面向智能輸電的三維可視化管理平臺研究

許志海，江聰世，武利會，徐曉剛，湯振鵬

(1.廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院，廣東廣州 510062；2.武漢大學(xué)國際軟件學(xué)院，湖北武漢 430079；3.廣東電網(wǎng)公司佛山供電局，廣東佛山 528010；4.廣東電網(wǎng)公司江門供電局，廣東江門 529050)

面向智能輸電的三維可視化管理平臺研究

許志海1，江聰世2，武利會3，徐曉剛1，湯振鵬4

(1.廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院，廣東廣州 510062；2.武漢大學(xué)國際軟件學(xué)院，湖北武漢 430079；3.廣東電網(wǎng)公司佛山供電局，廣東佛山 528010；4.廣東電網(wǎng)公司江門供電局，廣東江門 529050)

提出輸電線路與物理設(shè)備動態(tài)映射的數(shù)據(jù)組織，從而實現(xiàn)了輸電線路及其技術(shù)檔案資料的動態(tài)管理，研究實現(xiàn)了基于COLLDA的設(shè)備三維模型的動態(tài)構(gòu)建方法，構(gòu)建了基于鍵值數(shù)據(jù)庫的影像庫、模型庫等，設(shè)計與實現(xiàn)了輸電線路三維可視化維護管理平臺，實現(xiàn)了輸電線路的可視化、智能化管理。

智能輸電；三維可視化；動態(tài)映射

一、引 言

近年來，隨著電網(wǎng)建設(shè)規(guī)模激增，出現(xiàn)了大量多回同塔架設(shè)和同塔倒序走向的情況，線路連接方式也更加趨向于T、π接方式，導(dǎo)致電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，從而帶來了一系列的運行管理難題。為了有效管理輸電線路，當前主要采用二維GIS平臺來管理各等級線路，這種方式主要存在以下問題：①線路的頻繁變更帶來相關(guān)技術(shù)檔案資料的實時更新難題，往往造成技術(shù)檔案與線路實況不符的情況；②二維的GIS平臺無法表現(xiàn)設(shè)備的結(jié)構(gòu)與關(guān)聯(lián)信息，更無法獲取線路運行管理所需要的線路垂直方向上的層次信息，因而不能對交叉跨越等特殊區(qū)域進行有效管理；③大多數(shù)采用加載固定三維模型的輸電GIS難以滿足線路及其設(shè)備動態(tài)變化的要求。這就需要采用新的技術(shù)建立新的平臺來滿足輸電線路維護的實用化需求。

二、研究現(xiàn)狀

為了保證電網(wǎng)安全，人們在電力生產(chǎn)控制和電力企業(yè)管理等方面廣泛應(yīng)用信息技術(shù)。隨著電網(wǎng)規(guī)模的日益龐大和結(jié)構(gòu)的日趨復(fù)雜，輸電網(wǎng)的管理維護對輸電數(shù)據(jù)的準確性、可靠性、實時性的要求越來越高，信息技術(shù)的應(yīng)用也向網(wǎng)絡(luò)化、整體性、綜合性、全局性的方向發(fā)展，引發(fā)了各國對“智能電網(wǎng)”的研究與實踐，其核心思想就是利用現(xiàn)代信息技術(shù)與控制技術(shù)實現(xiàn)電網(wǎng)的智能化。我國國家電網(wǎng)和南方電網(wǎng)也先后開始智能電網(wǎng)的實踐，目標是構(gòu)建一體化、現(xiàn)代化、智能化的企業(yè)級信息平臺。

在輸電線路的管理上大多采用GIS作為基礎(chǔ)管理平臺，實現(xiàn)輸電線路網(wǎng)絡(luò)的可視化管理[1]。楊凡等在輸電網(wǎng)管理信息系統(tǒng)方面作了研究[2]；賴佳棟等開展了基于GIS技術(shù)的營配一體化研究[3]，建立了基于GIS的標準化、一體化配網(wǎng)企業(yè)級信息平臺。為了解決電網(wǎng)管控問題，李鑫、任培祥、范光甫等人對電網(wǎng)中三維可視化進行了有效的探索[4-6]；秦綬坤、楊帆、邢文忠等研究了基于Google Earth的輸電線路管理[7-9]。

現(xiàn)有的三維電力GIS側(cè)重于數(shù)據(jù)管理和顯示，跟實際的線路維護管理的業(yè)務(wù)需求結(jié)合不夠緊密。為此本文開發(fā)緊密結(jié)合輸電的業(yè)務(wù)管理流程的三維可視化管理平臺，實現(xiàn)電網(wǎng)的可視化與智能化。

三、總體結(jié)構(gòu)

圖1是設(shè)計開發(fā)的滿足輸電線路管理需求的三維虛擬地球儀平臺，將輸電線路的技術(shù)檔案資料及沿線各種空間地理、地質(zhì)等要素全面數(shù)字化，通過先進的3G通信技術(shù)、寬帶網(wǎng)絡(luò)等在三維可視化場景中實時加載顯示，在此基礎(chǔ)上基于CDC技術(shù)將分散的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)進行聚合，基于SOA將EAM、EMS等系統(tǒng)數(shù)據(jù)和天氣、地質(zhì)等公共服務(wù)系統(tǒng)信息進行集成，在三維可視化平臺中進行一體化的顯示、查詢與分析，將輸電線路維護管理納入到真實的三維仿真環(huán)境中，從而為電網(wǎng)管理人員提供更全面、完整的電網(wǎng)狀態(tài)視圖，將三維仿真場景同日常輸電線路管理結(jié)合起來，幫助電網(wǎng)企業(yè)實現(xiàn)智能化的運行和管理，最終實現(xiàn)輸電網(wǎng)的信息采集實時化、數(shù)字化、可視化、智能化、精細化等目標。

圖1 三維可視化平臺的總體結(jié)構(gòu)

四、輸電線路與物理設(shè)備動態(tài)映射的數(shù)據(jù)組織

線路的解口、改造及退運等頻繁的維護管理操作，以及多回同塔架設(shè)、同塔倒序的情況時有發(fā)生，這就要求數(shù)據(jù)組織與存儲必須與這種動態(tài)變化相呼應(yīng)，為此采用線路與物理桿塔動態(tài)映射的數(shù)據(jù)組織模式。如圖2所示，在線路和物理桿塔之間增加一個虛擬桿塔表，虛擬桿塔的組合構(gòu)成一條完整的線路，在添加新的虛擬桿塔時，如果物理桿塔表中已存在該塔，則建立關(guān)聯(lián)關(guān)系，如沒有，則在物理表中添加新紀錄并關(guān)聯(lián)聯(lián)。

圖2 線路與物理桿塔動態(tài)映射的數(shù)據(jù)組織模式

為了提高海量影像文件的存儲性能，采用鍵/值數(shù)據(jù)庫(key-value database)結(jié)合Memcached中間緩存系統(tǒng)方案。鍵/值數(shù)據(jù)庫以鍵作為唯一標識符，以值存儲數(shù)據(jù)，鍵/值數(shù)據(jù)庫沒有關(guān)系數(shù)據(jù)中復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，因此其性能更高效。

五、三維模型的自動化構(gòu)建

COLLADA是基于XML的3D數(shù)字數(shù)據(jù)交換標準。COLLADA DOM擁有豐富的內(nèi)容用于表現(xiàn)場景的各種元素，可編程控制三維交互應(yīng)用的紋理效果和物理模擬。由此，可用程序自動計算出在COLLADA中定義三維物體的各個點坐標，從而動態(tài)構(gòu)建三維設(shè)備模型。3類對象可自動化構(gòu)建：①具有對稱性、規(guī)則幾何形狀的對象；②可用多個重復(fù)的小部件組裝的對象；③可用簡單函數(shù)(具有明確的定義域和值域)表示的對象。三維自動化建模的流程如圖3所示。圖4中的桿塔由人工依據(jù)設(shè)計圖紙構(gòu)建，絕緣子串和間隙圓則是由程序自動計算生成的。

六、架空線路的三維可視化

如圖5所示，三維可視化平臺可以直觀顯示魚塘、高桿植物、水土流失區(qū)、河流等影響線路運行安全的環(huán)境因素，可直觀地觀察線路走廊的地理環(huán)境、導(dǎo)線排列方式及同塔架設(shè)情況。

圖3 基于COLLADA的三維建模自動化構(gòu)建流程

圖4 桿塔間隙圓在風(fēng)偏情況下的建模模擬

圖5 桿塔周邊環(huán)境及相序及同塔架設(shè)情況建模

圖6是基于SVC的高桿樹木生長預(yù)測模型進行動態(tài)建模，并與導(dǎo)線弧垂模型比較分析以監(jiān)控安全距離。

圖6 基于SVC樹木生長預(yù)測與線路弧垂分析

圖7為在三維可視化平臺上實時加載顯示EMS中線路負荷、在線監(jiān)測系統(tǒng)實時狀態(tài)數(shù)據(jù)等。

圖7 實時線路負荷的可視化展示——超負荷情況

如圖8所示，按照給定線路虛擬巡線時，可自動檢查經(jīng)過線路與交叉跨越、地面、樹木及線路周邊建筑物等是否在安全范圍之內(nèi)，巡線時實時顯示地形剖面、線路弧垂、污區(qū)分布圖、雷電分析圖等。

圖8 基于三維可視化平臺的輸電線路虛擬巡線

七、線路維護管理專題分析與制圖

針對鳥害、白蟻及污穢等影響線路安全因素的空間分布特性，專門針對輸電線路的相應(yīng)管理需求開發(fā)了專題分析與制圖工具，用于繪制鳥害分布圖、白蟻分布圖、污穢分布圖等(如圖9、圖10所示)。

圖9 根據(jù)環(huán)境、氣候、習(xí)性繪制的鳥害分布圖

圖10 根據(jù)在線監(jiān)測數(shù)據(jù)生成的污穢等級分布圖

八、結(jié)束語

本文以輸電線路及其設(shè)備的靜態(tài)屬性和動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)為研究對象，充分考慮了輸電線路運行管理的實際需求，建設(shè)了基于鍵值數(shù)據(jù)庫的影像庫、模型庫等，研究實現(xiàn)了基于COLLDA的設(shè)備三維模型的動態(tài)構(gòu)建方法，設(shè)計實現(xiàn)了輸電線路維護管理的三維可視化平臺，注重各類在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)的聚合。同時將地物地貌、河流湖泊、道路交通及氣象等資源信息集成顯示，可在一體化平臺上查看分析線路的全網(wǎng)視圖，以及設(shè)備狀態(tài)、線路走廊、雷電、污區(qū)、白蟻等多方面的信息，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)技術(shù)檔案資料的動態(tài)管理、線路的自適應(yīng)組織管理等相關(guān)的業(yè)務(wù)應(yīng)用，實現(xiàn)了輸電線路的可視化、數(shù)字化、智能化和精細化管理。

[1] 周承虎.地理信息系統(tǒng)的透視[J].地理學(xué)報，1995，50 (增刊)：1-12.

[2] 楊凡，豐衛(wèi)平.GIS在輸電系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].云南電力技術(shù)，2004，32(1)：321-323.

[3] 賴佳棟，張建華，齊志剛.營配一體化的城市電網(wǎng)信息管理[M].北京：中國電力出版社，2010.

[4] 李鑫，任培祥，陳敬理，等.三維全景智能電網(wǎng)支撐平臺在電網(wǎng)信息化過程中的應(yīng)用[J].電力技術(shù)，2010，19(4)：54-57.

[5] 任培祥，朱中耀，李鑫，等.三維全景智能電網(wǎng)支撐平臺的關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用[J].電力勘測設(shè)計，2009 (4)：51-56.

[6] 范光甫，朱中耀，蔣榮安.三維數(shù)字化電網(wǎng)解決方案[J].電力勘測設(shè)計，2005(1)：30-34.

[7] 秦綬坤，許哲平，鄧志平，等.基于Google Earth的線路臺帳表格生成系統(tǒng)[J].廣西電力，2008(5)：17-20.

[8] 楊帆，劉剛.基于Google earth平臺的輸電線路可視化管理研究[C]∥第六屆輸配電技術(shù)國際會議暨中電聯(lián)供電分會年會.廣州：中國電力出版社，2007：287-291.

[9] 邢文忠.Google Earth衛(wèi)星地圖軟件在電力線路地理信息管理中的應(yīng)用[J].廣東輸電與變電技術(shù)，2007 (4)：18-22.

Research on Three-dimensional Visualization Management Platform for Intelligent Transmission

XU Zhihai，JIANG Congshi，WU Lihui，XU Xiaogang，TANG Zhenpeng

P208

B

0494-0911(2014)09-0100-04

2013-08-01

許志海(1982—)，男，遼寧遼陽人，博士，工程師，主要從事輸電線路的測繪、防污防冰技術(shù)研究。

江聰世引文格式:許志海，江聰世，武利會，等.面向智能輸電的三維可視化管理平臺研究[J].測繪通報，2014(9)：100-103.

10.13474/j.cnki.11-2246.2014.0306