CN102880736A - 基于安全作业的变电站空间分析方法 - Google Patents

Abstract

一种基于安全作业的变电站空间分析方法，通过在高精度的三维变电站仿真环境，精确计算施工吊车与变电站设备的空间位置关系，进而获得吊车的最优停靠位置，以及在此位置上带电作业时，提示吊车作业臂长可能会碰撞到的其它设备，并以可视化的方式进行模拟碰撞预演与技术辅助分析，帮助现场作业人员在进入带电作业区前，对现场空间环境、安全风险预控、以及视觉盲区达到充分认知，可避免变电站带电区域作业时导致的潜在安全风险与隐患，防止碰撞电网设备而产生重大事故。

Description

基于安全作业的变电站空间分析方法

技术领域

本发明涉及一种变电站在进行安全作业之前的空间预演与分析方法，尤其是涉及安全作业车（施工吊车）在进入变电站区域作业时的模拟碰撞预演与空间分析的诊断方法。

背景技术

随着各国的电网规模不断扩大，用户对电力供应的安全可靠性和质量要求越来越高，而影响电力系统安全运行的不确定因素和潜在风险却随之增加，尤其体现在变电侧-现场施工单位在变电站带电区域作业时导致的潜在安全风险与隐患。变电站安全作业风险主要表现在吊车司机在进行带电作业时因观测角度存在盲区，无法密切顾及吊臂伸展的所有位置，导致在操作吊车伸展吊臂过程中及容易直接碰及母线构架等重要电网设备，从而引起电网事故。最近一起案例事故表明，施工吊车吊臂在伸展的过程中，由于视觉盲区，碰及B相管母，造成B相管母支柱瓷瓶折断，并散落在母线构架上，导致B相管母与侧刀闸距离不足而对地放电，造成多个220kV站失压。这些风险所暴露出，由于对现场空间环境认知不足，安全风险预控淡薄，外加视觉盲区，导致现场施工单位难以精准的在带电区域进行安全作业。而目前尽力避免这类风险的办法只能依靠现场指挥人员的现场辅助指挥，截至目前没有一种更有效的技术辅助手段来降低施工吊车带电作业的安全风险。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，就是提供一种基于安全作业的变电站空间分析方法，通过精确计算施工吊车与变电站设备的空间位置关系，以可视化的方式进行模拟碰撞预演与辅助分析，可避免变电站带电区域作业时导致的潜在安全风险与隐患。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

一种基于安全作业的变电站空间分析方法，包括以下步骤：

S1采集变电站作业现场的autocad底图；

S2根据autocad底图，用建模工具为变电站进行精细化三维建模,包括地表地形、变电站建筑物、站内基础设施和电网设备的三维模型建模；

S3将三维模型按照真实环境的空间分布位置组装集合，并进行渲染，形成与真实环境一致的高仿真三维变电站模型；

S4采集施工吊车相关参数，包括吊车型号、大小、高度、以及臂长范围；

S5采集故障设备的空间位置信息；

S6以故障设备为球心，施工吊车最大臂长为半径，形成一个球形空间，并与地表面相交得到一个圆形，将此圆形范围作为吊车可停靠点的范围；

S7在吊车可停靠点的范围内，将吊车初始化在一个任意的位置；

S8以吊车位置点为球心，对三维空间的地物进行缓冲体生成，缓冲体生成从生长元(球心)开始，逐步向周围邻域扩张，扩张的半径逐步增大，直至扩张到的体元与生长元的最小距离大于或等于给定的缓冲半径（吊车位置距需检修设备的距离）为止，形成空间球形缓冲体；

S9计算影响区域，落在此空间球形缓冲体内的设备即为被影响设备；

S10统计被影响设备面积的加权求和值；

S11重复步骤S6-S10，以1平米为单位遍历计算，找到施工吊车碰撞到的被影响设备面积的加权求和值最小的位置,并且施工吊车司机视线畅通（司机位置与故障设备之间没有空间障碍物），即为吊车的最优停靠位置；

S12在吊车最优停靠位置，重复步骤S8-S9，采用地理处理模块下的3D要素相交分析，形成相交要素的属性表；

S13依据属性表加载这些被影响设备或者被影响设备的一部分，执行渲染操作对被影响的设备进行着色，得到缓冲体和周围要素的相交图显示的结果，将相交要素高亮渲染显示出来；

S14生成作业影响区域的三维图和俯视图；

S15生成吊车现场作业书，供施工人员带入现场辅助参考。

所述的步骤S8包括：

S8-1生成缓冲体执行点要素缓冲体构建算法，在三维空间中，采用栅格模型进行缓冲体分析模拟三维空间各向异性的扩散（将三维空间近似简化为向26个方向发散），当缓冲体扩散半径R等于吊车位置距故障设备的距离X时，停止扩散，形成空间球形缓冲体，并绘制出该缓冲体（影响区域）；

S8-2点目标缓冲体生成算法的关键是确定定位点为球心的球，在此用多面体来逼近球，多面体面数越多，它与球的逼近程度也就越高，多面体逼近球的算法步骤如下:

step1：构造一个以已知点p（x，y，z）为圆心，缓冲距r为半径的圆；

为了计算简单，这里构造的圆为垂直于坐标轴中的任意一条，假设垂直于z轴，则在平面圆上取四个点A,B,C,D。其坐标可以用以下求得:(其中i=0,1,2,3,α=π/2)

v.x=p.x+rcos(iα)

v.y=p.y+rsin(iα)

v.z=p.z

step2:过点P作上述平面圆的垂线，在垂线上截取到点p的距离为r的两个点E,F；

step3:构造多面体，该多面体由八个三角形面片△ABE，△BCE，△CDE，△DAE，△DAF，△ABF.△BCF.△CDF组成；

step4:对每个三角形面片进行剖分来逼近球，剖分方法是:将三角形面一分为四，分别取每条边的中点，由于新引进的顶点q(x,y,z)稍稍的处在球内部，可以通过归一化的方法将这些顶点移到球表面上，重复这一剖分过程得到任意精度的近似。

所述的步骤S10包括：

被影响设备面积的加权求和值计算方法:

$\begin{array}{c}\mathrm{Sum}=K*\mathrm{\Σ}{I}_N+\mathrm{\Σ}{U}_N\\ \mathrm{NumI\; NumU}\end{array}$

其中：

■K表示重要设备与非重要设备权重占比，默认值设置为5：1；

■设备重要性因子，重要设备I,非重要设备U；

■影响设备面积因子，I₁。。。I_N表示影响重要设备面积之和，U₁。。。U_N表示影响非重要设备面积之和；

■影响设备数量因子，NumI表示重要设备个数，NumU表示非重要设备个数；所述的步骤S13包括：

S13-1根据闭合多面体要素的面的几何交集，计算出由这些要素定义的两个体积的几何交集，两个图层和要素类中重叠的要素或部分要素需要写入“输出要素类”；

S13-2对多面体要素进行比较，并根据其几何交集生成新的多面体要素。输入多面体要素必须是闭合的。如果多面体要素不是闭合的，则只是将其跳过并显示错误日志。将第一组输入多面体要素与第二组输入多面体要素进行比较，查找所有相交体积并将其作为多面体要素写到新要素类中。即完成点要素缓冲体的构建以及多个3D要素之间的相交分析，从而输出得到相交要素的属性表；

S13-3依据属性表加载这些被影响设备或者被影响设备的一部分，对其着色并高亮显示。

有益效果：本发明可通过空间分析与模拟预演的手段提前并有效地提示现场施工吊车在变电站带电区域作业时可能会出现的潜在安全风险与隐患，防止碰撞电网设备而产生重大事故。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1是根据臂长自动计算安全工作范围框图；

图2为直观的影响区域的三维图；

图3为直观的影响区域的俯视图。

具体实施方式

本发明的基于安全作业的变电站空间分析方法，包括以下步骤：

1.采集变电站作业现场的autocad底图，保证地图与实际变电站的一致性；

2.根据autocad底图，用建模工具为变电站进行精细化三维建模,包括地表地形、变电站建筑物、站内基础设施和电网设备的三维模型建模，保证模型与实际设备的一致性；

3.将三维模型按照真实环境的空间分布位置组装集合，并进行渲染，形成与真实环境一致的高仿真三维变电站模型，达到楼内外分层分室精细化现场模拟；

4.采集施工吊车相关参数，包括采集执行本次作业的吊车型号、大小、高度、以及臂长范围；

5.采集需要维修的故障设备的空间位置信息，在高仿真三维变电站模型中高亮显示；

6.首先，需要依靠系统空间分析计算找到一个吊车在带电作业时可停靠的最优位置，这个位置必须是既可以完成作业（最大臂长Max(R)>吊车位置与故障设备的距离X），又能尽量避免碰撞其它设备，或将碰撞面减到最少。故先以故障设备为球心，施工吊车最大臂长为半径，形成一个球形空间，并与地表面相交得到一个地表圆形，将此圆形范围作为吊车可停靠点的范围，以下的步骤只需在此范围内找到一个最优位置；

7.在吊车可停靠点的范围内，将吊车初始化在一个任意的位置。

8.切换球心，以吊车位置点为球心，对三维空间的地物进行缓冲体生成，缓冲体生成从生长元(球心)开始，逐步向周围邻域扩张，扩张的半径R逐步增大，直至扩张到的体元与生长元的最小距离大于或等于给定的缓冲半径X（距需检修设备的距离）为止，形成空间球形缓冲体，如图1所示。具体包括以下步骤：S8-1生成缓冲体执行点要素缓冲体构建算法，在三维空间中，采用栅格模型进行缓冲体分析模拟三维空间各向异性的扩散（将三维空间近似简化为向26个方向发散），当缓冲体扩散半径R等于吊车位置距故障设备的距离X时，停止扩散，形成空间球形缓冲体，并绘制出该缓冲体（影响区域）；S8-2点目标缓冲体生成算法的关键是确定定位点为球心的球，在此用多面体来逼近球，多面体面数越多，它与球的逼近程度也就越高，多面体逼近球的算法步骤如下:

step1：构造一个以已知点p（x，y，z）为圆心，缓冲距r为半径的圆；

为了计算简单，这里构造的圆为垂直于坐标轴中的任意一条，假设垂直于z轴，则在平面圆上取四个点A,B,C,D。其坐标可以用以下求得:(其中i=0,1,2,3,α=π/2)

v.x=p.x+rcos(iα)

v.y=p.y+rsin(iα)

v.z=p.z

step2:过点P作上述平面圆的垂线，在垂线上截取到点p的距离为r的两个点E,F；step3:构造多面体，该多面体由八个三角形面片△ABE，△BCE，△CDE，△DAE，△DAF，△ABF.△BCF.△CDF组成；step4:对每个三角形面片进行剖分来逼近球，剖分方法是:将三角形面一分为四，分别取每条边的中点，由于新引进的顶点q(x,y,z)稍稍的处在球内部，可以通过归一化的方法将这些顶点移到球表面上，重复这一剖分过程得到任意精度的近似。

9.计算影响区域，落在此空间球形缓冲体内的设备即为被影响设备；

10.统计被影响设备面积的加权求和值，将重要设备与非重要设备权重占比设置成5：1，面积的计算与重要性因子、影响设备面积因子、以及影响设备数量因子有关，具体计算办法参见上述计算公式；被影响设备面积的加权求和值计算方法:

$\begin{array}{c}\mathrm{Sum}=K*\mathrm{\Σ}{I}_N+\mathrm{\Σ}{U}_N\\ \mathrm{NumI\; NumU}\end{array}$

其中：

■K表示重要设备与非重要设备权重占比，默认值设置为5：1；

■设备重要性因子，重要设备I,非重要设备U；

■影响设备面积因子，I₁…I_N表示影响重要设备面积之和，U₁...U_N表示影响非重要设备面积之和；

■影响设备数量因子，NumI表示重要设备个数，NumU表示非重要设备个数。

11.重复步骤6-10，以1平米为单位遍历计算，找到施工吊车碰撞到的被影响设备面积的加权求和值最小的位置,并且施工吊车司机视线畅通，司机位置与故障设备之间没有空间障碍物遮挡，即为吊车的最优停靠位置；

12.在吊车最优停靠位置，重复步骤8-9，采用地理处理模块下的3D要素相交分析，形成相交要素的属性表。这个过程需要测试每个要素来判断它是否落在多面体之内，如果它落在多面体要素内，指明它所落入的要素。即将为第一个输入要素类或图层中的每个要素写出一条记录，指明它是否全部或有一部分落入第二个要素类或图层中的任何闭合多面体要素范围内。通过复杂输出表选项，则在表中为这些关系中的每一种都创建一条记录，记录下输入要素的对象标识符、关系类型（“在内部”或“有一部分在内部”）以及与其共享关系的闭合多面体的对象标识符；

13.依据属性表加载这些被影响设备或者被影响设备的一部分，执行渲染操作对被影响的设备进行着色，得到缓冲体和周围要素的相交图显示的结果，将相交要素高亮渲染显示出来；

将吊车在最优位置进行带电作业时可能会影响的设备在三维模型中全方位显示，并生成作业影响区域的三维图（图2）和俯视图（图3）；具体包括以下步骤：S13-1根据闭合多面体要素的面的几何交集，计算出由这些要素定义的两个体积的几何交集，两个图层和要素类中重叠的要素或部分要素需要写入“输出要素类”；S13-2对多面体要素进行比较，并根据其几何交集生成新的多面体要素。输入多面体要素必须是闭合的。如果多面体要素不是闭合的，则只是将其跳过并显示错误日志。将第一组输入多面体要素与第二组输入多面体要素进行比较，查找所有相交体积并将其作为多面体要素写到新要素类中。即完成点要素缓冲体的构建以及多个3D要素之间的相交分析，从而输出得到相交要素的属性表；S13-3依据属性表加载这些被影响设备或者被影响设备的一部分，对其着色并高亮显示。

14.生成作业影响区域的三维图和俯视图；

15.生成吊车现场作业书（安全提示报告），供施工人员带入现场辅助参考。

Claims (4)

1.一种基于安全作业的变电站空间分析方法，包括以下步骤：

S1采集变电站作业现场的autocad底图；

S2根据autocad底图，用建模工具为变电站进行精细化三维建模,包括地表地形、变电站建筑物、站内基础设施和电网设备三维模型建模；

S3将三维模型按照真实环境的空间分布位置组装集合，并进行渲染，形成与真实环境一致的高仿真三维变电站模型；

S4采集施工吊车相关参数，包括吊车型号、大小、高度、以及臂长范围；

S5采集变电站故障设备的空间位置信息；

S6以故障设备为球心，施工吊车最大臂长为半径，形成一个球形空间，并与地表面相交得到一个圆形，将此圆形范围作为吊车可停靠点的范围；

S7在吊车可停靠点的范围内，将吊车初始化在一个任意的位置；

S8以吊车位置点为球心，对三维空间的地物进行缓冲体生成，缓冲体生成从球心生长元开始，逐步向周围邻域扩张，扩张的半径逐步增大，直至扩张到的体元与生长元的最小距离大于或等于给定的缓冲半径为止，形成空间球形缓冲体；

S9计算影响区域，落在此空间球形缓冲体内的设备即为被影响设备；

S10统计被影响设备面积的加权求和值；

S11重复步骤S6-S10，以1平米为单位遍历计算，找到施工吊车碰撞到的被影响设备面积的加权求和值最小的位置,并且施工吊车司机视线畅通，即为吊车的最优停靠位置；

S12在吊车最优停靠位置，重复步骤S8-S9，采用地理处理模块下的3D要素相交分析，形成相交要素的属性表；

S13依据属性表加载这些被影响设备或者被影响设备的一部分，执行渲染操作对被影响的设备进行着色，得到缓冲体内和周围要素的相交图显示的结果，将相交要素高亮渲染显示出来；

S14生成作业影响区域的三维图和俯视图；

S15生成吊车现场作业书，供施工人员带入现场辅助参考。

2.根据权利要求1所述的基于安全作业的变电站空间分析方法，其特征是：所述的步骤S8包括：

S8-1生成缓冲体执行点要素缓冲体构建算法，在三维空间中，采用栅格模型进行缓冲体分析模拟三维空间各向异性的扩散，当缓冲体扩散半径R等于吊车位置距故障设备的距离X时，停止扩散，形成空间球形缓冲体，并绘制出该缓冲体；

S8-2点目标缓冲体生成算法的关键是确定定位点为球心的球，在此用多面体来逼近球，多面体面数越多，它与球的逼近程度也就越高，多面体逼近球的算法步骤如下:

step1：构造一个以已知点p（x，y，z）为圆心，缓冲距r为半径的圆；

为了计算简单，这里构造的圆为垂直于坐标轴中的任意一条，假设垂直于z轴，则在平面圆上取四个点A,B,C,D，其坐标可以用以下求得:其中i=0,1,2,3,α=π/2

v.x=p.x+rcos(iα)

v.y=p.y+rsin(iα)

v.z=p.z

step2:过点P作上述平面圆的垂线，在垂线上截取到点p的距离为r的两个点E,F；step3:构造多面体，该多面体由八个三角形面片△ABE，△BCE，△CDE，△DAE，△DAF，△ABF.△BCF.△CDF组成；

step4:对每个三角形面片进行剖分来逼近球，剖分方法是:将三角形面一分为四，分别取每条边的中点，由于新引进的顶点q(x,y,z)稍稍的处在球内部，可以通过归一化的方法将这些顶点移到球表面上，重复这一剖分过程得到任意精度的近似。

3.根据权利要求2所述的基于安全作业的变电站空间分析方法，其特征是：所述的步骤S10中，被影响设备面积的加权求和值计算方法如下:

$\begin{array}{c}\mathrm{Sum}=K*\mathrm{\Σ}{I}_N+\mathrm{\Σ}{U}_N\\ \mathrm{NumI\; NumU}\end{array}$

其中：

K表示重要设备与非重要设备权重占比，默认值设置为5：1；

设备重要性因子，重要设备I,非重要设备U；

影响设备面积因子，I₁。。。I_N表示影响重要设备面积之和，U₁。。。U_N表示影响非重要设备面积之和；

影响设备数量因子，NumI表示重要设备个数，NumU表示非重要设备个数。

4.根据权利要求3所述的基于安全作业的变电站空间分析方法，其特征是：所述的步骤S13包括以下子步骤：

S13-1根据闭合多面体要素的面的几何交集，计算出由这些要素定义的两个体积的几何交集，两个图层和要素类中重叠的要素或部分要素需要写入“输出要素类”；

S13-2对多面体要素进行比较，并根据其几何交集生成新的多面体要素，输入多面体要素必须是闭合的，如果多面体要素不是闭合的，则只是将其跳过并显示错误日志，将第一组输入多面体要素与第二组输入多面体要素进行比较，查找所有相交体积并将其作为多面体要素写到新要素类中，即完成点要素缓冲体的构建以及多个3D要素之间的相交分析，从而输出得到相交要素的属性表；

S13-3依据属性表加载这些被影响设备或者被影响设备的一部分，对其着色并高亮显示。

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