1、 2020-1-以 光 伏 电 站 为 例：探 讨 G-BIM 与 VR 技术在能 源 互 联 网 建 设 中 的 应 用 与 前 景 张鹏远1，赵健2（1.2.中 国 华 电 科 工 集 团 有 限 公 司，北 京 市 丰台区 100160）Taking photovoltaic power station as an example:G-Bim and VR technology are discussedApplication and prospect of energy Internet construction ZHANG PengYuan1,ZHAO Jian2(1.2.China
2、 Huadian Engineering Co.Ltd,Fengtai District,Beijing 100160,China)摘要：作为能源可持续发展最 具前瞻的趋势之一能源互联网，其基本构架分广域网，局域网和基础设施三个层面。基础 设施 是能 源互 联网 获取 信 息的 基础，在 此阐 述的 系统 采 用基 于企 业服 务总 线(ESB)的 中 间件 技术 和分布式网络的硬件拓扑结构将电站设计、建设、运行数据的采集、存储、显示有机结合在一起，结合 GIS 与 BIM技术获取信息，并采用 VR 技 术在画面中再现电站建设、运行、维护的虚 拟场景，以榆社光伏电站全生命周期完整性管理为核心，
3、以数字化共享平台为基础、工程编码为纽带，将可研、设计、施工建设阶段的资料与地理信息集成入库，进行统一的分类、整合，无风险地实现电站 与相关单位信息共享，实现榆社电站建设周期内数字化成果的移交及运营期电站资产的完整性管理，最终提高电站全生命周期的管控水平。以新能源光伏电站为例以小见大，通过前期开发至项目并网运行管理全过程的研究，结合已取得的 G-BIM 与 VR 一体化集成技术的智能光伏相关的数个软件著作权，正在利用本项目体量小、能落地、易实施、可推广，并可进一步融入并 应用于化石能源互联网的特点进一步实施与探索。关 键词：BIM；VR；光伏电站；能源互联网 Abstract:Energy In
4、ternet is one of the most forward-looking trends of energy sustainable development,it s basic framework divides into wide area network,local area network and infrastructure three levels.Infrastructure is the basis for information on the energy Internet,the system described here USES the middleware t
5、echnology based on the enterprise service bus(ESB)and the hardware topology structure of distributed network to organically combine the power station design,construction and operation data collection,storage and display,Combining GIS and BIM technology to obtain information,and using VR technology t
6、o reproduce the virtual scene of power station construction,operation and maintenance in the picture,With the whole life cycle integrity management of Yushe photovoltaic power station as the core,With digital sharing platform as the foundation and engineering code as the link,Data and geographic inf
7、ormation of feasibility study,design,construction and construction stage are integrated into storage,unified classification,integration,risk-free information sharing between the power station and relevant units,to realize the handover of digital achievements in the construction cycle of yushe power
8、station and the integrity management of power station assets in the operation period,the control level of the whole life cycle of the power station should be improved.See big things through small ones which take new energy photovoltaic power station as an example,through the research of the whole pr
9、ocess from the early development to the project grid-connected operation management,combined with several software Copyrights related to the intelligent photovoltaic technology of g-bim and VR integration technology,the project is being further implemented and explored by taking advantage of its sma
10、ll size,landing ability,easy implementation,popularization,and further integration and application in the fossil energy Internet.Keywords:BIM;VR;photovoltaic power station;energy internet 2020-2-0 引言 在多能 入网、信 息互 联的 现代，如何 科学调用 各种 技术 手段 获取 的信息 尤为 关键，分类信 息、使用 信息、科 学统计 并应 用到 不同特点 的能 源智 能管 理中 去，以 太阳 能发 电
11、为例，综合 应用 GIS、BIM 与 VR 技 术，在已有的 光伏 变电 站开 发、建设、管理 和运 维过程中 科学 融入，并 提出 了一整 套理 论，目前在运 维实 践中 仍在 不断 的摸索，改 进。1 能 源 互 联 网 中 的 信 息 传 递 1.1 概念、范畴 能源互 联网 是能 源行 业的 生产、传送、储存、消纳 与互 联网 行业 理念和 技术 的智 慧融合，对于 新能 源行 业来 说更是 一种 行业 发展进步 的新 形态。针 对能 源行业 来讲，一 则是包含 变电、输电、配电 的变电 站及 输配 电线路组 成的 电力 网，一 则是 包含分 布式 电源、储能及 能量 转换 装置、负
12、荷、监 控和 保护 装置等组 成的 小型 发配 电微 网；针 对互 联网 行业来讲，其 基本 构架 分广 域网，局域 网和 基础设施 三个 层面。1.2 研究内容 以光伏 发电 项目 为基 础，在 项目的 规划、设计、施工、运 营维 护全 生命周 期内，应 用GIS、BIM 与 VR 技 术获 取相关 信息，融 入ESB 并 进行 流通 和共 享，在互联 网 中 定义 为基础设 施层 面，在电 网中 归属于 电网 或微 网中的一 个全 息节 点。能源 互联网 正因 为在 全息基础 设施 建设 中更 加完 善，才 能在 下一 步局域网 甚至 广域 网中 游刃 有余的 互联（遴选、分析、统计、分
13、配数 据）。2 数 据 匮 乏 的 现 状 与 解 决 思 路 2.1 当前能源互联网流通数据的匮乏 以光伏 电站 为例，长 期以 来，光 伏电 站在全 生 命 周 期 管 理 过 程 中 由 于 缺 乏 基 于 完 整 性的数字 化管 理，给设 计、建设以 及后 期的 生产运营带 来不 便。首先在 光伏 电站 选址、可 研规划 方面，在考察项 目地 形及 屋顶 资源、周边 环境 条件（交通、物 资 采 购、市 场 的劳动 力、道 路、水 电）后出具 评估 报 告，由 于缺 乏 GIS 系 统的 有效 支持，纸 质 化 的设 计 成 果审查 方 式 复 杂、耗 时；各 专 项 设 计 任务 相
14、 对 独立，专 业 衔 接 不到 位，不 能 进 行 综 合 评 审、不 能 有 效 避 免 设 计 缺 陷（如：征地 图与 勘测 定界 图不一 致），易造 成后期施 工变 更。其次，设计 方面，设 计成 果无法 进行 共享与交互，导 致设 计工 期延 长；同 时，由 于缺 乏数字化 共享 平台，数 据成 果不能 有效 应用 于电站运行 期，造成 资源 浪费。再者，在建 设和 电站 改造 优化过 程中，由于缺乏“模拟”的 科学 协作 平台，无 法将 工程 设计规划 成果 以及 建设 后的 全貌进 行直 观、形象的展示，无 法将 设计 数据 进行真 实模 拟、有效性检查 和 安 装碰 撞试 验。
15、因设计 缺陷、施 工条件考虑 不周（如 进场 道路 规划与 选择、开 关站引接电 源、开关 站引 接 水 源等问 题）导致 额外征地、工程 工期 延长 等问 题给发 电企 业带 来巨大损失。最后，在电 站运 营过 程中，缺乏 健全 的设备缺陷 管理 及可 视化 应急 管理系 统，缺乏 统一支撑平 台，各级 部门 不能 进行协 同管 理，形成信息孤 岛。基于上 述问 题，研究 和采 用新技 术对 光伏电站进 行全 生命 周期 管理，替代 传统 的管 理模式，使 电站 在规 划、建设 与运营 管理 步入 规范化、自 动化、科学 化的 轨 道，已 成发 电企 业当务之急。2.2 实际案例提供解决思路
16、的参考与实践 立足榆 社 2 万千 瓦分 布式 发电项 目，结合当前光 伏电 站在 建设、运 营过程 中存 在的 问题，进行专 项研 究，为华 电科 工集团 公司 乃至 光伏电 站 行 业 领 域 探 索 出 一 种 科 学 有 效 的 建 设 及管理模 式。本 项目采 用 GIS、BIM、VR、一体化集成 等技 术和 理念，将 电站的 空间 信息 数据、可研成 果、施工 图成 果、设 备数据、建 设数 据、运 行 数 据 载 入 到 统 一 的 系 统 平 台 中。在 可 研/设计期，实 现纸 质成 果的 电子化、可 视化，电站选址 与地 质、环境、风 险点和 敏感 点等 地理数据进 行整
17、合，为征 地方 案编制、专 家会 审提供支持。在 建设 期，实现 工程设 计规 划成 果以 2020-3-及建设 后全 貌的 直观、形 象展 示；实 现各 类施工数据 的填 报、审核、校 验，方 便运 营期 管理对信息 的“追本 溯源”，同 时对设 计数 据进 行真实模拟、有 效性 检查 和设 备安装 碰撞 试验。在生产运 营期，可 集成 开关 站计算 机监 控、光伏系统监 控、光功 率预 测和 环 境监测、火 灾报 警、图像监 视及 安全 警卫、电 站巡检、文 档管 理等系统，实 现“管 理运 营情 景 化”以 及电 站无 人值守，协 助各 级单 位对 电站 现场进 行统 一协 调管理，全
18、面提 升各 管理 部门 的监管 水平 和监 管效率，增 强电 站管 控工 作的 可视化、统 筹分 析判断、科 学动 态指 挥和 快速 反应处 置能 力。3 ESB 架 构 下 电 站 特 色 框 架 的 建 立 系统平 台总 体 框 架分 为五 个层次，分 别是物理 层、数 据层、平 台层、应 用 层、用户 层，另外包 括两 个保 障体 系：标准体 系和 安全 体系。物理层包 括 手 持 终 端、数据 链 路、网 络、防火墙、数 据库 服务 器及 Web 应 用服 务器 等，构成了 整个 系统 的物 理基 础。在数据 层建 立统 一的 数据 模型，以规范 设计单位、施 工填 报、运营 数 据输
19、入 的数 据类 型、格式，用于 存储 电站 的基 础地理 数据、属 性数据、设 计、施工、运 营相 关的数 据。支撑层基于 SOA 思 想，实行分 层设 计，软件开 发基 础框 架主 要有 用户管 理、权限 管理、流程管 理和 日志 管理 等软 件基础 模块。能 够满足 电站设计 管理 系统与其它 业 务 系 统 的 集成、关键业 务数 据的 共享 的需 求，实 现充 分 利 用各阶段的 数据 成果，并 为业 务应用 提供 底层 技术支撑。应用层结合电 站 建 设 过 程各 个 阶 段 需 求，对 可 研、设 计、施 工、运营 等 业 务 进 行管 理，实现电 站全 生命 周期 的完 整性管
20、理。用户层 包括 设计 人员、采 购人员、施 工人员以及 管理 人员 等。4 光 伏 电 站 数 字 化 基 础 平 台 的 搭 建 4.1 三维可视化平台 三维可 视化 平台 主要 由场 景编辑 器、动画编辑器、场 景浏 览器、辅 助工具 集、基于 BIM理念的 虚拟 建设 工具 等五 部分组 成。4.1.1 场景 编辑 器 用于电 站三 维全 息化 场景 的构建，包 含支持多种 格式 模型 数据 导入（三 维 MAX 模 型或PDMS 模 型），显 示对 象 编辑等 功能。4.1.2 动画 编辑 器 包括电 站流 程编 辑、漫游 编辑、动画 案例编辑等 功能。4.1.3 场景 浏览 器 供
21、用户 方便 浏览 电站 三维 模型、三维 地理信息，主要 包括 地面 剖切、空间 分析、光照 管理、天 气管 理等。4.1.4 辅助 工具 集 主要包 括地 形生 成、模型 导出、模型 拆分以及矢 量配 图工 具等。4.2 资料采集清单 厂区平 面布 置图、设 备管 线布置 图，单管图，三 维图、工 艺流 程图 纸、配 套手 册、机械设备图 纸、配套 手册、仪 表 图图纸、配 套手 册、土建图 纸、配套 手册、水、热工 图纸、配 套手册监控数据点表及监控点 位编码、设计 KKS编码列 表、设备 编码 表、单 管图及 管线 装配 图、配套手 册、操作 维修 手册、剖切 设备 的设 备结构图纸、零
22、 件照 片（内 部 零件的 详细 信息，包括零件 位置、形 状、尺寸 等；）、设 备工 作原理详细 介绍，最 好是 有工 作原理 示意 视频、设备结构 图纸、内 部零 件的 详细信 息（尤其 是拆装涉及），包括 零件 位置、形状、尺 寸等。设备安装拆卸:设 备 的 结 构 图、内 部 零 件 的 详 细信息，包括 零件 的位 置、形状尺 寸等；设 备零件各个 角度 的照 片；设备 拆卸、安装 的详 细步骤（细 化到 螺栓 级别）。DWG 电子图、PDF 格式图 纸、三 维设 计资料（PDS、PDMS、PLANT 等 三维 设计 软件的设计资 料，根据 提供 的资 料的不 同，三维 场景更新改
23、造的 进度 和精 细度 不同），还 包括 图标文档类 数据，包 括但 不仅 限于：设备 清单 列表（厂区 设备 台账、安 全阀 台账、仪表 台账、连锁 阀、调 节阀 台账）、厂内 消 防设 施分 布 表、火气探 测系 统分 布图 表、工业视 频摄 像头 分布图表等。4.3 平台开发流程 2020-4-基于三 维 GIS、BIM 技术 理念的 三维 可视化 平 台 开 发 分为 五 步，即：场 景 编 辑 器开 发、动画编 辑器 开发、场 景浏 览器开 发、辅助 工具集开发、调 用 BIM 模型。4.3.1 场景 编辑 器开 发 用于三 维全 息化 场景 的构 建，包 含数 据导入，显 示对 象
24、编 辑等 功能。4.3.2 动画 编辑 器开 发 主要包 括流 程编 辑、漫游 编辑、动画 案例编辑等 部分，各 部分 的具 体内容 如下：1）流程编辑：工 艺 流 程 的展 示 是 本 平台的一个 特色 功能，该 功能 通过全 息化 的展 示手段，直 观、详 实的 展示 介质 的走 向、流经 设备等工艺 信息。流 程的 具体 元素编 辑包 括：管线流动、设备 触发、模 型半 透、背 景音 乐、流程引用、流程 播放、相 机脚 本编辑 等。图 1 场景编辑器界面 2）漫游编辑：平台提供 在三维场景中漫游浏览 的功 能，这是 三维 全息化 系统 必备 的一个功能。而 根据 是否 存在 用户交 互，
25、漫游 功能又分为 交互 式漫 游和 自动 漫游。自动 漫游 又称为脚本 漫游，即 通过 预先 编辑漫 游路 线、漫游视角，生成 并保 存成 漫游 脚本，在需 要的 时候通 过 读 取 并 执 行 漫 游 脚 本 自 动 控 制 相 机 在 场景中漫 游浏 览。自动 漫游 功能，是三维 环 境介绍的有 效方 式，同时 配以 动画和 声音 介绍，更是展示 企业 面貌、介 绍企 业工艺 等的 最佳 途 径。3）动画案例编辑：通过动画 案 例 编辑工具，用 户可 以方 便快 速的 编辑生 成一 个以 时间线为基 础的 动画 案例，其 中可以 包括 人物 动画、车辆设 备等 的运 动、各种 设备信 息的
26、 展示、火灾特效 等等。动 画案 例编 辑的结 果，可以 替代视频播 放，成为 企业 宣传、应急救 援方 案演 示、设计方 案演 示的 有效 手段。4.3.3 场景 浏览 器开 发 提供场 景浏 览器，供 用户 方便浏 览三 维模型、三 维地 理信 息。场 景 浏览器 功能 包括：模型拆分、地 面剖 切、空间 分析、全屏 切换、挂件 管 理、动 画播 放 器、桌面 推 演、光 照管 理、天气管 理、案例 编辑 等。其中，空间 分析 包含坐标量 算、直线 距离 量算、水平 距离 量算、高度量算、地 表距 离量 算、截面积 量算、断 面分析、视域 分析、通 视分 析、清 除测 量结 果 等。4.3
27、.4 辅助 工具 集开 发 本平台 辅助 工具 包括 地形 生成、模型 导出、模型拆 分以 及矢 量配 图工 具等，各部 分的 具体内容如 下：1）地形生成。在 三 维 可 视化 模 拟 分 析 平台 中，需要 处理 地形，为 了方便 编辑 人员 进行操作，平台 提供 了一 个切 图工具，此 工具 是命令行模 型和 UI 模型并存 的。三 维切 图的 流程如图 2 所示。图 2 三维切图流程 2）模型导出。平台在内建于OpenSceneGraph 引擎的模型格式之 上建立自定义模 型数 据文 件格 式，文件格 式支 持数 据压缩与加密保护。同时，提供基于三维-Max 的导出插 件，用于 将 M
28、ax 制作的 模型 导出 成平台支持 的数 据格 式。3）模 型拆 分。为 了支 持程 序功能 的实 现，关键设 备模 型需 要在 系统 中独立 存储，即 每个关 键 设 备 模 型需 要 独 立保存 成 一 个 模 型文 件。由 于 模 型 制 作 人 员 不 可 能 准 确 把 握 关 键 设 备的划分，因 此模 型制 作时 并不考 虑关 键设 备单独保存 的问 题，只要 按照 要求对 整个 场景 模型影像数据 地景构建工具 成果瓦片 2020-5-分组导 出即 可。关键 设备 的拆分，由 实施 人员根 据 现场 实际 情况，通 过模 型 拆分 工具 完 成。4）矢量配图。预 处 理 后
29、的矢 量 数 据 要 想在 三维 地 理 信息 系 统 里具有 合 适 的 可 视范 围、线宽、显示 颜色 等，需要 借助矢 量配 图工 具的编辑功 能。该工 具加 载矢 量数据 生成 图层，编辑 图 层 显 示 属性，生 成图层 文 件 和 配 图文 件，图 层 文 件 和 配 图 文 件 可 以 被 场 景 搭 建 工 具 加载到三维 系 统中。4.3.5 调用 BIM 模型 通过既 定的 通讯 协议，调 用 BIM 模型，进行电 站虚 拟建 设及 虚拟 改造。图 3 整合模型协同内容 图 4 三维模型整体 图 5 构件放大图示 5 单 站 协 同 管 理 与 多 站 云 平 台 互 联
30、5.1 单站协同管理 智能变 电站 协同 创新 平台 提出基 于数 字化智能 测试 仪、对时 装置、合并 单元、智 能终端、数字 化继 电保 护装 置、网 络设 备、智能电能 表、互 联 网 APP、电力网 信号 仿真 软件等设 备和 技术，组 建包 含智能 电网 发电、输电、变电、配 电、用电 和调度 6 个 环节，实现对 信息 数字 化、通信 网络化、规 约标 准化的智 能电 网的 全面 物理 模拟。可实 现数 字化继电 保护 装置、合 并单 元、智 能终 端、智能电表、通 信及 网络 设备 等设备 的原 理、配置、功能调 试、接口、通信 规约调 试等 内容；可对三 层两 网、通信 及网
31、络设备、IEC61850规约、智能 化电 网调 度等 内容进 行学 习、测试和研 究分 析；可进 行智 能电网 故障 复现；可完成 各类 智能 设备 的检 修、维 护实 训。5.2 多站云平台式集控中心 图 6 变电站电力云平台功能模块 6 创 新 理 念 和 技 术 6.1 三维 GIS 与 BIM 结合 BIM(建筑信息 模型)，以 建筑工 程项 目的各项 相关 信息 数据 作为 模型的 基础，进 行建筑模 型的 建立，通 过数 字信息 仿真 模拟 建筑物所 具有 的真 实信 息。它具有 可视 化，协调性，模拟 性，优 化性 和可 出图性 五大 特点。2020-6-BIM 自 1975 年
32、提 出 45 年 来得到 快速 发展，颠覆了 传统 的制 图技 术，成功实 现了 设计 方法的转型。但由于缺乏空间位置信 息，BIM技术的 应用 大多 都局 限于 大型复 杂建 筑工 程，限于局 部应 用。图 7 GIS 地形分析 传统的 GIS 领域 看重 宏观 环境与 地理 空间信息 的相 关应 用，加上 普通建 模成 本太 高而且生成的建筑模型都 是“空壳”，所以三维GIS 更多停 留在 浏览 查看 和简单 的浏 览外 部方面。虽然 BIM 在国 内的应用现在 还不是 很多，但是 BIM 与三维 GIS 结合所 带来 的思 路转变，成本 的降 低以 及效 率的提 高已 经得 到广泛关 注
33、。6.2 虚拟现实技术 在建立 了具 有动 态景 观漫 游和电 站可 视化展现、模 拟平 台的 基础 上，利 用计 算机 图形学、VR 技术、多媒体技术、计 算机网络技术，使人 能够 沉浸 在计 算机生 成的 虚拟 境界中，实现 对光 伏电 站全 范围的 漫游。场 景漫游是 增加 三维 景观 真实 感的重 要手 段，一般是在 专业 的虚 拟现 实平 台上采 用实 时渲 染技术，通过 将场 景中 的点、线、面进 行坐 标变换和 旋转 来实 现复 杂场 景漫游，为 智能 光伏电站 全生 命周 期管 理提 供技术 支撑。6.3 系统集成技术 要实现 数据 信息 展示、实 时数据 监控、视频管 理等
34、功能，需 要采 用面向 服务 的体 系架构（SOA）,建 立榆 社电 站服务 总线 进行 系统通 信 和数 据交 互。支 撑平 台包括 集成 总线、数据交 互接 口、图形 接口、可视 化接 口等。6.4 运维期光伏板缺陷热成像检测应用 图 8 模块故障-发电单元裂纹 图 9 成像拼接模式 系统集 成的 最大 问题 在于 让不同 语言、不同建 模方 式的 软件 系统 协同工 作，完成 特定的任 务，同时 保证 重构 后的系 统有 一定 的可靠性 和灵 活性。对 于电 力运营 管理 系统 而言，对 不同 硬件、不 同操 作系统、不 同支 撑平台以 及不 同厂 家产 品进 行集成，不 仅需 要组件的
35、 互操 作机 制，更需 要定义 组件 之间 的公共信 息模 型和 组件 接口 规范。本次 研究 重点是利 用一 体化 集成 技术，使三 维平 台与 电力业务 管理 系统 数据 对接。7 结论 1）GIS 对建设环 境的 信息 提取与 分析，在光伏 电站的建设期以 及后期结 合 BIM 信息模型 获取 的电 站信 息起 到了举 足轻 重的 作用。2）BIM 信 息模型对光 伏变电 站自身的建筑、设备 等信 息的 存取、调用 以及 直观 展示从实 践中 证明 了十 足的 优势。3）VR 技术 完美 升级 了固 定视频 监控 的传统模 式，利用 虚拟 现实 技 术调 用 GIS、BIM的信息 在后
36、期运 维阶 段大 大降低 了真 人巡 检频率，在小 型的 光伏 电站 中虽然 不够 明显，但为 其 他大 型电 站提 供了 一定的 借鉴。2020-7-4）5 层 框架 系统 平台 的成 功搭建，在 电站各生 命周 期初 步实 现了 数据的 传输、分析，为多站 互联 奠定 了整 体的 框架基 础。现有的 上述 技术，目 前在 实践运 用中 均各自涵 盖了 不同 领域，成 为获取 信息、分 析数据、提质 增效 的有 力工 具，但 如何 应用 在能源行 业互 相促 进，发挥 实效，如何 在单 体变电站、发 电厂 的初 步应 用的基 础上 对地 区的多电 厂、多类 能源 发挥 作用而 形成 真正 意
37、义的能 源互 联网，还 需要 更进一 步的 实践，将理论 一步 步大 胆的 应用，才是 推动 能源 互联网发 展的 源动 力。参 考 文 献 1 孙宏斌 能 源互 联网 科 学出 版社，2020 2 刘振亚 全 球能 源互 联网M 北 京：中国电 力出 版社，2015 3 马林兵 Web GIS 技术 原理 与应 用开 发（第三 版），科 学出 版社，2019 4 任兵BIM+PPP：项目 全生命 周期管 理实务与 操作案 例，中国市场 出版 社，2018 5 向春宇 VR、AR 与 MR 项 目开 发实 战，清 华大 学出 版社，2018 6 北京华 思维 泰克 科技 有限 公司 组 BIM 数 据集 成驱 动可 持续设计，2000 7 Rafael Sacks,Chuck Eastman,Ghang Lee,Paul TeicholzFormat Hardback Bim Handbook（3）Rafael Sacks，John Wiley，2018 收稿日 期：2020-10-20；作者简 介：张鹏远（1979），男，山东平 阴，本 科，高级工程 师，研究 方向：土木工程，GIS，BIM 应用。通信作者，E-mail：。赵健（1982），男，河北新城，本科，工程师，研 究方向为 计算 机 系 统，互 联 网，系 统 研 发 E-mail：。
