基于三維數字化的輸配用電線路的仿真系統設計和實現

四川中電啟明星信息技術有限公司 辜 超 尚忠玉 吳 溢 程皓杰 張殿金

隨著國網公司提出建設具有中國特色國際領先的能源互聯網企業的最新戰略目標，國網公司加快了電力物聯網建設與電力數據價值挖掘的步伐，加速向數據驅動型企業轉型，故有必要加快推進輸電線路物聯網體系與數字化體系的建設，有力支撐公司數字化轉型。當前階段，輸電線路的各項監測功能與數據分布在不同的業務信息系統中，由各個系統單獨為運檢人員提供數據支撐，未能有效的整合各類數據，無法利用數據進行綜合的分析診斷，不能發揮各類數據應有的價值。同時，輸電線路主要依賴人工巡視，監測點位少，不能全面覆蓋輸電線路的所有要素。因此有必要采用更先進的信息技術，實現輸電線路運行狀態的全面感知與智能分析，進一步提高輸電線路運檢的時效性與智能化程度，從而提高輸電線路運檢的工作效率。

1 系統需求及建設內容

大運會主供電線路起于成都龍泉驛區500kV桃鄉變電站，止于成都龍泉驛區東安湖體育中心，同塔雙回架設，線路長度近25km，合計桿塔為48基，其中鐵塔23基（直線16基、耐張7基），鋼管桿25基（直線18基、耐張7基）。導線采用2×LGJ-630/45鋼芯鋁絞線，地線采用一根LGBJ-120-40AC鋁包鋼絞線和一根OPGW-140光纜相配合，基準風速為23.5m/s、設計覆冰為5mm；全線劃分為d級污穢區。

220kV桃柏一二線1#-17#塔位于荒廢農田，雜草荊棘叢生，逐級巡視難度大；17#-18#塔跨越城環路；18#-23#塔位于荒地，存在深夜野土隨意傾倒、無政府監管情況，隨意堆土易導致導線對地距離不足；23#-48#塔位于人行道旁規劃綠化帶中，有綠化公司種植高大樹木的風險；110kV柏高線與高光線（同塔雙回）途經龍泉經濟開發區，其中11～12#桿塔位于魚塘旁，雖有禁止釣魚公告，但由于無監管措施，存在釣魚愛好者釣魚的情況。

基于這些需求，迫切需要一種能與現場環境進行直接交互的智能系統，實現輸電線路全景感知、魚塘電子圍欄與聲光告警、外力破壞人工智能識別、樹木距離監測告警、塔基鳥巢監測告警、導線溫度監測等應用場景，提高線路故障診斷和定位準確度，降低人工巡視難度及成本，保障線路穩定運行。

開展輸電線路全鏈路的數字孿生應用探索，選取500kV桃鄉變電站-220kV紅砂變電站、500kV桃鄉變電站-220kV柏合變電站-110kV高桐變電站-110kV陽光變電站全鏈路的部分輸電線路開展數字孿生試點應用建設，實現輸電線路全鏈路的虛擬全景交互、智能診斷、三維可視化展示、數據融合等能力，其中變電站作為一個整體進行展示，展示內容包括變電站名稱、變電站變壓信息等基本內容[1]。

模型建設。三維模型建設是三維可視化的具體反映，通過點云的特征提取和分解，按照桿塔、導線、金具、絕緣子串、塔基、附屬設施、監測裝置等類型導入3DMax進行建模，實現三維標準化模型庫的建立，真實反映設備設施細節和特征，直觀的了解設備設施的位置、尺寸及與周圍設備設施的相對空間位置關系等信息，其中模型精度為厘米級。

數字孿生輸電線路。以三維可視化方式展示輸電線路通道環境、桿塔模型、監測裝置，同時基于傳感、視頻等實時監測裝置數據，完成輸電線路的實時虛擬仿真與全景交互，并結合物聯網的數據融合、大數據的處理和人工智能的建模分析，實現對線路當前狀態的評估、對過去發生問題的診斷，展示分析結果，提供更全面的安全監管及智能輔助決策處置等能力[2]。

三維可視化。創建3D數字孿生模型，支撐輸電線路全方位數字化展示，包括測量感知、數字建模、模型展示、模型同步、運行管理等。在進行輸電線路三維建模時，基于地圖對選擇的輸電線路進行直觀、精確的三維建模，包括展示輸電線路上電力設備關系、分布位置、監測裝置位置等。首先對輸電線路上各類主要電力設備進行等比例三維建模；其次對輸電線路上電力設備關系、三維地理位置沿布及拓撲進行三維可視化展示。

2 系統主要功能及實現流程

基于三維仿真技術構建輸配用電全鏈路數字孿生應用，主要功能包括以下方面：

三維孿生場景：實現對變電站->桿塔->環網柜->配電室整個輸電線路可視化；以三維可視化方式展示輸電線路通道環境、桿塔模型、監測裝置，同時基于傳感、視頻等實時監測裝置數據，完成輸電線路的實時虛擬仿真與全景交互。對設備的運行情況、告警信息及個性化信息通過桌面可視化形式展示；運維監測：根據位置臺賬和分類臺賬選擇要監控的設備，根據三維中的設備提示打開數據標牌，可在標牌上查看遙測、遙信、設備參數等信息。對于設備上有儀表盤的設備，可直接在三維儀表看上查看實時監控數據；以列表的形式在輸電全鏈路數字孿生系統中，顯示所有已經接入的輸電線路信息[3]。

智能診斷：在輸電全鏈路數字孿生系統中，將監控點與攝像頭關聯并進行告警診斷、外破監測、導線溫度監測、樹障監測、告警統計、以及規則配置等；智能巡檢：通過制定巡檢計劃，可在線上查看監控視頻，實現線上巡檢，降低線下運維成本；模型參數配置：實現變電站、低壓線路、開關站、環網柜、配電室、總表、開關柜、變壓器進出、抽屜柜、電力相關業務模型的建設和維護，通過配置模型參數、模型點擊事件優化模型，為輸電線路數字化3D場景做支撐；綜合管理：基于圖模管理對系統設備資源如傳感器、攝像頭、變電站、環網柜、配電室、桿塔、線路進行維護。輸配用電全鏈路數字孿生系統，通過智能融合終端完成輸電線路全鏈路的實時數據采集與視頻監控。

實現流程：運維人員到達現場后通過安裝智能融合終端并調試，檢測網絡是否順暢并進行認證組件認證，認證組件在收到智能融合終端上報的認證參數及請求后，通過匹配自身數據庫來驗證是否通過驗證，然后進行數據的傳輸校驗，最后運維人員收集現場設備相關參數和信息用于三維建模，然后通過參數信息實現三維仿真。

3 技術架構

基于三維仿真技術構建輸配用電全鏈路數字孿生應用，總體技術架構采用微服務架構后端使用java技術，三維建模使用thingjs-x，操作界面采用html5和bootstrap前端框架，從而簡化了現場運維難度，更便于現場運維。

3.1 軟件實現方面

軟件實現的具體步驟如下：安裝智能融合終端，進行調試及維護；組件認證，認證終端設備；MQTT注冊，建立一個MQTT的客戶端獲取MQTT Broker的信息；采集數據，基礎設備的數據采集獲取；通過5G網絡將數據實時回傳到數據測量模型；數據庫初始化，主要負責設置數據庫的相關配置；配置初始化，負責對配置文件解析；三維模型庫初始化，對三維模型的相關配置文件解析；設備基礎信息參數收集，獲取設備序列號、出廠編號等基本信息；三維模型建模，根據設備基礎信息或CAD圖紙進行模型建模；智能算法分析，根據實時數據結合規則算法進行智能分析；實時預警與告警，根據分析結果進行預警和告警統計；三維仿真場景展示，整個輸電線路可視化，以三維可視化方式展示輸電線路通道環境、桿塔模型、監測裝置，同時基于傳感、視頻等實時監測裝置數據。

圖1 軟件實現流程

3.2 安全方面

在應用層部署一個安全認證組件，初始內置運維的登錄用戶名、密碼、組織機構、智能融合終端ESN。當登錄智能融合終端時，終端將操作員的用戶和密碼、組織機構、終端ESN發到認證組件，只有當這四個參數全部匹配通過后認證組件返回通過字符串，終端在收到通過字符串后才允許運維人員操作。

綜上，通過數字孿生技術能極大提升線路運維的信息化含量，緩解運行壓力，提高對輸電線路運行情況的收集和掌握，提高對應急搶修等突發情況的相應速度，實現運檢效率高效化，利用邊緣計算實現設備狀態的初步診斷及告警，融合數字孿生技術實現輸電線路狀態主動評估、智能預警及精準運維，提升線路運維保障能力，提高線路運檢效率效益。挖掘數據價值，提供數據支撐。加快能源互聯網價值創造體系-電力市場運營應用的建設，通過靈活的數據交互和探索分析能力，滿足應用軟件的數據分析需求。幫助用戶挖掘數據的潛在價值，為管理者制定決策提供數據支撐。