CN111724479B - 一种变电站电气一次设备三维建模方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种变电站电气一次设备三维建模方法和系统，其特征在于包括以下步骤：1)建立用于搭建变电站电气一次设备三维模型的基本图元模型集合，所述基本图元模型集合包括多种基本图元模型，各基本图元模型由其几何信息和空间变换矩阵唯一确定；2)获取待搭建变电站电气一次设备的设备结构和具体参数，并根据获取的设备结构和具体参数从步骤1)中的基本图元模型集合中选取基本图元模型并进行参数调整，得到待搭建变电站电气一次设备的三维模型。本发明保证了三维模型几何外形的完备性、关联性、一致性、唯一性、扩展性，满足可视化、可分析、可编辑、可出图等工程全寿命周期应用需求，可以广泛应用于变电站设备建模领域。

Description

一种变电站电气一次设备三维建模方法和系统
技术领域
本发明涉及变电站、电气设备、三维设计、建模及电气一次设备领域，特别是关于一种基于体素构造表示法的变电站电气一次设备三维建模方法和系统。
背景技术
在搭建电网三维设计模型的过程中，设计人员需要借助设计三维设计平台并根据工程实际情况，建立各种设备模型，并利用这些设备模型来完成工程三维设计工作。工程三维设计成果需要满足全生命周期中设计各阶段、建设各阶段跨平台的共享和利用。
目前，实体模型存在多种表示方法，基本上分为三类：分解表示、边界表示和构造表示，其中，边界表示和构造表示占据了主导地位，下面对各种表示方法进行简单介绍。
1、分解表示法
分解表示是将实体按照某种规则分解为更小的、更易于描述的子实体，这种划分规则迭代用分解后得到的子实体，直到最终分解的子实体能够直接描述为止，然后按照划分过程，将各个子实体组装，得到最终实体的表示。一般应用八叉树表示法，由于算法本身的特点而易于进行并行计算，然而八叉树表示也存在着占用内存较大，而且仅是一种近似表示，没有显示形体表面信息的缺点，目前应用较少。
2、边界表示法
边界表示(B-rep,Boundary Representation)是采用实体的边界来描述实体的方法。该方法将模型看作是一个具有有限多个边界面(平面或曲面)组成的面集，用这个面集来表示实体，而每一个边界面又可以看成是一组有限个有序的边界线段所围成的闭合区域，每一个边界线段又是由两个端点构成，每一个点在三维坐标系内用三维坐标值表示。
如图1所示，以一个立方体为例说明B-rep表示法的数据存储结构，B-rep表示法中,包含的关键信息分为两类。一类是几何信息，它主要反映模型的大小及位置，主要记录的是点的坐标值，面表达式中的系数等数据。第二类是拓扑信息，它主要反映的是图形内部点、线、面、体之间的相对位置和连接关系，这类信息不根据模型整体位置和大小变化而变化。
B-rep表示法的优点：
(1)B-rep直接存储构成模型的点、线、面等基本信息,便于模型的显示和绘制；
(2)可以提供较多的关于点、边、面的几何及拓扑信息,有利于计算其几何特性。
B-rep表示法的局限性：
(1)需要存储的数据量大，数据间拓扑关系复杂；
(2)描述的形体不能保证其有效性和唯一性；
(3)无法描述构造的模型的几何特征，不能对实体某部分元素拆分处理。
3、构造表示法
构造表示法是从各个基体、体素或体元出发，通过一定的空间运算生成实体的方法。又称为构造实体几何(CSG,Constructive Solid Geometry)，。该方法是利用预先定义好的简单的基本体元模型，通过几何变换、布尔运算构成复杂模型的三维模型表示方法。一般而言，这些基本体元主要包括：球体、圆柱体、圆锥、正方体等。利用CSG方法表示三维模型的过程被称为CSG树。
如图2所示，CSG树的子叶节点表示的是构成复杂体的基本体元，树的中间节点表示的是对叶节点的某种操作，这种操作分为两类：一类是对基本体元的几何变换(平移、放大缩小、旋转等)，另一类是的基本体元的正则布尔运算(交、并、差等)，树的根节点代表最终拼合成的实体模型，并且这个模型是唯一的。
采用CSG表示法的优点如下：
(1)实体构造过程简单直观，便于复现；
(2)存储站用空间小，方便管理，结构简单；
(3)CSG表示法利用正则布尔运算保证了实体模型的正确性、有效性、唯一性；
(4)CSG表示法表示的实体模型便于拆分、编辑修改；
采用CSG表示法的局限性如下：
(1)受基本体元种类和体元变换的种类的限制，导致最终能表示的形体受到限制；
(2)CSG表示实体，在模型显示过程中需要消耗更多的资源和时间。
综上，B-rep表示法适合应用于模型自由曲面较多、对模型精细度要求较高、需要对曲面进行剖分分析的场景，例如工业设计、机械零部件机床精加工，力、热、电等物理场的有限元分析等。而CSG表示法适合应用于模型结构规整、简单，建模速度快、模型表达结果准确唯一，并需要对模型进行分解、修改的应用场景，例如工程设计、出图，工程建设管理，工程运维管理等。
根据电网工程三维推广应用的整体需求，要求三维模型成果能满足在工程全寿命周期各个环节中进行可传递、无损重构、可再编辑、可统计分析等。这意味着国网工程全寿命周期中的物资、设计、施工和运行等环节中的不同单位需要对三维实体模型具有通过不同软件平台进行三维重构解析和再编辑的能力，因此需要建模算法能保证实体模型在不同平台中的正确性、有效性、唯一性。另外由于国网工程数量庞大，需要尽量小的模型大小和尽量简洁的存储结构，以方便将来庞大的工程数据库的管理和维护。同时，对于电气设备还需要能够将电气设备中的具有独立功能的部件独立拆分出来定义及编辑的需求。
综上几点需求，对于国网三维设计中的三维电气设备模型，如果采用表面建模方式，虽然可以解决图像显示的问题，但模型重构方法复杂，难以进行二次编辑，并且存储空间占用大，不能进行模型拆分，不能独立设备中的部件。无法满足对模型全阶段全周期利用的需求。同时，电网工程数字化主流设计软件的底层图形引擎各异，对实体模型几何图像的显示算法不一，导致几何模型跨平台交互不畅。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于体素构造表示法的变电站电气一次设备三维建模方法和系统，该方法可以保证变电站电气一次设备中三维模型几何外形的完备性、关联性、一致性、唯一性、扩展性，满足可视化、可分析、可编辑、可出图等工程全寿命周期应用需求。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
本发明的第一个方面，是提供一种变电站电气一次设备三维建模方法，其包括以下步骤：1)建立用于搭建变电站电气一次设备三维模型的基本图元模型集合，所述基本图元模型集合包括多种基本图元模型，各基本图元模型由其几何信息和空间变换矩阵唯一确定；2)获取待搭建变电站电气一次设备的设备结构和具体参数，并根据获取的设备结构和具体参数从步骤1)中建立的基本图元模型集合中选取基本图元模型并进行参数调整，得到待搭建变电站电气一次设备的三维模型。
进一步地，所述步骤1)中，所述基本图元模型集合包括：球体、旋转椭球体、长方体、瓷套\绝缘子、端子板基本图元模型；
各所述基本图元模型的几何信息包括两部分内容：基本图元模型的定义和基本图元模型之间的布尔运算的定义；
各所述基本图元模型的定义指采用“对象+参数”的方式对各所述基本图元模型进行描述，所述“对象”是指各所述基本图元模型的节点名称，用英文表示，且首字母大写；所述“参数”指各所述基本图元模型的驱动参数；且所述“对象”和“参数”之间采用1个空格分开；
各所述基本图元模型之间的布尔运算的定义是指各所述基本图元模型之间的交、并、减运算，用于实现各基本图元模型之间相互运算进而构成三维模型；
各所述基本图元模型的空间变换矩阵采用4*4的齐次矩阵，矩阵采用按行存储方式，且为先行后列的次序存储；矩阵中各元素用于记录基本图元模型建模过程中的各各种位置坐标和空间角度信息；所述空间变换矩阵形式为：
式中，左上部分，即表示三维线性变换部分；左下部分，即[tx tytz]，表示三维平移变换部分；右上部分，即/>表示透视变换部分；右下部分，即[s]，表示整体比例因子。
进一步地，所述步骤2)中，获取待搭建变电站电气一次设备的设备结构和具体参数，并根据获取的设备结构和具体参数从步骤1)中建立的基本图元模型集合中选取基本图元模型并进行参数调整，得到待搭建变电站电气一次设备的三维模型的方法，包括以下步骤：2.1)建立变电站通用模型库，该通用模型库中包含变电站所有电气一次设备的通用模型；2.2)根据待搭建变电站电气一次设备的通用设备编号从变电站通用模型库中选择对应的通用模型，并对通用模型进行调整，得到待搭建电气一次设备的初步设计阶段三维模型；2.3)根据厂家资料以及建模规范对初步设计阶段三维模型进行调整和补充，得到待搭建电气一次设备的施工阶段三维模型。
进一步地，所述步骤2.1)中，建立变电站通用模型库的方法，包括以下步骤：2.1.1)根据通用设备分类原则对所有变电站电气一次设备模型进行分类和编号；2.1.2)获取各电气一次设备的几何信息、属性信息以及包含的功能信息，其中，几何信息包括外形关键尺寸和定位信息，属性信息包括工程基本参数和设计基本参数；2.1.3)根据获取的功能信息将各电气一次设备分为设备主体以及相应的模型部件，其中，模型部件是指待搭建电气一次设备中具有独立功能的部分；同时根据获取的几何信息将各电气一次设备进行层级结构分解，得到各电气一次设备的各子部件，子部件是指能够通过不同种类和数量的基本图元直接搭建而成的部件；2.1.4)确定各基本图元模型的几何信息参数和空间变换矩阵参数，采用不同种类和数量的基本图元对各子部件进行搭建，并利用搭建好的各子部件完成对各电气一次设备的搭建，得到各电气一次设备的通用模型。
进一步地，搭建各电气一次设备的通用模型时，对于具有曲面部件及不规则复杂体部件的电气一次设备，搭建方法为：通过基本图元命令创建单元模型,并设置各单元模型的几何参数值、模型颜色、透明度以及插入点，形成符合尺寸要求的模型单元；将已创建的模型单元根据空间相对位置进行组合，形成散装的部件模型；使用长方体对圆环进行布尔实体“求减”，得到圆弧体，再与其他模型进行“求并”命令，最后将散装的其他部件模型合成紧密连接的单个实体，得到通用模型。
进一步地，所述步骤2.2)中，根据待搭建变电站电气一次设备的通用设备编号从变电站通用模型库中选择对应的通用模型，并对通用模型进行调整，得到待搭建电气一次设备的初步设计阶段三维模型的方法，包括以下步骤：2.2.1)根据待搭建变电站电气一次设备的通用设备编号从变电站通用模型库中选择对应的通用模型；2.2.2)在设计软件中导入标准格式通用模型文件；2.2.3)根据工程实际对选择的通用模型进行调整，可调整内容包括通用模型中的所有部件以及外观；2.2.4)根据模型参数表，填写初步设计阶段模型参数，得到待搭建电气一次设备的初步设计阶段三维模型。
进一步地，所述步骤2.3)中，根据厂家资料以及建模规范对初步设计阶段三维模型进行调整和补充，得到待搭建电气一次设备的施工阶段三维模型的方法，包括以下步骤：2.3.1)根据厂家资料对得到的初步设计阶段三维模型进行调整；2.3.2)根据建模规范对调整后的三维模型进行相关部件和细节的补充；2.3.3)根据模型参数表，对步骤2.3.2)中得到的三维模型参数进行填写，得到待搭建电气一次设备的施工阶段三维模型。
本发明的第二个方面，是提供一种变电站电气一次设备三维建模系统，其包括：基本图元构建模块，用于建立用于搭建变电站电气一次设备三维模型的基本图元模型集合，所述基本图元模型集合包括多种基本图元模型，各基本图元模型采用“对象+参数”方式描述，并由其空间变换矩阵唯一确定；三维模型搭建模块，用于获取待搭建变电站电气一次设备的设备结构和具体参数，并根据获取的设备结构和具体参数从建立的基本图元模型集合中选取基本图元模型并进行参数调整，得到待搭建变电站电气一次设备的三维模型。
进一步地，所述三维模型搭建模块包括：通用模型库构建模块，用于建立变电站通用模型库，所述通用模型库中包含变电站所有电气一次设备的通用模型；初步设计阶段三维模型构建模块，用于根据待搭建变电站电气一次设备的通用设备编号从变电站通用模型库中选择对应的通用模型，并对通用模型进行调整，得到待搭建电气一次设备的初步设计阶段三维模型；施工阶段三维模型构建模块，用于根据厂家资料以及建模规范对初步设计阶段三维模型进行调整和补充，得到待搭建电气一次设备的施工阶段三维模型。
进一步地，所述通用模型库构建模块包括：模型分类模块，用于根据通用设备分类原则对所有变电站电气一次设备模型进行分类；参数获取模块，用于获取各电气一次设备的几何信息、属性信息以及包含的功能信息，其中，几何信息包括外形关键尺寸和定位信息，属性信息包括工程基本参数和设计基本参数；模型分解模块，用于根据获取的功能信息将各电气一次设备分为设备主体以及相应的模型部件，其中，模型部件是指待搭建电气一次设备中具有独立功能的部分；同时根据获取的几何信息将各电气一次设备进行层级结构分解，得到各电气一次设备的各子部件，子部件是指能够通过不同种类和数量的基本图元直接搭建而成的部件；通用模型搭建模块，用于采用不同种类和数量的基本图元对各子部件进行搭建，并利用搭建好的各子部件完成对各电气一次设备的搭建，得到各电气一次设备的通用模型。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1)本发明建模表达方法简洁、准确，利用参数化的基本图元和布尔运算保证了实体模型的正确性、有效性、唯一性；通过一组参数和空间坐标矩阵能够准确描述模型的几何外形，不会产生歧义。2)本发明能实现跨平台的数据交互利用统一的模型描述方式，不同三维平台能够通过开发功能，实现不同平台间的数据交互和模型导入，不会造成信息丢失的情况，为不同阶段的编辑应用打下了坚实的基础。3)本发明构建的模型体量小，便于存储，采用传统方式建模的电气一次设备模型大小大约为几十兆，而采用本方法创建的电气一次设备大小约为几十kb。因此，本发明可以广泛应用于变电站电气一次设备的三维建模领域。
附图说明
图1是现有边界表示法示意图；
图2是现有构造表示法示意图；
图3a和图3b是本发明基本图元球体的驱动参数图和预览图；
图4a和图4b是本发明基本图元旋转椭球体的驱动参数图和预览图；
图5a和图5b是本发明基本图元长方体的驱动参数图和预览图；
图6a和图6b是本发明基本图元瓷套/绝缘子(未含上下法兰)的驱动参数图和预览图；
图7a和图7b是本发明基本图元端子板的驱动参数图和预览图；
图8是本发明中基本图元模型进行平移变换的示意图；
图9是本发明基本图元模型进行比例变换的示意图；
图10a～图10c是本发明基本图元模型分别绕Z、X、Y轴旋转变换的示意图；
图11是本发明设备建模层级结构图；
图12是本发明变压器模型及部件图；
图13是本发明变压器层级结构图；
图14是本发明椭圆环基本图元参数化模型；
图15是本发明均压屏蔽装置散装模型；
图16a～图16c是本发明均压屏蔽装置单个实体模型；
图17是本发明变压器类模型体量；
图18是本发明断路器类模型体量；
图19是本发明实施例一中选择通用模型；
图20是本发明实施例一中导入模型文件示意图；
图21是本发明实施例一中导入的模型文件；
图22a和图22b是本发明实施例一中删除变压器模型土建接口示意图；
图23是本发明实施例一中填写初步设计阶段模型参数示意图；
图24a、图24b和图24c是本发明实施例一中调整变压器套管外形及位置示意图；
图25a、图25b和图25c是本发明实施例一中调整变压器油枕外形及位置示意图；
图26a和图26b是本发明实施例一中补充变压器本体放油阀及元素属性示意图；
图27是本发明实施例一中填写施工图阶段模型参数示意图；
图28是本发明实施例二中选择通用模型示意图；
图29是本发明实施例二中导入模型文件示意图；
图30是本发明实施例二中导入的模型文件；
图31a和图31b是本发明实施例二中删除断路器模型土建接口及元素属性示意图；
图32是本发明实施例二中填写初步设计阶段模型参数示意图；
图33a、图33b和图33c是本发明实施例二中调整断路器机构箱外形及位置示意图；
图34a、图34b和图34c是本发明实施例二中补充断路器接地端子示意图；
图35是本发明实施例二中填写施工图阶段模型参数示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
为了保证三维模型几何外形的完备性、关联性、一致性、唯一性、扩展性，满足可视化、可分析、可编辑、可出图等工程全寿命周期应用需求，本发明提供一种基于体素构造表示法的变电站电气一次设备三维建模方法，包括以下步骤：
1)建立用于搭建变电站电气一次设备三维模型的基本图元模型集合，所述基本图元模型集合包括多种基本图元模型，各基本图元模型由其几何信息和空间变换矩阵唯一确定。
1.1)确定基本图元模型种类，并确定各基本图元模型的几何信息表达。
本发明中确定的基本图元种类包括：球体、旋转椭球体、长方体、瓷套\绝缘子、端子板等基本图元。
各基本图元模型的几何信息表达包括两部分内容，一是基本图元的定义，本发明中采用“对象+参数”的方式进行描述，对象指各基本图元模型的节点名称，本发明采用其对应的英文表示，且首字母大写；参数指各基本图元模型的驱动参数，且对象和参数之间采用1个空格分开。二是基本图元之间的布尔运算的定义，也即基本图元模型之间的交、并、减运算，用于在三维建模时实现各基本图元模型之间相互运算构成三维模型。
采用参数驱动方式，具体的，各基本图元的参数驱动方式示例如下：
1.1.1)球体
如图3a和图3b所示，为球体的驱动参数图和预览图，球体的节点名称为Sphere，驱动参数如下表1所示。
表1球体的驱动参数
字段 说明 值范围 类型 备注
R 半径 R>0 浮点型 坐标原点：球心
1.1.2)旋转椭球体
如图4a和图4b所示，为旋转椭球体的驱动参数图和预览图，旋转椭球体的节点名称为RotationalEllipsoid，驱动参数如下表2所示。
表2旋转椭球体的驱动参数
1.1.3)长方体
如图5a和图5b所示，为长方体的驱动参数图和预览图，长方体的节点名称为Cuboid，驱动参数如下表3所示。
表3长方体的驱动参数
1.1.4)瓷套\绝缘子(未含上下法兰)
如图6a和图6b所示，为瓷套的驱动参数图和预览图，其节点名称为：PorcelainBushing，驱动参数如下表4所示。
表4瓷套的驱动参数
1.1.5)端子板
如图7a和图7b所示，为端子板的驱动参数图和预览图，其节点名称为：TerminalBlock，驱动参数如下表5所示。
表5端子板的驱动参数
1.2)确定各基本图元模型的空间变换矩阵，得到一组唯一的基本图元的空间信息集合，用于保证实体模型的正确性、有效性和唯一性。
在明确了单个基本图元模型的参数和型式后，就可以通过基本图元模型的移动、复制和旋转等操作来搭建变电站一次电气设备及设备部件了，为了保证三维设备模型搭建后可以导入不同平台进行复现，并保持其可编辑性，还需要确定一个方式来记录基本图元搭建组合的过程，本发明中采用各个基本图元的空间变换矩阵进行表达。
三维平移变换、比例变换可看成是二维情况的直接推广。但旋转变换则不然，因为我们可选取空间任意方向作为旋转轴，因此三维变换处理起来更为复杂。本发明采用齐次坐标技术来描述空间的各点坐标及其变换，具体的，三维变换包括以下几种情况。
1.2.1)平移变换
如图8所示，若空间某点P的坐标为(x,y,z)，空间平移量为(tx,ty,tz)，则平移变换后得到的P'(x',y',z')的坐标为：
因此可得，对空间中的某点P进行平移变换时，其空间变换矩阵为：
1.2.2)比例变换
如图9所示，若空间某点P的坐标为(x,y,z)，则其相对于坐标原点进行比例变换后坐标为：
x′＝xsx,y′＝ysy,z′＝zsz
式中，sx、sy和sz分别为比例系数。
因此可得，某点P相对于坐标原点进行比例变换时，其空间变换矩阵可表示为：
1.2.3)绕坐标轴的旋转变换
三维空间中的旋转变换比二维空间中的旋转变换复杂。除了需要指定旋转角外，还需指定旋转轴。
若以坐标系的三个坐标轴x,y,z分别作为旋转轴，则点实际上只在垂直坐标轴的平面上作二维旋转。此时用二维旋转公式就可以直接推出三维旋转变换矩阵。规定在右手坐标系中，物体旋转的正方向是右手螺旋方向，即从该轴正半轴向原点看是逆时针方向。
1.2.3.1)绕z轴旋转
如图10a所示，若空间某点P的坐标为(x,y,z)，则其绕z轴旋转后得到的P’的坐标为：
x′＝xcosγ-ysinγ
y′＝xsinγ+ycosγ
z′＝z
其中，γ为绕z轴旋转的角度。
因此可得，空间某点P绕z轴旋转时，空间变换矩阵为：
1.2.3.2)绕x轴旋转
如图10b所示，若空间某点P的坐标为(x,y,z)，则其绕x轴旋转后得到的P’的坐标为：
y′＝ycosα-zsinα
z′＝ysinα+zcosα
x′＝x
式中，α为P点绕x轴旋转的角度。
因此可得，空间某点P绕x轴旋转时，空间变换矩阵为：
1.2.3.3)绕y轴旋转
如图10c所示，若空间某点P的坐标为(x,y,z)，则其绕y轴旋转后得到的P’的坐标为：
z′＝zcosβ-xsinβ
x′＝zsinβ+xcosβ
y′＝y
因此可得，空间某点P绕y轴旋转时，空间变换矩阵为：
综合以上几种变换方式，形成组合变换变换的方法。本发明中各基本图元模型的空间变换矩阵采用4*4的齐次矩阵，矩阵采用按行存储方式，且为先行后列的次序存储。矩阵中各元素用于计算机记录基本图元建模过程中的各种位置坐标和空间角度等信息。具体的，如下式：
式中，左上部分，即表示三维线性变换部分；左下部分，即[tx tytz]，表示三维平移变换部分；右上部分，即/>表示透视变换部分；右下部分，即[s]，表示整体比例因子。
例如：某一个主变进线HGIS通用模型中的隔离开关部件的空间变换矩阵信息如下：TRANSFORMMATRIX0＝1,0,0,0,0,1,0,0,0,0,1,0,0,0,0,1，也即其空间变换矩阵为：
从上式可以得出：
三维线性变换部分为[1 0 0 0 1 0 0 0 1]，所以该模型没有旋转变化；
三维平移变换部分[tx ty tz]＝[0 0 0]，所以该模型没有位移变化；
透视变换部分所以该模型也没有透视变化；
整体比例因子s＝1，所以该模型保持原大小不变；
根据这个变换矩阵，标明本隔离开关模型没有在坐标系中进行位移、旋转等变化。
2)获取待搭建变电站电气一次设备的设备结构和具体参数，并根据获取的设备结构和具体参数从步骤1)中的基本图元模型集合中选取基本图元模型并进行参数调整，得到待搭建变电站电气一次设备的三维模型。
具体的，包括以下步骤：
2.1)建立变电站通用模型库，该通用模型库中包含变电站所有电气一次设备的通用模型。
建立变电站通用模型库的方法，包括以下步骤：
2.1.1)根据通用设备分类原则对变电站所有电气一次设备模型进行分类和编号。
其中，根据设备外形不同，同一编号的通用设备可能对应多个模型。例如：根据同一通用设备编号的变压器由于其散热器是否分离，油枕、低压套管位置和中压套管位置不同等建立了对应的模型，并对建立的设备模型进行了编号、名称和特征备注的描述，通过建立通用设备编号与模型编号的对应关联，实现了同一通用设备对应多个模型的方法。对应方式如表6所示。
表6通用设备和模型对应方法
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2.1.2)获取各电气一次设备的几何信息、属性信息以及包含的功能信息，其中，几何信息主要包括外形关键尺寸和定位信息，属性信息主要包括工程基本参数和设计基本参数。
以变压器为例，变压器是变电站中的重要电气设备，在物资、设计、施工、运行、报废等阶段均被不断的进行各种几何信息以及属性信息的采集、统计、分析、处理、发布和传递。变压器类模型的关键信息需从几何外形、部件功能、接口、属性等多个维度来综合考虑。
几何精细度方面需要考虑外形关键尺寸及定位信息，例如电气设备外形占位尺寸，其带电部分对主要构筑物的空间带电距离、防火距离以及运行维护通道的空间等。比如变压器油箱在地面的投影会影响油池大小，变压器套管的高度和角度会影响引出线的带电距离校验，主变油枕的位置及高度影响油池尺寸及防火墙高度等。本体外廓尺寸必须能覆盖现行厂家要求。
除了几何信息外，电气一次设备还需要大量属性信息。主要包括：工程基本参数、设计基本参数。如变压器的型号、电压、冷却方式、物料编码、实物ID号等，变压器部件同样也具备属性参数，具体示例如下表7和表8所示。
表7变压器本体属性细度表
/>
/>
表8变压器模型部件属性
/>
以断路器为例，断路器的型号、绝缘介质、端口数、物料编码、实物ID号等，以及断路器部件同样也具备属性参数，具体示例如下表9和表10所示。
表9瓷柱式断路器属性细度表
/>
/>
表10断路器模型部件属性
2.1.3)根据获取的功能信息将各电气一次设备分为设备主体以及相应的模型部件，其中，模型部件是指待搭建电气一次设备中具有独立功能的部分；同时根据获取的几何信息将各电气一次设备进行层级结构分解，得到各电气一次设备的各子部件，子部件可以直接由不同种类和数量的基本图元构成。
考虑到后期施工和运行维护过程中可能会对设备中的具有独立功能的部分进行管理、维护和更换，因此模型还针对这样一些具有独立功能的部分独立进行了建模，并把这样的部分称为模型部件。以变压器为例：设备建模除了本体以外，还需要考虑安装底座、接线端子、冷却器等部件，以及特殊曲面的部件，包括均压屏蔽装置、套管(瓷瓶)、套管等。
如图11～图13所示，对变电站设备进行建模时，采用的层级结构示意图。由图可以看出，变电站设备由若干个子部件组成，子部件由基本图元(素体)构成。建模过程应为先采用基本图元建立设备子部件，再由子部件组合成一个完整的设备模型。
2.1.4)确定各基本图元模型的几何信息参数和空间变换矩阵参数，采用不同种类和数量的基本图元对各子部件进行搭建，并利用搭建好的各子部件完成对各电气一次设备的搭建，得到各电气一次设备的通用模型。
根据不同部件的建模精度和外观要求，建模的方法也略有变化，普通部件模型采用基本图元参数化方式直接创建，而特殊曲面部件、不规则复杂体部件等需采用布尔实体运算进行建模。以均压屏蔽装置为例，建模包括以下步骤：
如图14所示，通过基本图元命令创建单元模型,包括椭圆环、圆柱体、长方体等，设置几何参数值、模型颜色、透明度以及插入点，形成符合尺寸要求的模型单元。
如图15所示，将已创建的模型单元根据空间相对位置进行组合，形成散装的部件模型。
如图16a、图16b和图16c所示，使用长方体对圆环进行布尔实体“求减”，得到圆弧体，再与圆柱体等其他模型进行“求并”等命令，最后将散装的其他部件模型合成紧密连接的单个实体。
本发明中，利用布尔实体预算将基本图元“求减”或“求交”形成特殊曲面实体，再用“求并”命令将生成的多个实体合并成复杂的单个实体，最终生成符合精度要求的部件模型。
2.2)根据待搭建变电站电气一次设备的通用设备编号从变电站通用模型库中选择对应的通用模型，并对通用模型进行调整，得到待搭建电气一次设备的初步设计阶段三维模型。
具体的，包括以下步骤：
2.2.1)根据待搭建变电站电气一次设备的通用设备编号从变电站通用模型库中选择对应的通用模型；
2.2.2)在设计软件中导入标准格式通用模型文件，其中，设计软件可以为满足国网GIM导入功能的各阶段软件，这里主要指的是设计阶段中应用的设计软件；
2.2.3)根据工程实际对选择的通用模型进行调整：包括通用模型中所有部件以及外观；
2.2.4)根据模型参数表，填写初步设计阶段模型参数，得到初步设计阶段三维模型，其中，模型参数表中数据可以从现有通用设备获取。
2.3)根据厂家资料以及建模规范对初步设计阶段三维模型进行调整和补充，得到待搭建电气一次设备的施工阶段三维模型。
具体的，包括以下步骤：
2.3.1)根据厂家资料对得到的初步设计阶段三维模型进行调整，调整内容可以是模型中的所有部件和外观；
2.3.2)根据建模规范对调整后的三维模型进行相关部件和细节的补充；
2.3.3)根据模型参数表，对步骤2.3.2)中得到的三维模型参数进行填写，得到待搭建电气一次设备的施工阶段三维模型。
如图17和图18所示，采用传统方式建模的电气一次设备模型大小大约为几十兆，而采用本方法创建的电气一次设备大小约为几十kb。
通过本发明的方法，建立的通用模型库电气一次设备模型种类与通用设备一致，包括主变压器和站用变、高压并联电抗器、气体绝缘金属封闭开关设备、断路器、隔离开关及接地开关、电流互感器、电压互感器、并联电容器、低压并联电抗器、避雷器、支柱绝缘子、开关柜、35kV穿墙套管、10kV消弧线圈及接地变压器成套装置等，共14类、292种设备，合计426个模型。具体的：
变压器类模型一共有113个模型，其中750kV模型4个、500kV模型12个、330kV模型2个、220kV模型45个、110kV模型32个、66kV模型10个、33kV模型6个、10kV模型2个；
断路器类模型一共有19个模型，其中800kV模型有1个、500kV模型4个、330kV模型3个、220kV模型5个、110kV模型2个、66kV模型2个、35kV模型2个；
避雷器类模型一共有9个模型，其中750kV模型1个、500kV模型1个、330kV模型1个、220kV模型1个、110kV模型1个、66kV模型1个、35kV模型1个、20kV模型1个、10kV模型1个；
电流互感器类模型一共有17个模型，其中500kV模型2个、330kVG型2个、220kV模型3个、110kV模型4个、66kV模型4个、35kV模型2个；
电压互感器类模型一共有9个模型，其中750kV模型1个、500kV模型1个、330kV模型1个、220kV模型1个、110kV模型1个、66kV模型2个、35kV模型2个；
气体绝缘金属封闭开关设备包含GIS和HGIS两大类，GIS类模型一共有91个模型，其中750kV模型有4个、500kV模型4个、330kV模型6个、220kV模型24个、110kV模型33个、66kV模型20个；
HGIS类模型一共有18个模型，其中500kV模型2个、330kV模型2个、220kV模型2个、110kV模型8个、66kV模型4个，等等。
基于上述变电站电气一次设备三维建模方法，本发明还提供一种变电站电气一次设备三维建模系统，其包括：基本图元构建模块，用于确定搭建变电站电气一次设备三维模型所需要的基本图元种类，并采用参数驱动方式对各基本图元进行描述；三维模型搭建模块，用于采用确定的基本图元种类及其描述参数，对各变电站电气一次设备进行搭建，得到变电站电气一次设备的三维模型。
其中，三维模型搭建模块包括：通用模型库构建模块，用于建立变电站通用模型库，所述通用模型库中包含变电站所有电气一次设备的通用模型；初步设计阶段三维模型构建模块，用于根据待搭建变电站电气一次设备的通用设备编号从变电站通用模型库中选择对应的通用模型，并对通用模型进行调整，得到待搭建电气一次设备的初步设计阶段三维模型；施工阶段三维模型构建模块，用于根据厂家资料以及建模规范对初步设计阶段三维模型进行调整和补充，得到待搭建电气一次设备的施工阶段三维模型。
通用模型库构建模块包括：模型分类模块，用于根据通用设备分类原则对所有变电站电气一次设备模型进行分类；参数获取模块，用于获取各电气一次设备的几何信息、属性信息以及包含的功能信息，其中，几何信息包括外形关键尺寸和定位信息，属性信息包括工程基本参数和设计基本参数；模型分解模块，用于根据获取的功能信息将各电气一次设备分为设备主体以及相应的模型部件，其中，模型部件是指待搭建电气一次设备中具有独立功能的部分；同时根据获取的几何信息将各电气一次设备进行层级结构分解，得到各电气一次设备的各子部件，子部件是指能够通过不同种类和数量的基本图元直接搭建而成的部件；通用模型搭建模块，用于采用不同种类和数量的基本图元对各子部件进行搭建，并利用搭建好的各子部件完成对各电气一次设备的搭建，得到各电气一次设备的通用模型。
初步设计阶段三维模型构建模块包括：通用模型选择模块，用于根据待搭建变电站电气一次设备的通用设备编号从变电站通用模型库中选择对应的通用模型；模型导入模块，用于在设计软件中导入标准格式通用模型文件；模型参数调整模块，用于根据工程实际对选择的通用模型的所有部件以及外观进行调整；模型参数填写模块，用于根据模型参数表，填写初步设计阶段模型参数，得到待搭建电气一次设备的初步设计阶段三维模型。
施工阶段三维模型构建模块包括：第二模型参数调整模块，用于根据厂家资料对得到的初步设计阶段三维模型进行调整；参数补充模块，用于根据建模规范对调整后的三维模型进行相关部件和细节的补充；第二模型参数填写模块，用于根据模型参数表，对得到的三维模型参数进行填写，得到待搭建电气一次设备的施工阶段三维模型。
以下以变压器通用模型在初步设计和施工图阶段的应用方法和操作步骤为例对本发明做进一步的介绍，其他模型可参考使用。
实施例一：变压器
对变压器的三维建模包括初步设计阶段和施工图阶段，具体包括以下步骤：
一、初步设计阶段：
(1)如图19所示，根据通用设备编号选择对应的通用模型；
(2)如图20和图21所示，在设计软件中导入标准格式模型文件；
(3)根据工程实际对模型进行调整：
如图22a和图22b所示，模型所有部件和外观均可进行调整，图中以土建接口为例进行介绍。变压器通用模型根据通用设备统一的土建接口要求，建立了相应的土建接口模型示意，用于向土建专业提资，布置设计时可删去，相关土建基础模型由土建专业建模。若实际工程受各种条件限制，不能采用统一的土建接口，则可以修改土建接口后与土建专业配合、提资，布置设计时可删去，相关土建基础模型由土建专业建模。
(4)填写初步设计阶段模型参数
如图23所示，根据模型参数表，填写在初步设计阶段一栏划“√”的参数。
二、施工图阶段
(1)根据厂家资料调整模型外观
根据厂家资料调整模型相关部件和外观。如图24a～图24c、图25a～图25c所示，模型所有部件和外观均可进行调整，下图以套管和油枕为例。
(2)根据建模规范补充模型部件
根据建模规范和厂家资料补充模型相关部件和细节。
如图26a和图26b所示，模型所有部件和细节均可进行调整，下图以变压器本体放油阀为例。
(7)填写施工图阶段模型参数
如图27所示，根据模型参数表，填写在施工图阶段一栏划“√”的参数。
实施例二：断路器
对断路器的三维建模也包括初步设计阶段和施工图阶段，具体包括以下步骤：
一、初步设计阶段
(1)如图28所示，根据通用设备编号选择对应的通用模型；
(2)如图29和图30所示，在设计软件中导入标准格式模型文件；
(3)根据工程实际调整模型
模型所有部件和外观均可进行调整，下图以土建接口为例。
如图31a和图31b所示，断路器通用模型根据通用设备统一的土建接口要求，建立了相应的土建接口模型示意，用于向土建专业提资，布置设计时可删去，相关土建基础模型由土建专业建模。若实际工程受各种条件限制，不能采用统一的土建接口，则可以修改土建接口后与土建专业配合、提资，布置设计时可删去，相关土建基础模型由土建专业建模。
(4)填写初步设计阶段模型参数
如图32所示，根据模型参数表，填写在初步设计阶段一栏划“√”的参数。
二、施工图阶段
(1)根据厂家资料调整模型外观
如图33a～图33c所示，根据厂家资料调整模型相关部件和外观。模型所有部件和外观均可进行调整，下图以断路器机构箱为例。
(2)施工图阶段根据建模规范补充模型部件
如图34a～图34c所示，根据建模规范和厂家资料补充模型相关部件和细节。模型所有部件和细节均可进行调整，下图以断路器本体放油阀为例。
(3)填写施工图阶段模型参数
如图35所示，根据模型参数表，填写在施工图阶段一栏划“√”的参数。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上给出一种具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种变电站电气一次设备三维建模方法，其特征在于包括以下步骤：
1)建立用于搭建变电站电气一次设备三维模型的基本图元模型集合，所述基本图元模型集合包括多种基本图元模型，各基本图元模型由其几何信息和空间变换矩阵唯一确定；
所述基本图元模型集合包括：球体、旋转椭球体、长方体、瓷套\绝缘子、端子板基本图元模型；
各所述基本图元模型的几何信息包括两部分内容：基本图元模型的定义和基本图元模型之间的布尔运算的定义；
各所述基本图元模型的定义指采用“对象+参数”的方式对各所述基本图元模型进行描述，所述“对象”是指各所述基本图元模型的节点名称，用英文表示，且首字母大写；所述“参数”指各所述基本图元模型的驱动参数；且所述“对象”和“参数”之间采用1个空格分开；
各所述基本图元模型之间的布尔运算的定义是指各所述基本图元模型之间的交、并、减运算，用于实现各基本图元模型之间相互运算进而构成三维模型；
各所述基本图元模型的空间变换矩阵采用4*4的齐次矩阵，矩阵采用按行存储方式，且为先行后列的次序存储；矩阵中各元素用于记录基本图元模型建模过程中的各各种位置坐标和空间角度信息，所述空间变换矩阵形式为：
式中，左上部分，即表示三维线性变换部分；左下部分，即tx ty tz，表示三维平移变换部分；右上部分，即/>表示透视变换部分；右下部分，即[s]，表示整体比例因子；
2)获取待搭建变电站电气一次设备的设备结构和具体参数，并根据获取的设备结构和具体参数从步骤1)中建立的基本图元模型集合中选取基本图元模型并进行参数调整，得到待搭建变电站电气一次设备的三维模型。
2.如权利要求1所述的一种变电站电气一次设备三维建模方法，其特征在于：所述步骤2)中，获取待搭建变电站电气一次设备的设备结构和具体参数，并根据获取的设备结构和具体参数从步骤1)中建立的基本图元模型集合中选取基本图元模型并进行参数调整，得到待搭建变电站电气一次设备的三维模型的方法，包括以下步骤：
2.1)建立变电站通用模型库，该通用模型库中包含变电站所有电气一次设备的通用模型；
2.2)根据待搭建变电站电气一次设备的通用设备编号从变电站通用模型库中选择对应的通用模型，并对通用模型进行调整，得到待搭建电气一次设备的初步设计阶段三维模型；
2.3)根据厂家资料以及建模规范对初步设计阶段三维模型进行调整和补充，得到待搭建电气一次设备的施工阶段三维模型。
3.如权利要求2所述的一种变电站电气一次设备三维建模方法，其特征在于：所述步骤2.1)中，建立变电站通用模型库的方法，包括以下步骤：
2.1.1)根据通用设备分类原则对所有变电站电气一次设备模型进行分类和编号；
2.1.2)获取各电气一次设备的几何信息、属性信息以及包含的功能信息，其中，几何信息包括外形关键尺寸和定位信息，属性信息包括工程基本参数和设计基本参数；
2.1.3)根据获取的功能信息将各电气一次设备分为设备主体以及相应的模型部件，其中，模型部件是指待搭建电气一次设备中具有独立功能的部分；同时根据获取的几何信息将各电气一次设备进行层级结构分解，得到各电气一次设备的各子部件，子部件是指能够通过不同种类和数量的基本图元直接搭建而成的部件；
2.1.4)确定各基本图元模型的几何信息参数和空间变换矩阵参数，采用不同种类和数量的基本图元对各子部件进行搭建，并利用搭建好的各子部件完成对各电气一次设备的搭建，得到各电气一次设备的通用模型。
4.如权利要求2所述的一种变电站电气一次设备三维建模方法，其特征在于：所述步骤2.1.4)中，搭建各电气一次设备的通用模型时，对于具有曲面部件及不规则复杂体部件的电气一次设备，搭建方法为：
通过基本图元命令创建单元模型,并设置各单元模型的几何参数值、模型颜色、透明度以及插入点，形成符合尺寸要求的模型单元；
将已创建的模型单元根据空间相对位置进行组合，形成散装的部件模型；
使用长方体对圆环进行布尔实体“求减”，得到圆弧体，再与其他模型进行“求并”命令，最后将散装的其他部件模型合成紧密连接的单个实体，得到通用模型。
5.如权利要求2所述的一种变电站电气一次设备三维建模方法，其特征在于：所述步骤2.2)中，根据待搭建变电站电气一次设备的通用设备编号从变电站通用模型库中选择对应的通用模型，并对通用模型进行调整，得到待搭建电气一次设备的初步设计阶段三维模型的方法，包括以下步骤：
2.2.1)根据待搭建变电站电气一次设备的通用设备编号从变电站通用模型库中选择对应的通用模型；
2.2.2)在设计软件中导入标准格式通用模型文件；
2.2.3)根据工程实际对选择的通用模型进行调整，可调整内容包括通用模型中的所有部件以及外观；
2.2.4)根据模型参数表，填写初步设计阶段模型参数，得到待搭建电气一次设备的初步设计阶段三维模型。
6.如权利要求2所述的一种变电站电气一次设备三维建模方法，其特征在于：所述步骤2.3)中，根据厂家资料以及建模规范对初步设计阶段三维模型进行调整和补充，得到待搭建电气一次设备的施工阶段三维模型的方法，包括以下步骤：
2.3.1)根据厂家资料对得到的初步设计阶段三维模型进行调整；
2.3.2)根据建模规范对调整后的三维模型进行相关部件和细节的补充；
2.3.3)根据模型参数表，对步骤2.3.2)中得到的三维模型参数进行填写，得到待搭建电气一次设备的施工阶段三维模型。
7.一种用于如权利要求1～6任一项方法的变电站电气一次设备三维建模系统，其特征在于其包括：
基本图元构建模块，用于建立用于搭建变电站电气一次设备三维模型的基本图元模型集合，所述基本图元模型集合包括多种基本图元模型，各基本图元模型采用“对象+参数”方式描述，并由其空间变换矩阵唯一确定；
三维模型搭建模块，用于获取待搭建变电站电气一次设备的设备结构和具体参数，并根据获取的设备结构和具体参数从建立的基本图元模型集合中选取基本图元模型并进行参数调整，得到待搭建变电站电气一次设备的三维模型。
8.如权利要求7所述的一种变电站电气一次设备三维建模系统，其特征在于：所述三维模型搭建模块包括：
通用模型库构建模块，用于建立变电站通用模型库，所述通用模型库中包含变电站所有电气一次设备的通用模型；
初步设计阶段三维模型构建模块，用于根据待搭建变电站电气一次设备的通用设备编号从变电站通用模型库中选择对应的通用模型，并对通用模型进行调整，得到待搭建电气一次设备的初步设计阶段三维模型；
施工阶段三维模型构建模块，用于根据厂家资料以及建模规范对初步设计阶段三维模型进行调整和补充，得到待搭建电气一次设备的施工阶段三维模型。
9.如权利要求8所述的一种变电站电气一次设备三维建模系统，其特征在于：所述通用模型库构建模块包括：
模型分类模块，用于根据通用设备分类原则对所有变电站电气一次设备模型进行分类；
参数获取模块，用于获取各电气一次设备的几何信息、属性信息以及包含的功能信息，其中，几何信息包括外形关键尺寸和定位信息，属性信息包括工程基本参数和设计基本参数；
模型分解模块，用于根据获取的功能信息将各电气一次设备分为设备主体以及相应的模型部件，其中，模型部件是指待搭建电气一次设备中具有独立功能的部分；同时根据获取的几何信息将各电气一次设备进行层级结构分解，得到各电气一次设备的各子部件，子部件是指能够通过不同种类和数量的基本图元直接搭建而成的部件；
通用模型搭建模块，用于采用不同种类和数量的基本图元对各子部件进行搭建，并利用搭建好的各子部件完成对各电气一次设备的搭建，得到各电气一次设备的通用模型。
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