數字孿生水電站，三維組態助力發電流程最佳化

從大禹治水到三峽大壩的建造，人類為控制和調配自然界的地表水和地下水，修建了許多的水利工程。對水資源進行了廣泛的開發利用，諸如農業灌溉、工業和生活用水、水力發電、航運、港口運輸、淡水養殖、旅遊等。

將圖撲軟體與 GIS、粒子模擬、虛擬現實、邊緣計算等技術相結合，數字孿生閩江流域水利工程，實現壩、堤、溢洪道、水閘、渠道、渡漕、筏道、魚道、水電站、水質、環境、水位、降雨等的實時監測，實現對水力資源的可持續利用。

水電站

人們通常利用水電站水庫系統調節和改變水力資源在時間和空間上的分佈，並結合水力系統、機械系統和電能產生裝置等實現水力勢能到電能的轉換。

水電站建築物包括：壩、水閘等擋水建築物；溢洪道、溢流壩、洩水孔等排洩多餘水量的洩水建築物；為發電取水的進水口；由進水口至水輪機的水電站引水建築物；為平穩引水建築物的流量和壓力變化而設定的平水建築物（調壓室、前池）以及水電站廠房、尾水道、水電站升壓開關站等。

透過圖撲軟體將水電站廠房、生態魚道、洩洪閘門等進行數字孿生，在雲上打通虛擬和現實。整合業務系統中感測器採集的不同方面資料（例如生物資訊、氣象資訊、水位水頭資訊、閘門啟閉耗時、洩洪閘門開度等），然後透過介面的形式實現資料對接。虛擬模型可用於執行模擬和研究效能，可以將研究結果用於水電站執行效率的提升。

生態魚道

水電專案會影響上游和下游的水生生態系統，應當建造人工繁殖放流（如增殖站）、過魚設施（工程補償措施，如魚道等）、自然保護區或其它補救措施維護生態平衡。透過 Hightopo 構建的視覺化魚道模組，清晰地展示出魚道外觀、結構、過魚種類、洄游路線，讓人瞭解魚道的構造和執行原理。

魚道由進口、槽身、出口和誘魚補水系統組成，進口多佈置在水流平穩且有一定水深的岸邊或電站、溢流壩出口附近。槽身橫斷面為矩形，用隔板將水槽上、下游的水位差分成若干個小的梯級，板上設有過魚孔。透過圖撲智慧水利水電的生態資訊資料皮膚，檢視魚道水位、流速、過魚量、水溫等資料，實時關注魚道生態。

洩洪閘門

水電站水庫能發揮滯洪和蓄洪作用。在水庫溢洪道設定閘門，透過改變閘門開啟度來調節下洩流量的大小。由於有閘門控制，防洪限制水位可以高出溢洪道堰頂，並在洩洪過程中隨時調節閘門開啟度來控制下洩流量，達到滯洪目的。蓄在水庫的一部分洪水可在枯水期有計劃地用於興利需要。

透過圖撲智慧水利水電工程案例可直觀地檢視大壩主體數個洩洪閘門實時的啟閉狀態，輔以氣象資訊、水位資訊資料顯示，幫助集控中心的人員在汛期及時作出決策。

水力發電工藝流程

水力發電的基本原理是利用水位落差 ，配合水輪發電機產生電力。將水的位能轉為水輪的機械能，再以機械能推動發電機，從而得到電力。

水力發電系統主要由壓力引水管、水輪機、發電機和尾水管等組成。河川的水經由攔水設施攫取後，經過壓力隧道、壓力鋼管等水路設施送至電廠。利用圖撲軟體的三維組態還原電力生產過程，監控機組執行狀態，提高發電效率。

Ⅰ水力勢能到機械能的轉變

江水水位在壩前升高形成落差，積蓄了水力勢能。當機組準備發電時，對機組尾水管、引水壓力鋼管和蝸殼進行充水平壓，提起機組下游尾水管閘門和上游閘門。

開機後，調速系統操作導水機構開啟活動導葉，蝸殼內的高壓水流經其內側均勻排列的固定和活動導葉形成一定環面後，均勻可控地進入水輪機轉輪，連續的帶壓水流從轉輪葉片外緣整週徑向流入，從轉輪出口軸向流出，水力反作用於轉輪葉片，使轉輪產生旋轉力矩並帶動轉輪旋轉，水力勢能轉變為機械能。在圖撲視覺化系統內接入了單個機組的轉速、導葉開度等資料。

利用圖撲軟體自研引擎強大的渲染能力，還原該過程的每個步驟，可用於新員工的培訓和安全講解。

Ⅱ機械能到電能的轉變

水輪機轉輪帶動機組大軸旋轉，並將扭矩傳遞給與其同軸的發電機轉子，轉子透過勵磁形成的磁場，在定子繞組中作同步旋轉，發電機定子在交變磁場的作用下，在繞組中產生感應電勢，由此完成了從機械能到電能的轉換。

水頭越高、流量越大，水輪機的輸出功率也就越大。將感測器資料上傳圖撲視覺化系統可判斷工藝流程的合理性，發現阻礙電能轉變的因素時及時修正，提高電能輸出率。

Ⅲ初級電能到合格電能

透過接線端子引出，將導線連成閉合迴路，迴路中產生電流與電壓，經過發電機出口母線，電流進入升壓變壓器，在這裡電壓被升至 500kV，然後進入六氟化硫氣體絕緣開關站（GIS），連線輸電線路進入電網，從而完成水輪發電機組的電力生產到輸送的最後一個環節。

圖撲軟體三維組態還原了水力資源從勢能轉變為電能的過程，一方面可以給學員提供模擬教學示例，另一方面可以向外界普及水力發電知識。融合數字建模、數字孿生、模擬模擬等技術，輕鬆構建低程式碼、零程式碼物聯網 IoT 平臺，輔助水利水電工程實現智慧化管理。

相較於 InTouch/IFix/WinCC 這些傳統組態軟體，圖撲基於 Web 的平臺更適合 C/S 向 B/S 轉型的大趨勢，多元素豐富的視覺化元件和支援快捷的資料繫結方式，可用於快速建立和部署。

不僅是 3D 上的效果展現，圖撲軟體還支援繪製二維組態。圖撲軟體 HT 視覺化技術採用 B/S 架構，透過對傳統二維的發電工藝組態圖進行重構設計，對接測點資料實現 Web 化跨平臺多端訪問，無論是 PC、PAD 或是智慧手機開啟瀏覽器，即可隨時訪問監控場景。

圖撲支援將大屏組態整合至 B/S 端，與其他主流前端框架如 Angular、React 和 Vue 等無縫融合，打破了以往使用者在控制室內控制場景的侷限性。

二維組態基於 SCADA 系統，將圖紙進一步美化升級。以平面圖的形式展示了壩頂高程、大壩門機、主變壓器、大壩庫區、引水鋼管、500kV 出線架、主廠房行車、發電機、水輪機在水力發電的過程中執行的先後順序，並模擬水力勢能—機械能—電能的轉變，再透過 500kV 線路輸送到 500kV 變電站的過程。

水庫中水能轉化為電能的多少與壓力引水管管口處作用力大小密切相關。水庫水量、水庫水位、壓力引水管傾斜角度等影響引水管管口作用力的因素直接影響著水能到電能的轉換效率。

以藍色的深淺代表水流的速度，以動態的點狀線路模擬輸電過程，整個過程清晰明瞭，一張圖掌握水力發電站執行態勢。高效協調水庫和水機電系統之間以及水機電系統各部分之間的執行問題，提高發電效率。

圖撲軟體 Low-Code 實現發電工藝中的“設施互聯、系統互通、資料互享、業態互融”，完成 MIS/SCADA 等核心資訊系統深度整合。

水輪機模擬拆解

水輪機是水電站的核心部件，深埋於水電站的內部。水輪發電機組由壓力鋼管、蝸殼、導水機構、轉輪、機組大軸、發電機定子、發電機轉子等主要部分構成。

平面圖、塑膠靜態模型或者到水電站實地參觀都無法使人直觀、簡單、全面、系統的瞭解水輪機內、外部結構組成以及工作原理。

“水輪機模擬拆解”透過三維模擬動畫全方位表現，不僅給人以身臨其境的感受，還能不受時間、地域的限制，系統、全面的瞭解水輪機各部件組成及動作原理。

水輪機三維模擬動畫的製作需要準備許多素材，比如所有零件的零件圖、三維圖、動畫背景等。透過圖撲軟體的專業建模與渲染引擎技術製作機組模擬場景，模型精度高。1:1 還原機組裝置主要部件的拆解與組裝原理，可對工作人員進行產品組裝、拆分、維修培訓。

圖撲軟體數字孿生水輪機拆解過程，實現了在數字世界對物理實體狀態和執行的全面精準呈現。場景中裝置零件，浮現相應的屬性資訊，準確掌握裝置內部業務流程、行為邏輯、狀態變化等。

相較於傳統方式，裝置的三維展示具有更靈活的表現形式和更直觀的效果，生動的演示動畫能讓觀看者更快了解裝置的工作原理，避免因語言誤差而造成誤解。

主接線圖

水電站發出的電力需由空架輸電線路輸送到使用者集中區的變電所。由於機端負荷較大，出線迴路數多，因而發電機電壓級接線一般採用有母線的接線方式。根據容量可為單母線、單母線分段、雙母線、雙母線分段。當機組容量較大時，可在母線分段處和出線上加裝電抗器，以限制短路電流。利用圖撲軟體大屏組態、UI 組態展示主接線圖，實現對線路執行狀況的監控。用紅色字表示裝置正在運轉，綠色字表示已停機。對接電廠的隔離開關、斷路器、發電機等裝置資料實現實時狀態展示。

圖撲還滿足工業物聯網現代化的、高效能的、跨平臺（桌面 Mouse /移動 Touch /虛擬現實 VR）的圖形展示效果及互動體驗。支援結合 VR/AR 進行展示，讓使用者能夠沉浸在虛擬環境中進行體驗，尤其對工廠、車間、生產線等大型場景更具有優勢。

機組執行引數

圖撲軟體採用不同型別的圖表形式統計了全廠有功功率、無功功率、日發電計劃完成率、月發電計劃完成率、日累計發電量、月累計發電量、年累計發電量等資料。利用黃色、綠色、紫色區分預警、正常、故障三種機組狀態，及時識別機組是否良好執行。使用全廠有功、全廠無功雙曲線的形式，展示了近 12 小時內單個機組的功率波動情況，讓電廠實現精細化管理。

智慧巡檢

進入主廠房後，支援以第一人稱視角自由漫遊（W A S D 方向鍵結合滑鼠操作），可檢視發電機詳細執行引數、攝像頭監控畫面等資訊。

支援繪製並儲存常用巡檢路線，每次進入後按照固定路線自動漫遊，滿足個性化的巡檢需求。透過巡檢模擬人或者巡檢車巡檢的過程，經過裝置時可以停留檢視裝置資訊。

圖撲軟體能無縫結合 HTML5 各項多媒體功能，支援整合各類影片資源形成統一的影片流，可在 3D 場景內關聯壩頂、發電機層、配電室攝像頭的影片訊號源。透過場景互動來調取相應監控影片，滿足運維人員的實時態勢感知、歷史資料回溯比對等需求。

圖撲軟體也支援虛實融合，把影片畫面精確融合顯示在三維模型對應的空間真實地理座標位置，這種融合不會隨著三維模型的傾斜、旋轉而產生錯位，充分發揮出三維場景的直觀特點。透過影片融合可實現關鍵路徑自動影片巡檢，重點區域關注目標快速鎖定等高階功能，為日常管理和突發事件的處理提供直觀準確的協助。

智慧安防

大型水電站都具有裝機容量大的特點，影響著區域供電。一旦站內的水庫、大壩（含副壩）、發電廠房、引水渠等發生故障，將造成大面積停電，嚴重影響社會的和諧穩定。圖撲水電站的智慧安防系統關聯站內監控訊號源，顯示現場監控畫面，對區域闖入、故障等進行監測，保障站內設施裝置的良好執行。3D 場景內圖示可點選檢視相應監控畫面、人員名稱、報警時間、報警詳情。。

2D 介面標註了攝像頭分佈情況、影片統計、行為分析報警、站內人員分佈、人員報警等資訊。透過圖撲視覺化系統，可將影片監控系統、出入口管理系統、智慧一卡通系統、入侵報警系統、作業過程管理系統、周界水域偵測系統、應急指揮系統等進行融合管理。

全景漫遊

將 GIS 創新融入圖撲軟體中，為視覺化賦予更強大的地理智慧。支援接入多源異構資料，標註各個水電站位置資訊，即時還原高精度真實現場。

採集江河流域範圍內的 DOM（數字正射影像）和 DEM（數字高程模型）資料，以真實的城市河道現狀資訊和周邊景物資訊為依據，對河道、河底的三維空間資料進行三維幾何建模；然後疊加精細建模的水電站模型，並進行渲染最佳化；最後採用顯示列表、紋理優先順序、細節層級模型（LOD）等圖撲軟體渲染技術，實現三維河流實時逼真的虛擬場景顯示，並提供豐富的人機互動手段。

透過圖撲軟體建立整條流域的虛擬漫遊，遠景和近景背景區別設定，新增了水霧、大氣、雲層等環境效果，讓場景更真實、靈動。漫遊將客觀真實存在的場景透過瀏覽器以虛擬漫遊形式達到異地瀏覽的目的，使用者足不出戶即可遊歷景物景點和建築物內部場景。

流場監測

運用圖撲研發的力場粒子效果，模擬模擬出江流流動，結合不同流速區間對應的不同粒子顏色，對流場進行渲染，實時展示流速資料。

模擬分析技術的應用範圍涵蓋社會的諸多方面，結合圖撲軟體 Web 視覺化引擎為工程模擬、氣象預報、生命科學、科研教育、電力系統、交通運輸、工業製造等不同領域的發展起到了推動作用，為不同的行業發展注入了新的動力。

岸線模擬

圖撲軟體能根據歷史水位資料模擬出江流周邊岸線變化情況，有助於判斷水位臨界值，提前調節水位，防止發生洪澇災害或者提前通知周邊居民轉移。

水質反演

基於已採集的江流、水庫水質歷史資料，使用圖撲軟體研發的雲圖渲染技術，取出某段立體水域，將水質資料的高低，用立體雲圖展示，並支援操作時間軸，反演全年的水質變化情況。根據推演資料判斷水中化學殘留物的含量、水中鹽分、下游河水含鹽量、水中血吸蟲數量、微生物及細菌的數量、水生植物及藻類數量等。當出現嚴重水質問題時，及時採取補救措施。

水力發電與航運、養殖、灌溉、防洪和旅遊組成水資源綜合利用體系，讓水力資源得到最大利用。未來，水電站的自動化、遠動化等也將進一步完善推廣；發展遠距離、 超高壓、 超導材料等輸電技術，將有利於加速中國西部豐富的水力資源開發。