配電網三維虛擬可視化平臺的研究與應用

完整，繆偉，衛志農，唐利鋒，鄧鵬

(1.蕪湖市供電公司，安徽蕪湖241000；2.河海大學能源與電氣學院，江蘇南京210098)

配電網是連接輸電系統與用戶的重要環節。近年來，隨著全國農村配電網升級改造的推進以及城市配電網的發展，配電系統愈發龐大而復雜。同時，由于缺乏系統所處地理特征、網架結構、電力設備屬性等信息之間的相互聯系分析以及直觀的虛擬呈現，給電力部門在實際工作中，開展電力資源設備運行管理、電網的合理升級規劃以及電力線路巡檢等工作帶來一定的困難[1-6]。隨著計算機軟、硬件技術的發展與普及，操作可視化以及數據共享是當前電力系統發展趨勢與追求的目標[7]。

配電網的可視化是對現實設備的虛擬展現，其研究也逐步從傳統的二維發展到三維立體模擬。利用虛擬現實技術(Virtual-Reality，VR)[8]實現配電系統的管理與設計成為了“數字電力”的發展方向。虛擬現實技術是近十多年來發展起來的高新技術，涉及計算機圖形學、人機交互技術、傳感技術、人工智能等領域，是仿真技術的高級發展與突破，可實現在虛擬環境中的信息交互和控制功能。虛擬現實技術的應用可以幫助工程技術人員、管理決策人員在虛擬環境中對所管理的系統進行觀察、設計、修改、決策、調度或重組，提高工作效率與效益[9]。

隨著計算機技術、虛擬現實技術和大規模存儲技術的發展，三維可視化技術已經逐步應用于電力系統，在變電站仿真培訓、電力器件的模擬操作與電力人員技能考核等方面發揮了極大的作用[10-12]。隨著配電網的信息化與智能化，三維虛擬可視技術在配電系統中的應用是一個新的且充滿前景的研究課題。

本文首先分析了建模的數據來源和實施方案，由此利用三維虛擬可視技術搭建了配電網三維可視化平臺。討論了該平臺對配電網規劃、配電信息管理及其他一些高級應用的數據支持及影響，并通過對某一實際配電網規劃方案的分析，顯示了該系統能有效地提高電力部門電網規劃效率，降低規劃成本。

1 配電網三維虛擬建模

配電設施具有明顯的地理特征，特別在一些以農網為主要形式的地區，在進行農網改城網的升級規劃中，迫切需要對線路的走向、跨度，桿塔，變電所的位置，線路所經地形等與地理要素密切相關的信息進行科學有效的管理。目前應用于電力系統的三維GIS與傳統的二維GIS相比，具有極大的優越性，它能虛擬真實場景，真實反映線路、桿塔等電力設備周圍的地形地貌，為線路巡檢、設備維護人員提供一個真實的功能環境信息[13-14]。本文探討了配電網三維可視化建模方法，通過Google SketchUp實現對配電網的組件化建模，并應用于蕪湖市供電公司，取得了較為滿意的效果。

Google Sketch Up是Google公司專門用于三維建模的一款軟件，有著很強的實景仿真功能。它面向設計過程，簡單易用，完全避免了其他設計軟件的復雜性；提供了紋理和材質設計工具，增強模型的真實感；能夠免費利用Google Earth的地形和影響數據等。由于上述優勢，Sketch Up被廣泛應用于城市三維建模、校園環境建模、水壩單位立體建模等，取得了很好的效果[15-17]。

要建立真實的三維場景，需要準確的幾何建模，對于配電系統而言，地形建模、建筑及配電設備建模是實現配電系統虛擬可視的關鍵。

1.1 地形建模

為了構造所研究區域的實際地表，營造逼真的三維可視化場景，需對地形進行建模。目前的方法有：1）引入已有的等高線，通過Sketch Up中的擴展工具欄——沙盒，創建平滑的地形；2）添加地表的數字高程模型（DEM）制作。DEM獲取的方式主要有：利用現有地形圖掃描數字化等高線，獲取高程數據生成；通過數字測量系統或機載掃描儀系統直接掃描來獲得；航空攝影與航天遙感[18]。

1.2 建筑物及配電設備建模

根據Google Earth中的二維矢量圖層，定位所需建模的地物坐標。由于現有二維GIS中缺乏直接完整的第三維信息，其數據可采用三角測量、GPS測量等外業測量方法獲得。值得指出的是，對于配電網供電走廊所處區域的一些地物或配電設備，例如樹木、桿塔等，由于其外型基本一致，可將模型組件化，以便于調用、布局。并且，根據實際需要，可以對一些地標建筑建模時適當進行簡化，例如使用規則幾何體來加以描述，以降低文件大小，避免影響運行速度。

在建筑物與配電設備的三維立體初步成型后，為使模型更加逼真，很重要的工作即是進行紋理貼圖。SketchUp提供的貼圖功能主要有3種：普通貼圖，包裹貼圖，投影貼圖。其紋理圖片主要來源于：1）地物紋理照片和地面影像，并通過photoshop進行加工處理；2）采用SketchUp軟件本身提供的紋理和材質設計工具。當采集建筑物或配電設備整體紋理出現困難時，通過局部使用真實紋理，其他位置采用軟件自帶的紋理和材質，也有不錯的效果[19]。

利用上述方法，針對蕪湖市某變電所構建的三維立體模型如圖1所示。

圖1 110 kV變電所的三維可視化圖

1.3 構建流程

利用Google SketchUp平臺進行配電網三維虛擬可視系統的構建，首先通過Google Earth來獲取地形與影像數據，或者手工構建所研究區域的比例尺AUTOCAD地形圖，并刪除不必要的圖層，僅保留已有配電線路、建筑物、道路及水系等圖層；然后，通過Google SketchUp對配電設備以及其他地物進行三維建模；接著，再將數字高程模型整合到平臺中；最后通過添加屬性數據實現配電網三維可視化系統。其流程如圖2所示。

圖2 構建流程圖

以蕪湖市某110 kV變電所為例，CAD原圖如圖3所示。此變電所共有7條10 kV出線。采用本文所述方法對此110 kV變電所進行三維虛擬可視化后,結果見圖4。需要指出的是，此圖中一些地標性建筑用規則幾何體對原對象予以了簡化。

圖3 110 kV變電所CAD出線圖

圖4 110 kV變電所三維可視化圖

2 配電網三維虛擬可視化平臺應用

2.1 配電網規劃

配電網規劃是配電系統研究領域中的重要環節，得到了專家學者的重視，發展出了一系列的規劃方法[20-22]。目前配電網規劃缺乏三維地理信息的支持，規劃人員無法根據地形地貌等三維空間信息進行定性的分析。受地形坡度、土壤類型、水系分布、道路走向、房屋設施等地理條件的影響，不同配電走廊建設投資有所差別[23]。在城市擴建與發展的過程中，變電站及配電走廊征地難度越來越大，同時原材料的上漲，使得地理環境對配電網規劃的影響越來越明顯。因此，配電網規劃工作有必要進一步研究環境因素所帶來的額外成本。

建成的配電網三維虛擬可視化平臺具有豐富的配電網數據以及地理信息，通過建立準確的配網模型，采用科學的方法可以實現配電網輔助規劃設計。在變電站選址、配電線路走廊規劃預留等方面可以發揮較大的作用。

2.2 配電信息管理

在新的環境下，電力線路要求交互性可視化的信息管理，主要依賴于手工的傳統管理方式已經不能適應這一要求，而現有的基于二維地理信息系統的配電線路管理系統又因不能提供足夠真實的可視化場景、完善的人機交互和缺乏一些重要的分析功能，難以更有效地提高配電網的管理水平。

由于傳統的三維模型可視化工具，包括Sketch Up在內，一般沒有相應的空間分析以及二維數據的聯合分析功能，所以根據實際要求，可實現Sketch Up與Arc GIS的聯合建模，充分利用Arc GIS強大的空間分析功能，實現相關高級GIS操作，包括屬性表的查詢、分析，空間位置的查詢等等[24]。

2.3 其他高級應用

在上述聯合建模的平臺上，結合SCADA系統、MIS系統，還可以實現故障檢修與隔離、配電網重構、線損分析與電壓調整、調度操作票系統等[14]。

3 算例分析

以蕪湖市某110 kV電壓等級變電站為例，為適應該區域負荷的快速增長，對原有變電站進行了擴建，擬新出一回配電線路，并實現對原有線路的適量負荷轉接，以分擔原有負荷較重線路的供電壓力。該新規劃線路擬帶負荷點58個，通過建成的三維可視化系統，規劃人員獲取了該區域預留的配電線路走廊、建筑物、道路、河流等坐標數據和相應高程數據，結合蕪湖當地配電設施施工造價，就考慮規劃區域實際三維地理信息和不考慮三維信息的規劃方案，結果比較如表1所示。

表1 規劃方案比較

從表中可以看到，當考慮地理信息時，實際規劃的線路總長度要比不考慮地理信息時長約2.4 km,這是由于考慮到與地理環境相關的施工難度及與之相關的附加額外成本，配電線路對一些地理環境復雜地段采取遷繞方式敷設，這樣雖然增加了線路總長度，但降低了相關建設難度，節約了與之相對應的額外建設成本。

4 結語

本文采用配電網三維可視化方法構建的系統可靠性高，適用范圍廣，具備地圖和設備的采集和顯示，三維展示配網設備運行狀況，指導配網規劃等功能；解決了目前二維GIS系統幾何圖形簡單，標準形式不能真正反映線路、桿塔等電力設備設施周圍的地形地貌，不能為巡視、操作及檢修人員提供一個真實系統環境，無法直觀地顯示設備本身的結構和相互間的關聯等問題。該系統讓電力人員更加直觀、形象地認識和理解地理和設備信息，展示出配電設備和線路走向的真實自然面貌，具有可視化程度高，交互性好和開放性強等特點，能配合電力部門實現可靠的配電信息管理，有效地提高配電部門的生產效率，降低配網規劃成本。

[1] 張英，李紅蕾，崔琪，等.西安配電網自動化系統升級改造建設的研究[J].陜西電力，2011，39（2）：61-64.

[2] 杭大建,王擁軍,羅定志.基于CIM的配電網綜合采集應用平臺[J].電網與清潔能源,2009,25(10):17-20.

[3] 陳文婕，劉晉，周云海，等.考慮負荷轉移限制的配電網可靠性評估[J].陜西電力，2010，38（11）：24-27.

[4] 余貽鑫.新形勢下的智能配電網[J].電網與清潔能源,2009,25(7):1-3.

[5] 韓軍林.城市配電網若干問題的分析探討[J].陜西電力，2010，38（11）：98-100.

[6] 李家全.配電網通信系統綜合性能評價體系研究[J].陜西電力，2010，38（5）：61-65.

[7] 王麗麗，艾欣，白文光，等.配電網可視化供電能力計算軟件的開發及應用[J].現代電力，2006,23(2):84-87.

[8] 曾芬芳.虛擬現實技術[M].上海：上海交通大學出版社，1997.

[9] 黃斐.面向對象的虛擬現實模擬研究[J].計算機科學，2008，35(2):216-219.

[10] 侯俊，李蔚清，林昌年.變電站三維交互場景仿真關鍵技術研究[J].電網技術，2005,29(9):70-75.

[11] 龔慶武，姜芳芳，陳義飛.基于虛擬現實技術的變電站仿真培訓系統[J].電網技術，2005,29(24):74-77.

[12] 凌志勇，柏吉寬.電力系統虛擬環境的研究及應用[J].廣東電力，2003,16(6):38-41.

[13] 唐隴軍，邱家駒.基于三維地理信息系統的輸電線路管理系統[J].電網技術，2003,27(10):43-47.

[14] 樸在林，張曉明，趙雪瑩.三維配電網地理信息系統的研究與實現[J].農業工程學報，2010,26(4):227-230

[15] 許捍衛，范小虎，任家勇，等.基于Sketch Up和Arc GIS的城市三維可視化研究[J].測繪通報，2010(3):52-54.

[16] 邱堋星.Google Sketch Up與IMAGIS在校園三維可視化建模中的應用[J].測繪工程，2008,17(2)：59-61.

[17] 曾巧，李曉磊，文恒，等.基于Sketch Up的三維實體參數化建模——水閘三維實體建模程序的實現[J].內蒙古農業大學學報，2009,30(1)：384-387.

[18] 李志林，朱慶.數字高程模型[M].武漢：武漢大學出版社，2000.

[19] 黃華坤.基于GIS的三維城市模型構建[J].GIS開發者，2005(6):43-46.

[20] 唐利鋒，衛志農，王成亮，等.基于公共信息模型的配電網網架優化規劃[J].電力系統自動化，2010，34(16):43-49.

[21] 沙偉燕,史哲.基于改進小生境遺傳算法的配電網規劃[J].電網與清潔能源，2010，26(7):63-67.

[22] 李瑤，潘江蒙，姚李孝，等.考慮通道規劃的城市中壓配電網絡規劃[J].電網與清潔能源，2010,26(3):58-62.

[23] 楊萌，張粒子，舒雋.輸電規劃中計入環境因素的路徑決策[J].電力系統自動化，2008，32(15):31-35.

[24] 單楠，況明生，李營剛.基于Sketch Up和Arc GIS的三維開發技術研究[J].鐵路計算機應用，2009,18(4):14-17.