Research on the Digital Maintenance and Hoisting Operation Deduction Technology of Pumped Storage Power Station Unit

Zhi-ping HU; Cheng-hua ZHANG; Zhi-huai XIAO

China Rural Water and Hydropower ›› 2021 ›› (3) : 168-172.

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Abstract

The structure and maintenance process of pumped storage units are complex. Based on digital technology， a digital maintenance platform is built for pumped storage units and realizing the hoisting and deducing of units are hot topics in the field of intelligent maintenance. In this paper， the digital lifting technology is put forward， and the lifting operation scheme of the unit is previewed by means of digitalization of the operation process and visualization of risk warning. Through the integration of multi-source data of the equipment with three-dimensional digital model， the two-dimensional lifting simulation service and spatial data analysis service are generated， and the digital maintenance lifting operation platform of the unit is built to realize the lifting operation simulation and two-dimensional and three-dimensional scene linkage. And risk identification makes the hoisting operation process have traceability and risk predictability， and assisting the decision of the best operation plan， improving the quality and efficiency of the maintenance operation of pumped storage units， has a good engineering application value.

Key words

pumped storage / 3D digitization / exercise deduction / risk early warning

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Zhi-ping HU , Cheng-hua ZHANG , Zhi-huai XIAO. Research on the Digital Maintenance and Hoisting Operation Deduction Technology of Pumped Storage Power Station Unit. China Rural Water and Hydropower. 2021, 0(3): 168-172

1 概述

抽水蓄能电站作为电力系统重要组成部分，因其跟踪负荷迅速、启停灵活、削峰填谷的运行特性，对于提高电力系统安全稳定运行水平，保证供电质量具有重要作用，已逐步成为电力系统不可或缺的一环^［1，2］。由于蓄能电站机组按可逆式设计、工况转换频繁，加之受机械振动、水力激振、电磁干扰等耦合因素综合影响，机组的结构及检修过程较常规水电机组呈现高复杂特性，充分分析抽水蓄能机组检修作业全过程信息，通过数字化、信息化手段开展机组吊装预演，对于提升机组检修智能化水平具有重要意义。

目前，三维仿真技术和数字化技术在水电行业得到了广泛应用，已有很多专家学者对设备三维建模、检修三维仿真、运行可视化仿真等技术进行研究，在水轮机、发电机、变压器、调速器、球阀、水工建筑^［3-8］等主辅系统的仿真模拟与培训领域取得了不少成果，在水电站检修三维数字化方面仍以二维或三维模型动画为主的检修过程仿真为主，尚未达到达到在虚拟环境中的开放式交互检修预演要求，且抽水蓄能电站检修过程中机组吊装任务多，起吊频繁，工期紧、任务重，加之地下洞室复杂空间结构，给传统三维仿真模型在检修全过程的适用性与可靠性带来了更高的挑战，另一方面，传统三维仿真关于检修时间、空间、资源、风险可见性等方面数字化能力表达、检修互动性等方面十分不足，管理决策级应用欠缺。

鉴于此，针对当前检修交互性差、数字化能力不足等问题，本文基于三维数字化技术、信息融合技术等关键技术，解决设备三维数字化模型表达、检修数字化作业规范及吊装作业预警决策应用等技术难点，通过三维数字化模型融合设备多源数据生成二三维吊装推演服务和空间数据分析服务，搭建机组数字化检修吊装作业推演平台，实现吊装作业仿真二三维场景联动和风险辨识，使得作业人员能够动态、直观了解检修吊装关键信息，辅助决策最优作业方案，提升抽水蓄能机组检修吊装作业质效，探索机组检修数字化作业模式，推进抽水蓄能电站数字化转型。

2 总体架构和关键技术

2.1 总体架构

抽水蓄能电站机组数字化检修吊装作业推演平台总体功能架构如图1所示。

Fig.1 Platform functional architecture

图1 平台功能架构

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数据层：三维数字化模型及相关数据均保存在数据层中，不仅包括检修机组设备数据、设备场景资料库、典型案例库，还包括行业标注、规范及校核标准等；

服务层：包括三维建模、仿真平台建立的各种软件技术、业务逻辑以及网络通讯协议等；

应用层：应用层连接软件操作平台与逻辑处理系统，实现模型调用操作、作业推演操作等功能。

机组数字化检修吊装作业推演平台网络架构如图2所示。

Fig.2 Platform network architecture

图2 平台网络架构

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机组数字化检修吊装作业推演平台整体采用C/B/S架构，通过构建三维精细化模型，融合电站多源异构信息（台账信息、设备特性参数、安装图档、工艺流程等），建设基于精确空间、基于三维模型、基于二维多视角、面向检修吊装业务的数据分析、展示以及作业风险管控一体的多维吊装作业虚拟仿真系统。图2中信息管理系统一集成维护电站原有设备多源信息，包含预警规则预设和吊装作业任务发布，检修作业人员通过多维吊装作业虚拟仿真系统自主开展作业推演，搭建检修吊装虚实同景世界，实现作业过程风险识别、自动预警及轨迹分析等功能，最大化减少人因失误，优化作业流程，辅助检修人员对任务进行管理决策，提升电站整体的检修管理能力和智能化水平。

2.2 技术路线

平台主要技术包括了：虚拟现实技术、激光点云扫描技术、多源信息融合技术、虚拟仿真培训技术^［9-13］。首先，采用激光点云扫描技术进行抽水蓄能电站抽象化表达，实现蓄能电站内场景的各类型设备、现场布局、地下洞室实际结构等全息采集，另一方面，收集现场实际素材采集及设备结构图纸，通过3dmax及U3D引擎，实现对蓄能电站现场三维场景及设备信息的三维实景精确重构，利用信息管理系统融合多系统多源数据为一体，以精确真实重构的三维实景，结合二三维多视角分析，开展现场吊装作业的决策、精确评估、开放性推演，实现智能监测分析、作业过程风险识别、自动预警及轨迹分析，从而构造一个与实物设备相对应的复杂多维作业推演系统。平台技术路线如图3所示。

Fig.3 Platform technical route

图3 平台技术路线

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2.3 关键技术

作业推演的关键是建立整个电站内设备与建筑物的精确物理空间位置与尺寸大小，建立零部件三维精细化模型与多维数字化模型及电站厂房精确空间尺寸全景模型。其核心在于针对电站检修现场作业推演所涉及的场景、设备、工器具等，结合作业预案、流程与规范进行分析并推演，不断对参与作业的设备、工器具、建筑物模型与厂房三维实景模型进行设备吊装状态感知、作业流程与风险实时分析、路径智能规划、作业方案精准执行，实现抽水蓄能电站机组大修吊装全过程要素的可控、能控及在控。本次作业推演平台通过unity3d来实现状态感知、作业流程与风险实时分析、路径智能规划、作业方案精准执行的功能。

2.3.1 三维数字化逻辑模型设计

传统抽水蓄能电站厂房三维全景模型主要用于现场认知、培训等用途，普遍有着空间特性表现能力差、结构数据分析缺乏、交互性差等局限性，无法支撑机组检修吊装作业策划，精细化的机组及厂房三维模型必须以规范、准确的信息数据为参照，因此，在对场景及设备零部件进行建模前就要根据这些数据理清设备零部件、设备整体和厂房洞室相互之间的关系，此外还包括设备特性参数、安装图档、工艺流程等多维信息融合，定义其精细化的数字逻辑模型KKS规范化表示如下：

D L M = {K K S, G M, P M, T P, D W}

（1）

式中：KKS标识设备模型唯一编码，用以标识各类设备及其零部件；GM表示为设备及零部件几何精细化三维模型；PM表示为设备性能、参数等多维信息模型；TP表示为工艺流程；DW为设备图档。

参照式（1）规范化定义，三维数字化建模主要流程如下：以设备KKS编码作为索引，几何精细化三维模型GM为基础，梳理设备出厂、安装及运行过程信息，构建多维信息模型PM，结合式（1）数字化逻辑模型DLM设计，将设备编号KKS、设备参数、设备工艺、安装图档等多维信息融和，进行三维数字化逻辑模型的设计，并对其进行优化，使得到的每一个依赖关系满足规范化表达要求，形成完整的三维数字化逻辑模型，供后续平台侧调用（如图4）。

Fig.4 Three dimensional digital logic model

图4 三维数字化逻辑模型

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2.3.2 作业推演预警设计

通过建立多级预警规则，完成设备吊装过程中潜在事故预警，利用碰撞检测以及空间测量技术对整个吊装过程进行检测预警。碰撞检测技术的应用可以对吊装物在吊装过程中是否发生碰撞现象进行监测，其准确性以及实时性直接影响到最终对方案可行性判定的结果。本文以地下厂房入口为世界坐标系原点，以吊装部件中心点作为物体坐标系原点，定义不同部件碰撞距离阈值，采用改进射线Raycaster算法进行部件碰撞预警，由于机组大型部件吊装行车一般为单向且速度较慢，本次推演过程未考虑行车吊装速度所带来的惯性影响。流程如图5所示。

Fig.5 Early warning design for operational deduction

图5 作业推演预警设计图

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3 机组数字化检修吊装作业推演应用实例

抽水蓄能机组检修吊装的任务是对整个机组各个零件设备进行吊装，顶盖的吊装作业是蓄能电站检修中重要且复杂的吊装作业任务之一，本节以顶盖的吊装作业方案推演的全过程来阐述吊装作业平台作业推演功能的应用实例。

3.1 设备吊装参数确认

与常规机组顶盖起吊不同，抽水蓄能机组的顶盖要求两瓣分别吊出机坑，需要在机坑内完成分瓣及相关调整工作。在建立好虚拟推演的作业环境以及吊装设备以后，并选择初设阈值，设置安全吊装速度后，开始对整个顶盖吊装进行正式吊装推演，在推演场景中选择吊装工器具，点击将吊装钢丝绳穿如顶盖的吊环中，将顶盖缓缓吊出100 mm左右进行试吊，通过推演场景检查顶盖初始空间位置。如图6所示。

Fig.6 Initial settings

图6 初始设置

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3.2 多维一体化作业推演模块

平台设置了多视角二维场景和三维主场景，基于二三维场景开展精准推演，在三维主场景中完成主设备吊装推演，在二维场景通过多视角查看机组零部件相对位置和吊装方向，通过二三维场景结合查看设备吊装状态，同时，可通过推演流程中比对检索查看真是吊装案例，用以辅助作业人员开展推演过程。正式起吊场景图如图7所示。

Fig.7 Multidimensional integration deduction

图7 多维一体化推演

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3.3 推演风险预警预测模块

在吊装过程中，对机组零部件与周围环境进行实时碰撞检测分析，通过多维度射线碰撞检测及角度监测，依据预警阈值矩阵，分析机组零部件与机坑、盘柜及周边建筑是否存在碰撞及倾覆风险，以不同预警色区分预警状态，指导作业人员及时作出调整，以保证吊装作业安全可靠进行。

Fig.8 Deductive risk early warning prediction

图8 推演风险预警预测

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3.4 吊装作业轨迹分析

基于三维精确空间尺寸厂房模型，精确记录吊装推演过程中设备运动轨迹，包含轨迹上的作业面、预警信息等，通过各类推演情况的精准回溯，为后续方案比对、方案优选及风险辨识提供决策支持。

3.5 检修场地规划

根据吊装任务零部件类型及相关技术参数，为了进一步适用于现场真实检修情况，平台同时设计了检修场地规划功能，吊装作业开始前预先划定检修场，可根据零部件尺寸自动计算最优摆放区域，以最大化节省检修场地，使得检修现场管理更加科学。

4 结语

本文基于三维数字化和数据融合技术设计了抽水蓄能电站机组数字化检修吊装作业推演平台，实现了蓄能电站吊装作业推演的三维数字模型设计、二三维一体化作业推演、作业风险预警、轨迹分析及检修场地规划等功能，解决传统地下厂房吊装作业脚本推演、方案评估及现场管理上的不足，使得机组吊装作业的策划与实施更加合理化，提高吊装作业策划的效率及准确性。同时，在现场应用中也发现其进一步提高之处：

（1）由于蓄能机组零部件空间结构关系复杂，需进一步完善方案优选、最优吊装作业轨迹自动生成的效率；

（2）在复杂洞室环境下，如何通过5G等技术^［14］获取现场作业实时数据实现高效率的人机互动及风险实时预警也是需要进一步研究的课题。

References

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Received	Published
2020-05-26	2021-03-15
Issue Date
2021-04-07

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1 概述

2 总体架构和关键技术

2.1 总体架构

Fig.1 Platform functional architecture

Fig.2 Platform network architecture

2.2 技术路线

Fig.3 Platform technical route

2.3 关键技术

2.3.1 三维数字化逻辑模型设计

Fig.4 Three dimensional digital logic model

2.3.2 作业推演预警设计

Fig.5 Early warning design for operational deduction

3 机组数字化检修吊装作业推演应用实例

3.1 设备吊装参数确认

Fig.6 Initial settings

3.2 多维一体化作业推演模块

Fig.7 Multidimensional integration deduction

3.3 推演风险预警预测模块

Fig.8 Deductive risk early warning prediction

3.4 吊装作业轨迹分析

3.5 检修场地规划

4 结语

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1 概 述

2 总体架构和关键技术

2.1 总体架构

Fig.1 Platform functional architecture

Fig.2 Platform network architecture

2.2 技术路线

Fig.3 Platform technical route

2.3 关键技术

2.3.1 三维数字化逻辑模型设计

Fig.4 Three dimensional digital logic model

2.3.2 作业推演预警设计

Fig.5 Early warning design for operational deduction

3 机组数字化检修吊装作业推演应用实例

3.1 设备吊装参数确认

Fig.6 Initial settings

3.2 多维一体化作业推演模块

Fig.7 Multidimensional integration deduction

3.3 推演风险预警预测模块

Fig.8 Deductive risk early warning prediction

3.4 吊装作业轨迹分析

3.5 检修场地规划

4 结 语

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References

1 概述

4 结语