kV 等区域，在此基础上，根据设备种类分为变压器、避雷器、断路器、电抗器等”。
2）分区域对设备及建筑进行数据采集。变电站设备结构普遍复杂，为采集到高精度数据，需分站点扫描。为实现站点数据拼接，需在站点间设置公共球形标靶；若扫描对象区域半径小于15 m，各站点可布设统一公共球形标靶。
3）对获得的数据进行处理，为模型的三维重构提供参考点云。数据在相关软中处理，提取所需变电站设备点云。通过削除无关点云以及噪点，检验点云数据量，对不合格点云进行重扫。
4）判断模型是否为模型库中已有模型，分别构建变电站各设备三维实景模型。如果模型已有，则只需直接调用；若没有同类模型，则根据点云数据进行重构。
5）进行模型拼接得到完整变电站三维实景模型。首先分区域进行拼接，得到小区域拼接模型，再将各小区域模型进行拼接，得到完整变电站模型。
1.2 变电站实景模型重构方法
由于目前变电站三维模型重构没有规范的理论指导，建模习惯、建模经验不同导致构建的三维模型质量不同，模型无通用性，造成建模效率低，无法充分发掘已有模型价值。因此，本文拟提出一种用于变电站设备模型三维重构的基本方法，以促进变电站设备模型重构的标准化、规范化。通过对变电站基本设备的研究与分析，本文提出并采用了“由大到小、由下往上、由左往右”的基本建模原则，并且依据模型构建方法的不同，将变电站设备分为了圆柱及球状类、棱柱类、圆环类、不规则结构类、套管与绝缘子类、软导线类等不同类型，通过对不
同类型设备的模型构建方法进行研究，得到变电站三维模型重构的基本理论。不同类型的设备模型构建方法如下：
1）圆柱及球状类
圆柱及球状类模型是变电站中的常见结构，如龙门架支柱、设备支柱、灯罩等。圆柱及球状类模型构建方法如下：通过数据处理获得相关点云，将点云导入建模软件中，截取支柱、灯罩等点云并仅保留清晰度好、质量高的部分，然后直接利用“拟合圆柱（或球）功能”即可得到三维模型。
2）棱柱类
棱柱类结构是最常见的结构，如建筑物主体结构、变压器冷却器组成部分、设备底座等。棱柱类模型无直接拟合功能，需利用参考点云分步创建：第一步，获取相关物体点云；第二步，利用端面顶点点云创建矩形特征；第三步，拉伸矩形特征，拉伸长度以点云为参考，得到三维线框模型；第四步，将三维线框转换为三维实体模型。
3）圆环类
均压环通常为圆环类结构，该类模型为旋转中心对称模型，具有各部位横截面相同的特征。基于此，本文提出及采用的圆环类模型构建流程如下：首先将均压环点云数据提取出来，利用软件切片功能分别进行横向及纵向切片，提取圆环外圆半径r与圆心O，并获取截面圆半径R；最后，利用圆环拟合功能以外圆圆心O 为中心，r 为半径构建截面半径为R 的圆环即可获得均压环三维实体模型。
4）不规则类
不规则类模型主要出现在不同结构间的连接处，特点是结构特征不明显，无法通过构建基本特征体得到。本文提出的不规则类建模手段如下：首先，获取物体点云；其次，以点云为参考创建棱柱体、圆柱体或球状等特征；最后，利用布尔运算对不同特征体进行差、并、交等运算，得到三维实体模型。
5）套管与绝缘子类
套管与绝缘子是变电站中最为常见的电气设备。其中，套管一般是用于带电导体穿过或引入与其电位不同的墙壁或电气设备的金属外壳，起绝缘和支持作用的一种绝缘装置；绝缘子是指安装在不同电位的导体之间或导体与地电位构件之间，能够耐受电压和机械应力作用的器件。两种电气设备虽然各自所起作用不同，但具有相似的外形结构。相较于其他结构复杂的设备而言，套管与绝缘子结构相对单一，形状较为规则，两者均为具有旋转中心对称结构的模型，构建方法相似，因此归为一类。本文将套管与绝缘子类模型的建模方法划分
为4个步骤：
（1）利用相关的点云采集装置获取物体点云；
（2）利用点云处理软件对点云数据进行处理，生成点云切片；
（3）在建模软件中，利用多义线通过点云切片勾勒二维轮廓图；
（4）利用旋转功能旋转二维轮廓获得三维模型。
6）软导线类
软导线包括变电站中的母线及各设备的连接导线。母线指用高导电率的铜（铜排）、铝质材料制成的，具有汇集和分配电力能力的产品，用以传输电能，是电站或变电站输送电能用的总导线。通过它，把发电机、变压器或整流器输出的电能输送给各个用户或其他变电所。软导线类结构特征明显，不同部位的横截面均为具有相同半径的规则二维圆面。因此，可将导线视为规则二维平面圆沿着光滑路径拉伸形成的三维实体，本文将具有类似结构的电气设备统一归为软导线类模型。软导线类模型采用相同的模型构建方法：首先，获取点云数据并利用数据处理软件截取建模对象的点云，将点云导出为ASCII类型数据作为建模参考数据；其次，在建模软件中利用切片工具创建对象的点云切片；然后，利用多义线勾勒切片的二维轮廓图，同时，利用三维线段勾勒截面延伸轨迹；最后，通过扫掠功能将截面二维轮廓图沿延伸轨迹进行扫掠，得到三维实体模型。
2.结束语
综上所述，变电站信息化、数字化、智能化监管技术提供最真实的模型数据，为实现变电站智能化、精益化运维提供技术支撑，值得深入研究。
参考文献：
［1］白璐. 变电站三维数字化设计的研究及实现［D］. 天津：天津大学，2013.
［2］王仁德，杜勇，沈小军. 变电站三维建模方法现状及展望［J］. 华北电力技术，2015，（02）：19-23
论文作者:刘锋,梁学敏,罗开聪,唐琦
论文发表刊物:《河南电力》2018年13期
论文发表时间:2018/12/26
标签：模型论文; 变电站论文; 重构论文; 建模论文; 结构论文; 设备论文; 数据论文; 《河南电力》2018年13期论文;