数字孪生水电站：发电流程三维可视化优化_水电站数据模型制作

从大禹治水到三峡大坝的建造，人类为控制和调配自然界的地表水和地下水，修建了许多的水利工程。对水资源进行了广泛的开发利用，诸如农业灌溉、工业和生活用水、水力发电、航运、港口运输、淡水养殖、旅游等。

将图扑软件与 GIS、粒子仿真、虚拟现实、边缘计算等技术相结合，数字孪生闽江流域水利工程，实现坝、堤、溢洪道、水闸、渠道、渡漕、筏道、鱼道、水电站、水质、环境、水位、降雨等的实时监测，实现对水力资源的可持续利用。

水电站

人们通常利用水电站水库系统调节和改变水力资源在时间和空间上的分布，并结合水力系统、机械系统和电能产生装置等实现水力势能到电能的转换。

水电站建筑物包括：坝、水闸等挡水建筑物；溢洪道、溢流坝、泄水孔等排泄多余水量的泄水建筑物；为发电取水的进水口；由进水口至水轮机的水电站引水建筑物；为平稳引水建筑物的流量和压力变化而设置的平水建筑物（调压室、前池）以及水电站厂房、尾水道、水电站升压开关站等。

通过图扑软件将水电站厂房、生态鱼道、泄洪闸门等进行数字孪生，在云上打通虚拟和现实。集成业务系统中传感器采集的不同方面数据（例如生物信息、气象信息、水位水头信息、闸门启闭耗时、泄洪闸门开度等），然后通过接口的形式实现数据对接。虚拟模型可用于运行模拟和研究性能，可以将研究结果用于水电站运行效率的提升。

生态鱼道

水电项目会影响上游和下游的水生生态系统，应当建造人工繁殖放流（如增殖站）、过鱼设施（工程补偿措施，如鱼道等）、自然保护区或其它补救措施维护生态平衡。通过 Hightopo 构建的可视化鱼道模块，清晰地展示出鱼道外观、结构、过鱼种类、洄游路线，让人了解鱼道的构造和运行原理。

鱼道由进口、槽身、出口和诱鱼补水系统组成，进口多布置在水流平稳且有一定水深的岸边或电站、溢流坝出口附近。槽身横断面为矩形，用隔板将水槽上、下游的水位差分成若干个小的梯级，板上设有过鱼孔。通过图扑智慧水利水电的生态信息数据面板，查看鱼道水位、流速、过鱼量、水温等数据，实时关注鱼道生态。

泄洪闸门

水电站水库能发挥滞洪和蓄洪作用。在水库溢洪道设置闸门，通过改变闸门开启度来调节下泄流量的大小。由于有闸门控制，防洪限制水位可以高出溢洪道堰顶，并在泄洪过程中随时调节闸门开启度来控制下泄流量，达到滞洪目的。蓄在水库的一部分洪水可在枯水期有计划地用于兴利需要。

通过图扑智慧水利水电工程案例可直观地查看大坝主体数个泄洪闸门实时的启闭状态，辅以气象信息、水位信息数据显示，帮助集控中心的人员在汛期及时作出决策。

水力发电工艺流程

水力发电的基本原理是利用水位落差 ，配合水轮发电机产生电力。将水的位能转为水轮的机械能，再以机械能推动发电机，从而得到电力。

水力发电系统主要由压力引水管、水轮机、发电机和尾水管等组成。河川的水经由拦水设施攫取后，经过压力隧道、压力钢管等水路设施送至电厂。利用图扑软件的三维组态还原电力生产过程，监控机组运行状态，提高发电效率。

Ⅰ水力势能到机械能的转变

江水水位在坝前升高形成落差，积蓄了水力势能。当机组准备发电时，对机组尾水管、引水压力钢管和蜗壳进行充水平压，提起机组下游尾水管闸门和上游闸门。

开机后，调速系统操作导水机构开启活动导叶，蜗壳内的高压水流经其内侧均匀排列的固定和活动导叶形成一定环面后，均匀可控地进入水轮机转轮，连续的带压水流从转轮叶片外缘整周径向流入，从转轮出口轴向流出，水力反作用于转轮叶片，使转轮产生旋转力矩并带动转轮旋转，水力势能转变为机械能。在图扑可视化系统内接入了单个机组的转速、导叶开度等数据。

利用图扑软件自研引擎强大的渲染能力，还原该过程的每个步骤，可用于新员工的培训和安全讲解。

Ⅱ机械能到电能的转变

水轮机转轮带动机组大轴旋转，并将扭矩传递给与其同轴的发电机转子，转子通过励磁形成的磁场，在定子绕组中作同步旋转，发电机定子在交变磁场的作用下，在绕组中产生感应电势，由此完成了从机械能到电能的转换。

水头越高、流量越大，水轮机的输出功率也就越大。将传感器数据上传图扑可视化系统可判断工艺流程的合理性，发现阻碍电能转变的因素时及时修正，提高电能输出率。

Ⅲ初级电能到合格电能

通过接线端子引出，将导线连成闭合回路，回路中产生电流与电压，经过发电机出口母线，电流进入升压变压器，在这里电压被升至 500kV，然后进入六氟化硫气体绝缘开关站（GIS），连接输电线路进入电网，从而完成水轮发电机组的电力生产到输送的最后一个环节。

 图扑软件三维组态还原了水力资源从势能转变为电能的过程，一方面可以给学员提供仿真教学示例，另一方面可以向外界普及水力发电知识。融合数字建模、数字孪生、仿真模拟等技术，轻松构建低代码、零代码物联网 IoT 平台，辅助水利水电工程实现智慧化管理。

相较于 InTouch/IFix/WinCC 这些传统组态软件，图扑基于 Web 的平台更适合 C/S 向 B/S 转型的大趋势，多元素丰富的可视化组件和支持快捷的数据绑定方式，可用于快速创建和部署。

不仅是 3D 上的效果展现，图扑软件还支持绘制二维组态。图扑软件 HT 可视化技术采用 B/S 架构，通过对传统二维的发电工艺组态图进行重构设计，对接测点数据实现 Web 化跨平台多端访问，无论是 PC、PAD 或是智能手机打开浏览器，即可随时访问监控场景。

图扑支持将大屏组态集成至 B/S 端，与其他主流前端框架如 Angular、React 和 Vue 等无缝融合，打破了以往用户在控制室内控制场景的局限性。

二维组态基于 SCADA 系统，将图纸进一步美化升级。以平面图的形式展示了坝顶高程、大坝门机、主变压器、大坝库区、引水钢管、500kV 出线架、主厂房行车、发电机、水轮机在水力发电的过程中运行的先后顺序，并模拟水力势能—机械能—电能的转变，再通过 500kV 线路输送到 500kV 变电站的过程。

水库中水能转化为电能的多少与压力引水管管口处作用力大小密切相关。水库水量、水库水位、压力引水管倾斜角度等影响引水管管口作用力的因素直接影响着水能到电能的转换效率。

以蓝色的深浅代表水流的速度，以动态的点状线路模拟输电过程，整个过程清晰明了，一张图掌握水力发电站运行态势。高效协调水库和水机电系统之间以及水机电系统各部分之间的运行问题，提高发电效率。

图扑软件 Low-Code 实现发电工艺中的“设施互联、系统互通、数据互享、业态互融”，完成 MIS/SCADA 等核心信息系统深度集成。

水轮机仿真拆解

水轮机是水电站的核心部件，深埋于水电站的内部。水轮发电机组由压力钢管、蜗壳、导水机构、转轮、机组大轴、发电机定子、发电机转子等主要部分构成。

平面图、塑料静态模型或者到水电站实地参观都无法使人直观、简单、全面、系统的了解水轮机内、外部结构组成以及工作原理。

“水轮机仿真拆解”通过三维仿真动画全方位表现，不仅给人以身临其境的感受，还能不受时间、地域的限制，系统、全面的了解水轮机各部件组成及动作原理。

水轮机三维仿真动画的制作需要准备许多素材，比如所有零件的零件图、三维图、动画背景等。通过图扑软件的专业建模与渲染引擎技术制作机组仿真场景，模型精度高。1:1 还原机组设备主要部件的拆解与组装原理，可对工作人员进行产品组装、拆分、维修培训。

图扑软件数字孪生水轮机拆解过程，实现了在数字世界对物理实体状态和运行的全面精准呈现。场景中设备零件，浮现相应的属性信息，准确掌握设备内部业务流程、行为逻辑、状态变化等。

相较于传统方式，设备的三维展示具有更灵活的表现形式和更直观的效果，生动的演示动画能让观看者更快了解设备的工作原理，避免因语言误差而造成误解。

主接线图

水电站发出的电力需由空架输电线路输送到用户集中区的变电所。由于机端负荷较大，出线回路数多，因而发电机电压级接线一般采用有母线的接线方式。根据容量可为单母线、单母线分段、双母线、双母线分段。当机组容量较大时，可在母线分段处和出线上加装电抗器，以限制短路电流。利用图扑软件大屏组态、UI 组态展示主接线图，实现对线路运行状况的监控。用红色字表示设备正在运转，绿色字表示已停机。对接电厂的隔离开关、断路器、发电机等设备数据实现实时状态展示。

图扑还满足工业物联网现代化的、高性能的、跨平台（桌面 Mouse /移动 Touch /虚拟现实 VR）的图形展示效果及交互体验。支持结合 VR/AR 进行展示，让用户能够沉浸在虚拟环境中进行体验，尤其对工厂、车间、生产线等大型场景更具有优势。

机组运行参数

图扑软件采用不同类型的图表形式统计了全厂有功功率、无功功率、日发电计划完成率、月发电计划完成率、日累计发电量、月累计发电量、年累计发电量等数据。利用黄色、绿色、紫色区分预警、正常、故障三种机组状态，及时识别机组是否良好运行。使用全厂有功、全厂无功双曲线的形式，展示了近 12 小时内单个机组的功率波动情况，让电厂实现精细化管理。

智慧巡检

进入主厂房后，支持以第一人称视角自由漫游（W A S D 方向键结合鼠标操作），可查看发电机详细运行参数、摄像头监控画面等信息。

支持绘制并保存常用巡检路线，每次进入后按照固定路线自动漫游，满足个性化的巡检需求。通过巡检模拟人或者巡检车巡检的过程，经过设备时可以停留查看设备信息。

图扑软件能无缝结合 HTML5 各项多媒体功能，支持集成各类视频资源形成统一的视频流，可在 3D 场景内关联坝顶、发电机层、配电室摄像头的视频信号源。通过场景交互来调取相应监控视频，满足运维人员的实时态势感知、历史数据回溯比对等需求。

图扑软件也支持虚实融合，把视频画面精确融合显示在三维模型对应的空间真实地理坐标位置，这种融合不会随着三维模型的倾斜、旋转而产生错位，充分发挥出三维场景的直观特点。通过视频融合可实现关键路径自动视频巡检，重点区域关注目标快速锁定等高级功能，为日常管理和突发事件的处理提供直观准确的协助。

智慧安防

大型水电站都具有装机容量大的特点，影响着区域供电。一旦站内的水库、大坝（含副坝）、发电厂房、引水渠等发生故障，将造成大面积停电，严重影响社会的和谐稳定。图扑水电站的智慧安防系统关联站内监控信号源，显示现场监控画面，对区域闯入、烟火、故障等进行监测，保障站内设施设备的良好运行。3D 场景内图标可点击查看相应监控画面、人员名称、报警时间、报警详情。 

2D 界面标注了摄像头分布情况、视频统计、行为分析报警、站内人员分布、人员报警等信息。通过图扑可视化系统，可将视频监控系统、出入口管理系统、智能一卡通系统、入侵报警系统、作业过程管理系统、周界水域侦测系统、应急指挥系统等进行融合管理。

全景漫游

将 GIS 创新融入图扑软件中，为可视化赋予更强大的地理智慧。支持接入多源异构数据，标注各个水电站位置信息，即时还原高精度真实现场。

采集江河流域范围内的 DOM（数字正射影像）和 DEM（数字高程模型）数据，以真实的城市河道现状信息和周边景物信息为依据，对河道、河底的三维空间数据进行三维几何建模；然后叠加精细建模的水电站模型，并进行渲染优化；最后采用显示列表、纹理优先级、细节层级模型（LOD）等图扑软件渲染技术，实现三维河流实时逼真的虚拟场景显示，并提供丰富的人机交互手段。

通过图扑软件建立整条流域的虚拟漫游，远景和近景背景区别设置，添加了水雾、大气、云层等环境效果，让场景更真实、灵动。漫游将客观真实存在的场景通过浏览器以虚拟漫游形式达到异地浏览的目的，用户足不出户即可游历景物景点和建筑物内部场景。

流场监测

运用图扑研发的力场粒子效果，仿真模拟出江流流动，结合不同流速区间对应的不同粒子颜色，对流场进行渲染，实时展示流速数据。

仿真分析技术的应用范围涵盖社会的诸多方面，结合图扑软件 Web 可视化引擎为工程仿真、气象预报、生命科学、科研教育、电力系统、交通运输、工业制造等不同领域的发展起到了推动作用，为不同的行业发展注入了新的动力。

岸线仿真

图扑软件能根据历史水位数据模拟出江流周边岸线变化情况，有助于判断水位临界值，提前调节水位，防止发生洪涝灾害或者提前通知周边居民转移。

水质反演

基于已采集的江流、水库水质历史数据，使用图扑软件研发的云图渲染技术，取出某段立体水域，将水质数据的高低，用立体云图展示，并支持操作时间轴，反演全年的水质变化情况。根据推演数据判断水中化学残留物的含量、水中盐分、下游河水含盐量、水中血吸虫数量、微生物及细菌的数量、水生植物及藻类数量等。当出现严重水质问题时，及时采取补救措施。

水力发电与航运、养殖、灌溉、防洪和旅游组成水资源综合利用体系，让水力资源得到最大利用。未来，水电站的自动化、远动化等也将进一步完善推广；发展远距离、 超高压、 超导材料等输电技术，将有利于加速中国西部丰富的水力资源开发。