基于CIM的配電網三維可視化關鍵技術研究與實現

楊成順，黃 淮，戴宇辰，黃宵寧

(南京工程學院 電力學院，江蘇 南京 211167)

基于CIM的配電網三維可視化關鍵技術研究與實現

楊成順，黃 淮，戴宇辰，黃宵寧

(南京工程學院 電力學院，江蘇 南京 211167)

為滿足配電網三維可視化系統對資產數據來源的需求，通過構建核心包、拓撲包中各類數據模型的靜態關系，建立了配電網三維可視化系統的CIM模型，并根據空間幾何屬性將模型的三維信息轉化為數據結構，實現了與現有配電管理系統間的信息交互。并針對系統在還原CIM三維模型實際空間位置時精度較低的問題，提出了一種基于模擬退火算法的坐標轉換最優參數選擇方法，通過對比三種方法的轉換誤差結果證明了方法的可行性和有效性。最后結合實例展示了配電網三維可視化系統的實際效果和應用功能。

配電網；三維可視化；公共信息模型；坐標轉換；模擬退火

0 引言

隨著計算機圖形學的發展和硬件性能的成倍提高，三維可視化技術日益完善，為電力系統的運行管理、教學培訓與規劃建設等工作提供了更為直觀、真實的表現方式，已經成為電力系統可視化發展的趨勢[1-2]。文獻[3]利用全景圖像技術構建了變電站的三維仿真平臺，支持虛擬場景瀏覽和故障操作功能。文獻[4]通過激光掃描獲取輸電線路走廊的地形數據，運用LOD和區域四叉樹結構進行動態調用和操作，開發了輸電線路的三維可視化系統。文獻[5]論述了電力系統主要的數據類型和圖形化表達方式，設計并實現了電網實時監控的三維可視化系統。

長期以來，配電網的三維可視化是一項非常復雜的系統工程。文獻[6]分析了三維虛擬可視化的建模對象和系統構建流程，為實現配電網的高級應用功能提供了三維基礎平臺。文獻[7]進一步提出了可視化系統的體系結構和數據庫設計方案，并在配電管理系統中進行了應用和展示。然而，隨著城鎮化進程的加快發展和居民生活水平的提高，配電網絡規模不斷擴大，各類設備資產及相互間連接方式日趨復雜，采用人工方式搭建虛擬配電線路已無法滿足三維可視化系統的需求，如何借助配電管理系統的數據信息還原真實網絡拓撲結構成為當前三維可視化工作的主要瓶頸。

CIM采用面向對象的方式描述電力系統中的設備結構，是各管理系統之間信息兼容和交互的重要應用工具[8]。本文研究了基于CIM模型構建配電網三維可視化系統的方法，以滿足配電線路設計和運維工作的實際需要。同時，針對當前坐標轉換算法容易導致設備三維模型位置偏移的問題，提出一種基于模擬退火算法的最優參數選擇方法。

1 基于CIM的配電網三維模型

為了便于管理和分析各種應用范圍，CIM將電力系統的模型元件劃分為一組包，每個包中含有多個真實設備類，并通過統一建模語言實現了相關描述[9-10]。為解決可視化系統對配電網資產數據來源的需求，本文通過構建核心包、拓撲包中各類數據模型的靜態關系，建立了配電網三維可視化系統的CIM模型，分為設備資產、設備容器資產和建筑物支撐資產三類，并對其三維模型進行表述，將虛擬場景的三維信息轉化為數據結構。

1.1 設備資產

設備資產指在配電網中的一次和二次設備。以核心包中的設備類作為配電網的基類，所有設備資產繼承公共特征和屬性，如圖1所示。

圖1 設備資產模型

1.2 設備容器資產

設備容器資產指配電網中各種設備資產的組織關系。CIM模型將核心包中的變電站、電壓等級、間隔和復合開關共同組成了一個設備容器，并與設備模型建立了聚合關系。在原有模型的基礎上，將配電網中的開閉所和環網柜作為設備容器資產的子類，并繼承相關屬性，如圖2所示。

圖2 設備容器資產模型

1.3 建筑物支撐資產

桿塔、電纜溝等基礎設施作為配電線路的支撐物，是配電網的重要組成部分。通過拆分桿塔和電纜溝的組成結構，定義了建筑物支撐資產的模型，如圖3所示。

圖3 建筑物支撐資產模型

1.4 三維模型表述

虛擬場景的三維模型是實現配電網可視化的重要基礎。與原有基于可縮放矢量圖形(SVG)的二維模型相比，三維模型具有清楚直觀、高度仿真的特點，能夠充分展示各類設備元件模型和網絡拓撲結構。因此，本文對CIM中的各類資產模型進行三維表述，流程如圖4所示。

圖4 配電設備三維表述流程

概念模型是在實際模型的基礎上，通過相關規則來描述實際模型的結構、位置、參數等信息。將配電設備的實際模型拆分為若干組成部分，確定各部分的幾何特征和屬性特征，建立配電設備的概念模型。

在此基礎上，為了便于分析和管理概念模型，以三維空間的節點、線段和三角形為子類，定義各組成部分的聚合關系和約束條件，得出三維模型的空間層次關系，如圖5所示。

圖5 空間層次關系

形式化描述是指對三維模型進行抽象的數學表述。根據所建立的空間層次關系，將配電設備的概念模型轉化為三維數據結構，關聯資產模型中的設備屬性信息，通過統一建模語言完成形式化描述，實現配電設備的三維表述。

以CIM設備資產中的電力變壓器為例，其實際模型主要由為分接頭、套管和線圈三部分組成。分析各部分的幾何特征，同時關聯資產模型中的設備屬性信息，建立電力變壓器的概念模型。按照上文所述的空間層次關系，完成電力變壓器的形式化描述。

Transformer={Tap changer, Winding, Bushing}

Tap changer={Vol_1, Vol_2… Vol_n}

Vol_i={Sur_1, Sur_2… Sur_n}

Sur_i={Tri_1, Tri_2…Tri_n}

Tri_i={Node_1, Node_2, Node_3}

Seg_i={Node_1, Node_2}

2 基于模擬退火算法的最優參數選擇

為在三維空間中進行配電網定位，需要將實際坐標轉換為可視化系統采用的空間直角坐標。受轉換函數和求解方式的影響，目前的坐標轉換算法容易產生較大精度誤差，導致CIM中各類資產設備的三維模型偏離實際位置，降低了可視化系統的真實度和沉浸感[11]。因此，本文提出一種基于模擬退火算法的坐標轉換最優參數選擇方法。

2.1 問題分析

布爾沙模型作為空間直角坐標轉換的常用模型[12]，其表達式為：

(1)

式中：X2、Y2、Z2為轉換后坐標；X1、Y1、Z1為原坐標系坐標；ΔX、ΔY、ΔZ為坐標偏移量；k為比例因子；εx、εy、εz為坐標軸間的夾角。轉換精度的控制參數為坐標偏移量、比例因子和坐標軸夾角，分別對應坐標系的平移變換、旋轉變換和尺度變換。

以公共點的坐標值為基礎，通常采用最小二乘法進行控制參數的求解。公共點的坐標精度直接影響布爾沙模型的轉換結果。若公共點的坐標精度存在偏差，最小二乘法計算結果將導致可視化系統的坐標定位偏離實際位置。

2.2 算法描述

模擬退火算法是利用固體物質的退火原理和組合優化問題之間的相似性尋找目標函數的最優解[13]。從較高的初始溫度開始隨機搜索，引入適應度函數進行判斷，隨著溫度的不斷下降最終獲得目標函數的全局最優解，基本流程如圖6所示。

圖6 模擬退火算法流程

利用模擬退火算法求解坐標轉換的最優參數問題，建立控制參數的目標函數為：

(2)

步驟一：設定初始溫度t0和迭代次數L，選定初始坐標點建立方程組，計算布爾沙模型的控制參數和初始點的適應度函數值f(X，Y，Z)，計算公式為：

(3)

式中：X、Y、Z為坐標的計算值；X2、Y2、Z2為坐標的實際值。

步驟二：取k=1到L，執行步驟三至步驟五。

步驟三：隨機產生擾動，得到新的坐標點，通過當前控制參數求解新點的轉換值和適應度函數，計算兩點的適應度差值Δf=f1-f2。

步驟四：若Δf<0，則接受新點，否則根據概率exp(-Δf/T)選擇是否接受，更新所列方程組，求出控制參數的新解。

步驟五：連續若干個溫度狀態下沒有新解被接受，結束程序并輸出當前解為控制參數的最優解。

步驟六：溫度逐漸下降，轉步驟二。冷卻公式為：

(4)

2.3 實驗驗證與結果分析

本文以新疆某地區為試驗對象，獲取地理信息和三維空間中100個重合點坐標值，分別采用模擬退火算法、最小二乘法和解耦法求解坐標轉換的最優控制參數[14]。在此基礎上，計算樣本內各點轉換值和實際值之間的誤差，如圖7所示。

圖7 三種方法誤差統計

結果表明：利用模擬退火算法求解坐標轉換的目標函數，在一定的溫度下隨機搜索坐標點，通過適應度函數進行篩選，隨著溫度的不斷下降得出控制參數的最優解，避免最小二乘法和解耦法進行矩陣求逆運算產生的誤差，有效提高了坐標轉換的精度。

3 系統實例

以新疆某地區為試驗對象，在該地區三維可視化模型的基礎上，采集配電GIS系統中線路和設備的相關信息，主要包括桿塔位置、桿塔型號、金具連接和配電設備四類，通過本系統實現配電網的快速搭建和展示功能，輸出路徑走向、桿塔位置與關聯設備的三維信息，如圖8所示。

圖8 三維配電線路

系統建立包圍盒進行線路三維空間分析，用來判斷與周邊建筑物、環境的電氣安全距離，如圖9所示。同時，計算線路末端的電壓降，為原有配電線路的優化與建設工作提供技術支持。

圖9 廊道校驗

4 結論

本文以電力系統CIM模型為基礎，開展了配電網三維可視化系統的研究與實現。建立了三維可視化系統的CIM模型，闡述了如何將模型的三維信息轉化為數據結構，解決了可視化系統對配電網資產數據來源的需求。同時，針對三維模型的坐標精度問題提出一種基于模擬退火算法的坐標轉換最優參數選擇方法，通過對比三種方法的轉換誤差結果證明了本方法的有效性。

借助三維可視化技術進行配電網的構建，為運維部門開展管理工作提供了更加直觀有效的平臺化工具，對提高日常技術工作的效率和保證電力企業的健康發展具有非常重要的意義。

[1] 陳海波,鄭健,費瑞軼,等.虛擬現實技術在電力系統中的典型應用[J].電網與清潔能源, 2016, 32(2) : 20- 25.

[2] 賴曉文,陳啟鑫,夏清,等.基于SVG技術的電力系統可視化平臺集成與方法庫開發[J].電力系統自動化, 2012,36(16):76- 81.

[3] 趙春林.基于三維全景快速建模的變電站可視化的研究和應用[D].濟南:山東大學,2013.

[4] 麥曉明,陳馳,彭向陽,等.輸電線路走廊三維可視化技術和系統設計[J].中國電力,2015, 48(2): 98- 103.

[5] 趙林,王麗麗,劉艷,等.電網實時監控可視化技術研究與分析[J].電網技術,2014, 38(2): 538- 543.

[6] 完整,繆偉,衛志農,等.配電網三維虛擬可視化平臺的研究與應用[J].電網與清潔能源, 2011, 27(5): 12- 15.

[7] 趙靜.三維配電網地理信息系統的開發與研究[D].廣州:華南理工大學, 2013.

[8] 胡紹謙,李力,祁忠,等.保護信息系統IEC 61850建模及CIM擴展的研究與應用[J].電力系統自動化, 2016, 40(6): 119- 125.

[9] 呂欣,張鐵峰,呂越穎,等.基于CIM的配網理論線損在線計算系統[J].電力科學與工程, 2014, 30(8): 74- 78.

[10] 董金哲,李少巖,梁海平,等.用于黑啟動方案生成的對象化電網拓撲分析方法[J].華北電力大學學報(自然科學版), 2015, 42(2): 23- 29.

[11] 張皓琳,林嘉睿,邾繼貴.三維坐標轉換精度及其影響因素的研究[J].光電工程,2012, 39(10): 26- 31.

[12] 李博峰,黃善琪.大角度三維基準轉換的解析封閉解[J].測繪學報,2016, 45 (3): 267- 273.

[13] 劉佳,梁秋麗,王書青,等.基于模擬退火算法的螢火蟲群優化算法研究[J].計算機仿真, 2014, 31(5): 284- 287.

[14] 鄧永和.改進的整體最小二乘法在平面坐標變換中的應用[J].大地測量與地球動力學, 2016,36(2): 162-166.

Research and Implementation of Key Technologies for 3D Visualization of Distribution Network Based on CIM

YANG Chengshun, HUANG Huai, DAI Yuchen, HUANG Xiaoning

(School of Electric Power Engineering, Nanjing Institute of Technology, Nanjing 211167, China)

In order to meet the demands of the three-dimensional visualization system, the CIM model of three-dimensional visualization system for distribution network is established by constructing a static relationship between various data models in the core package and topological package. According to the geometric properties of the space, the 3D information of the model is transformed into the structure data. Therefore, the information exchange between the existing distribution management systems is realized. Moreover, aiming at the problem of low precision of the system in restoring the spatial position of the 3D model for the CIM component, an optimal parameter selection method based on a simulated annealing algorithm is proposed. The feasibility and effectiveness are proved by comparing the different three methods. Finally, an example is given to show the actual effect and applicability of the three-dimensional visualization system.

distribution network; 3D visualization; CIM; coordinate transformation; simulated annealing

劉建(1990-)，男，碩士研究生，研究方向為異步電機三電平變頻調速。

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.05.002

2017-03-06。

南京工程學院高層次引進人才科研啟動基金項目(YKJ201412)。

TM72

A

1672-0792(2017)05-0006-05