引言
变电所是现代建筑的能源中心，相当于人体的心脏，其稳定有效的运行是建筑能正常运转的前提，因此变电所的运维管理是任何建筑运维管理系统中必不可少的核心功能。但在实际运维管理中由于经费、人员（一线运维人员缺乏足够的专业知识）等因素的限制，导致变电所运维管理中存在无法提前预防、问题响应不及时、运维管理工作量大等问题。如何在现有条件下进一步提高运维管理的效率和质量是目前产业界的痛点。本系统引入QTouch跨平台组态软件实时采集变电所运行数据并传输至中控平台，中控平台对数据进行智能处理、分析后通过三维可视化技术将设备的三维模型和内部的电力数据进行一一映射，极大的方便了运维人员直观查看各类电气数据，实时获得故障报警的位置，从而降低运维难度，提高运维质量；QTouch平台还提供了智能数据分析功能，通过对原始数据进行自定义分析，获取高阶运维参数，供运维人员对电网性能进行高阶分析、预测，进一步提高运维质量。上述措施有效解决了传统变电所运维管理的问题，提高了运维效率和质量。
1相关技术介绍
1.1. QTouch跨平台组态软件
QTouch是一种监控组态软件。组态软件是指完成数据采集与过程控制的专用软件，支持多种设备的通信协议，并且提供分布式数据管理和网络功能，可以快速搭建一个友好的人机界面或者开发环境。QTouch 跨平台软件集成了实时数据库、IO 设备通信、图形组态、数据转换、逻辑处理、调试与诊断系统等功能，提供二次开发的软件平台。具有功能强大，协议丰富，简单易用，跨平台支持等特点。
1.2 基于Three.js的3D图形界面
Three.js是一个在Web浏览器中创建和显示3D图形的基于WebGL的JavaScript库，使得通过少量代码就可以在浏览器中渲染出常见模型的三维效果。Three.js中封装了场景、相机、集合、3D模型加载器、灯光、材质、着色器、动画、粒子、数学工具等。Three.js还支持各种渲染技术，例如阴影、反射、抗锯齿和后期处理等。此外，Three.js还支持交互功能，例如鼠标点击、键盘事件和触摸屏手势等。Three.js进行3D图形绘制的流程如下图1所示：
在Three.js中，场景、相机和渲染器是3D图形绘制的基础：场景是所有对象放置和展示的平台；相机决定图形展示的角度；渲染器决定渲染的结果应该画在页面的什么元素上面，并且以什么样的方式来绘制；然后在场景中建立物体、设置物体属性、添加到场景中，最后进行渲染。
图1利用Three.js进行3D绘图的流程 图2. 系统架构图
2.系统架构
系统架构如下图2所示。SmartDAQ数据采集设备将变电所的数字仪表、高压综合继电保护器、各类监控器（包括变压器温控器、直流屏监控器、补偿柜监控器、滤波柜监控器等）、环境监控设备（温度、湿度、空气品质、水浸信号、人体入侵信号、门磁信号、烟雾信号、视频信号等）、视频监控设备等的数据进行采集、解析、转码、传输、分类、存储及处理。 采集的信号一方面通过本地SCADA进行可视化和交互，另一方面通过有线网络/4G网络等通讯方式，将电气设备数据采集并传输到服务端；经过前置通讯服务，对数据进行转发、存盘等。终端用户通过手机APP或Wechat Mini Program等方式编写，同步PC端软件的数据，提供三维模型操作、主要数据显示及实时报警功能。
2.1数据库
系统数据库由实时数据库和历史数据库组成。
实时数据库自动加载电力监控系统及环境监控系统采集的实时数据及由此计算得出的数据，其数值应根据运行工况的实时变化而不断更新，记录着被监控设备的当前状态。包括开关量、模拟量、设备状态量、内部量等，记录了变量的逻辑值、采样原值、运算值、类型标识、状态标识和报警标识等。用户可以远程连接实时数据库进行实时数据的监视，以便对异常数据进行及时的分析处理。
2.2数据的采集与存储
系统中的数据主要分为电力数据和环境监控数据。
电力数据采集的对象包括数字仪表、高压综合保护器、各类监控器、通讯管理机、能管系统后台等，系统后台提供以太网信号，其余提供RS485信号。采样频率根据仪表、监控器、网络系统等的硬件条件确定，不低于硬件设备的速率，尽量做到硬件允许条件下的最高速率。并保证软件数据的刷新率达到秒级。数据的读取、转码、运算均由边缘计算盒完成。
环境监控数据采集的对象包括变电所的温度、湿度、空气品质、水浸信号、人体入侵信号、门磁信号、烟雾信号、视频信号等。
3.系统实现
铁路客站的变电所基本上都是按照无人值守设计，特别是大中型客站，变配电所数量多且位置分散。传统的电力运维方式存在很大的问题，如报警反应不及时，无法准确判断故障点，故障处理时间长等。引入变电所三维可视化运维管理系统，可大大提高铁路站房的电力系统运维管理效率，增强电力系统的可靠性和安全性，系统包含如下几个模块：
3.1三维模型构建
通过现场勘测和数据采集，构建高铁站变电所的三维模型。模型包括建筑三维模型及电气设备三维模型，电气设备包括变压器、高压柜、环网柜、直流屏、低压柜、补偿滤波柜等，并准确反映其位置和连接关系。构建完成后配电房的三维模型如图3所示。
图3配电房三维模型图 图4配电柜数据的可视化展示界面
3.2数据采集与展示
通过对变电所的电气图纸分析和实地勘察，制定数据采集方案，进行采集器和边缘计算盒的选型，施工安装，QTouch工程配置；通过有线网络/4G网络等通讯方式实时采集配电房内各个设备及抽屉回路的运行数据，这些数据将与三维模型进行关联，实时展示在系统界面上。QTouch平台对配电柜数据的可视化展示界面如下图4所示。
3.3故障诊断与预警
利用qtouch组态软件对各回路指标参数进行报警配置。边缘计算服务器实时采集数据进行分析，将满足报警设置的指标上报到服务端，最终通过界面三维模型直接展示在具体的设备或抽屉回路上；并通过报警等级、报警方式等设置自动给运维人员发送短信，提醒运维人员采取相应措施。故障报警详情页展示图如图5所示。
图5故障报警详情页展示 图6设备资产管理和维护详情页
3.4设备管理与维护
系统提供设备管理功能，记录设备的运行状态、维护记录和维修计划。运维人员可以通过系统进行设备巡检、维护和维修工作的安排，提高设备管理的效率和准确性。界面如图6所示；
3.5数据分析与优化
系统可以对历史数据进行分析和挖掘，帮助高铁站发现潜在的问题和优化机会。通过对电力系统的能耗、负荷等数据进行分析，提出节能减排和优化配电方案的建议。包含用电分析和电能管理，具体包括电力极值分析、同比环比分析、分类分级负荷统计、电能质量分析、电能分期统计、电能指标分析、电能需量预测、碳排放计算等功能。
4. 总结和展望
三维可视化变电所运维管理系统利用QTouch软件支持跨平台操作，可移植性高，支持多种操作系统。数据链接传输速度快，可以在前端实现边缘计算和智能报警，收发短信给运维的各层工作人员，后台实现存储和大量计算工作。此外，系统还可以根据负荷情况和电力需求预测，提供合理的配电方案，确保电力供应的稳定可靠。同时也可以降低运维的能耗成本，进一步增加系统的经济效益。
参考文献
[1] 蔡利民，黄媛，陈涛，等. QTouch组态软件控制技术及应用［M］.武汉：华中科技大学出版社，2016.
[2] 王占刚，朱希安，等. 空间数据三维建模与可视化［M］.北京：知识产权出版社，2015.
[3] 焦日升，等. 智能变电站运维与监控［M］.北京：中国电力出版社出版，2017.
[4] 杨家全，冯勇，李跑，等. 电力监控系统网络安全运维技术与实践［M］.西安：西南交通大学出版社，2021.
[5] 倪逸. 基于虚拟仪器的电能质量分析仪的设计研究[M]. 华中科技大学. 2020.