張 建，張 浩，江 炯，黃曉明，李明磊

（國網(wǎng)浙江省電力公司寧波供電公司，浙江 寧波 315016）

基于三維地理信息技術(shù)的智能高壓輸電網(wǎng)管理系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用

張 建，張 浩，江 炯，黃曉明，李明磊

（國網(wǎng)浙江省電力公司寧波供電公司，浙江 寧波 315016）

為了確保高壓輸電線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行，進(jìn)一步深化數(shù)字化電網(wǎng)建設(shè)，建立了智能高壓輸電網(wǎng)管理平臺(tái)，開展了基于三維地理信息技術(shù)的智能高壓輸電網(wǎng)管理系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用研究，該系統(tǒng)主要包括：高壓輸電網(wǎng)電力資產(chǎn)綜合管理系統(tǒng)、帶電作業(yè)模擬系統(tǒng)、危險(xiǎn)預(yù)測檢測系統(tǒng)等，各系統(tǒng)相互關(guān)聯(lián)、緊密聯(lián)系，分別對(duì)應(yīng)日常電力生產(chǎn)中的各個(gè)重要環(huán)節(jié)，并提供設(shè)計(jì)與決策管理信息支持，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

輸電線路；三維地理信息技術(shù)；電力資產(chǎn)；帶電作業(yè)；危險(xiǎn)預(yù)測；管理平臺(tái)

0 引言

社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展促使電網(wǎng)迅速發(fā)展，電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大。隨著堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)建設(shè)的進(jìn)行，作為智能電網(wǎng)主要組成部分的智能輸電網(wǎng)也日益受到重視，從而對(duì)輸電線路的運(yùn)維、管理提出了新的要求。建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的基礎(chǔ)是信息化[1]，如何提高輸電線路的信息化水平顯得尤為重要，而GIS（地理信息系統(tǒng)）技術(shù)正是主要手段之一。

目前大部分輸電線路管理系統(tǒng)都是基于傳統(tǒng)二維GIS技術(shù)，存在缺乏空間表現(xiàn)力、不夠直觀等缺點(diǎn)，已不能滿足目前工作需求。近年來，三維GIS技術(shù)不斷成熟，因其具有直觀、真實(shí)、可視和高效等特點(diǎn)，為空間信息的展示提供了更豐富、細(xì)膩和逼真的平臺(tái)，因此是解決高壓輸電網(wǎng)管理的最佳辦法。目前對(duì)輸電線路三維技術(shù)應(yīng)用方面的研究較多，側(cè)重點(diǎn)各有不同，文獻(xiàn)[2]結(jié)合三維模型構(gòu)建和模式設(shè)計(jì)，提出了一種構(gòu)建三維輸電線路GIS系統(tǒng)的方法，并在實(shí)際工程中得到了應(yīng)用，但該系統(tǒng)的功能還不夠完善，需要擴(kuò)展。文獻(xiàn)[3]根據(jù)三維GIS的技術(shù)特點(diǎn)和送電線路的設(shè)計(jì)要求，提出了三維送電線路選線GIS系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案和實(shí)現(xiàn)方法，為電力線路設(shè)計(jì)提供了更便捷的操作平臺(tái)，但該系統(tǒng)主要偏向于電力線路的規(guī)劃和設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[4]基于三維GIS技術(shù)設(shè)計(jì)了一套輸電線路數(shù)字化管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括三維顯示模塊、系統(tǒng)集成模塊、智能風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與預(yù)警專家系統(tǒng)模塊等，主要側(cè)重于輸電線路運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測。文獻(xiàn)[5]主要介紹了所建系統(tǒng)在輔助線路規(guī)劃設(shè)計(jì)、施工進(jìn)度管理、線路運(yùn)行智能化管理方面的應(yīng)用。

寧波供電公司基于三維GIS技術(shù)開發(fā)建設(shè)了智能高壓輸電網(wǎng)管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)側(cè)重于輸電線路的運(yùn)維管理和應(yīng)急演練管理，主要包括高壓輸電網(wǎng)電力資產(chǎn)綜合管理系統(tǒng)、帶電作業(yè)模擬系統(tǒng)、危險(xiǎn)預(yù)測檢測系統(tǒng)等，對(duì)目前已有的輸電線路三維GIS系統(tǒng)是一個(gè)補(bǔ)充。

1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

圖1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

寧波智能高壓輸電網(wǎng)管理系統(tǒng)是一個(gè)分布式的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，采用B/S（瀏覽器/服務(wù)器）架構(gòu)，通過在客戶端為客戶定制相關(guān)表現(xiàn)界面和功能，可在客戶端實(shí)現(xiàn)分析和計(jì)算等業(yè)務(wù)，服務(wù)器端的數(shù)據(jù)庫則可以通過數(shù)據(jù)服務(wù)層供客戶端訪問。

系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示，總體結(jié)構(gòu)劃分為標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范體系和安全與管理保障體系，這兩大體系是整個(gè)系統(tǒng)建立的保障和依據(jù)。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與建設(shè)嚴(yán)格遵守國家、地方與行業(yè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，對(duì)于尚無標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范的，參照國家、地方與行業(yè)的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)予以制定。系統(tǒng)安全與管理保障體系包括安全管理制度、網(wǎng)路安全、軟件安全、數(shù)據(jù)庫安全4個(gè)方面。

整個(gè)系統(tǒng)采用支撐層、數(shù)據(jù)層、軟件層和服務(wù)層4層體系架構(gòu)，各層之間有機(jī)結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各項(xiàng)應(yīng)用功能。各層面的功能如下：

（1）支撐層。支撐層主要包括計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、硬件平臺(tái)和軟件平臺(tái)，是支撐整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的必備基礎(chǔ)設(shè)施。該系統(tǒng)部署于寧波供電公司信息內(nèi)網(wǎng)。硬件平臺(tái)主要指主機(jī)設(shè)備、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的服務(wù)器等。軟件平臺(tái)包括操作系統(tǒng)軟件、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)軟件、GIS軟件等。

（2）數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)層由數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)庫層、數(shù)據(jù)共享和交換層3個(gè)子層組成。數(shù)據(jù)采集層包括數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳輸，其主要功能是完成機(jī)載激光雷達(dá)掃描、地形圖數(shù)字化、GPS（全球定位系統(tǒng)）測量、影像等輸電運(yùn)維管理相關(guān)應(yīng)用數(shù)據(jù)的獲取與處理。數(shù)據(jù)庫層由本系統(tǒng)建成的多個(gè)相關(guān)數(shù)據(jù)庫組成，包括輸電線路模型庫、地形地貌模型庫等。各個(gè)數(shù)據(jù)庫采用分布式存儲(chǔ)，為輸電管理三維GIS應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持。數(shù)據(jù)共享與交換層位于軟件層與數(shù)據(jù)庫層之間，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中心與各輸電管理狀態(tài)檢測系統(tǒng)以及其他狀態(tài)信息源之間的數(shù)據(jù)共享與交換。

（3）軟件層。軟件層是上層應(yīng)用的基礎(chǔ)，可實(shí)現(xiàn)輸電線路管理應(yīng)用中的數(shù)據(jù)組織、管理與應(yīng)用等核心功能。

（4）服務(wù)層。服務(wù)層主要實(shí)現(xiàn)輸電線路管理應(yīng)用系統(tǒng)自身的應(yīng)用服務(wù)，以及與其他信息系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和功能交換服務(wù)等。

2 數(shù)據(jù)獲取與組織管理

2.1 數(shù)據(jù)獲取

數(shù)據(jù)主要分為基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)兩大類[5]?；A(chǔ)空間數(shù)據(jù)包括桿塔、輸電線路、電網(wǎng)接線圖、多分辨率影像、數(shù)字高程模型等。業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包括設(shè)備臺(tái)賬、運(yùn)行資料、設(shè)計(jì)資料、在線檢測信息等?；A(chǔ)空間數(shù)據(jù)要利用機(jī)載、地面三維激光測量系統(tǒng)人工采集[6]，其中桿塔測量除了可采用機(jī)載三維激光測量系統(tǒng)外，還可采用外業(yè)GPS與全站儀聯(lián)合測量方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)則通過資料收集后導(dǎo)入。

2.2 三維精細(xì)模型建模

利用機(jī)載、地面三維激光測量系統(tǒng)等多種手段采集到的數(shù)據(jù)和數(shù)碼相機(jī)同步采集的高分辨率相片，通過數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理可以建立輸電線路、桿塔的精細(xì)模型[7]，處理流程如圖2所示。

圖2 三維建模流程

2.3 數(shù)據(jù)組織與管理

系統(tǒng)的信息數(shù)據(jù)不僅包括全市域輸電線路模型數(shù)據(jù)，還包括地上空間的地形地貌、矢量點(diǎn)線路及建（構(gòu)）筑物等基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)，具有數(shù)據(jù)復(fù)雜和數(shù)據(jù)海量的特點(diǎn)。系統(tǒng)在架構(gòu)上獨(dú)立設(shè)置數(shù)據(jù)管理功能層進(jìn)行海量空間數(shù)據(jù)的管理，如圖3所示，從邏輯上與系統(tǒng)其它各層分離，實(shí)現(xiàn)了空間數(shù)據(jù)存取的相互獨(dú)立性。

圖3 數(shù)據(jù)組織與管理結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)功能及應(yīng)用

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了多種功能，主要包括三維瀏覽查詢、輸電網(wǎng)三維電力資產(chǎn)綜合管理、空間量測分析、三維模擬設(shè)計(jì)、模擬巡視管理、演練與應(yīng)急等功能模塊。

3.1 三維瀏覽查詢

實(shí)現(xiàn)了在場景中步行、駕駛、飛行等模式，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)、平移、縮放及沿著固定路徑行走和漫游的功能，還可對(duì)感興趣的區(qū)域進(jìn)行路徑設(shè)置，以及對(duì)行走過程中的視頻進(jìn)行錄制和存放操作。該功能模塊不僅能實(shí)現(xiàn)以機(jī)巡或人工模式沿輸電線路通道查看地形地貌、設(shè)備要素，還能以機(jī)巡模式在輸電線路上空俯視整個(gè)電力走廊的狀況，如圖4所示。

圖4 三維瀏覽查詢示意

3.2 輸電網(wǎng)三維電力資產(chǎn)綜合管理

系統(tǒng)將現(xiàn)有輸電線路大量的紙質(zhì)、電子資產(chǎn)資料，包括起止變電站位置、高壓鐵塔坐標(biāo)、鐵塔型號(hào)、導(dǎo)地線型號(hào)、跨越類型、跨越長度、前后視檔距、絕緣子類型、各種設(shè)備的生產(chǎn)廠家等各類相關(guān)信息統(tǒng)一整合到電力資產(chǎn)數(shù)據(jù)庫中，并將其與系統(tǒng)中的三維模型相關(guān)聯(lián)，配合輸電線路走廊地理信息，形成一整套三維立體化直觀電力資產(chǎn)管理體系，為快速應(yīng)急反應(yīng)、電力決策管理提供桿塔、線路屬性信息等相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的查詢，并能以小表卡形式打印輸出。

3.3 空間量測分析

空間量測分析實(shí)現(xiàn)了在三維場景中基于正射影像地圖的距離量算、面積量算、水淹分析土方計(jì)算等多項(xiàng)功能，距離量算內(nèi)容涉及輸電線路模型等任意模型的水平距離、垂直距離以及空間距離等。

3.4 輸電線路三維模擬設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)為輸電線路設(shè)計(jì)提供了另外一種途徑。用戶可結(jié)合系統(tǒng)中的地形地貌模型，選擇布線路徑，直接通過模型創(chuàng)建工具，創(chuàng)建設(shè)定的桿塔模型及連接線，使用戶可直接在三維場景中結(jié)合周邊環(huán)境進(jìn)行布線方案設(shè)計(jì)，為設(shè)計(jì)人員提供了極大的便利。

3.5 輸電線路模擬巡視管理

3.5.1 模擬巡視

可按2種方式實(shí)現(xiàn)在三維場景中的動(dòng)態(tài)巡視展示：第一種方式是通過作業(yè)現(xiàn)場的實(shí)時(shí)GPS坐標(biāo)信息返回，在三維場景中進(jìn)行動(dòng)態(tài)巡視模擬；第二種方式是作業(yè)現(xiàn)場實(shí)時(shí)錄制巡視視頻或拍攝帶坐標(biāo)信息的圖片，巡視完成返回后，在三維場景中利用以上資料的坐標(biāo)信息進(jìn)行路徑定位，并動(dòng)態(tài)模擬整個(gè)巡視路徑。

3.5.2 危險(xiǎn)點(diǎn)標(biāo)注

利用外業(yè)核查人員采集的輸電線路危險(xiǎn)點(diǎn)或缺陷桿塔等資料，在三維系統(tǒng)中導(dǎo)入危險(xiǎn)點(diǎn)等坐標(biāo)文件信息，并在對(duì)應(yīng)的三維模型位置上生成危險(xiǎn)點(diǎn)等圖標(biāo)，可直接添加危險(xiǎn)點(diǎn)相關(guān)信息，最終可在三維場景中實(shí)時(shí)查詢危險(xiǎn)點(diǎn)的相關(guān)信息資料，作為電網(wǎng)維護(hù)管理的參考依據(jù)。

3.5.3 災(zāi)害警報(bào)

根據(jù)實(shí)地獲得的損壞輸電線路的調(diào)查資料，在三維電網(wǎng)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)桿塔損壞警示，通過損壞桿塔查詢，可直接定位于三維模型，并在場景中以紅色高亮顯示桿塔模型，及傾斜或破損桿塔的實(shí)地圖片和說明文字。

3.5.4 特殊區(qū)域管理

特殊區(qū)域一般包括鳥害區(qū)、雷電區(qū)、冰凍區(qū)等。根據(jù)調(diào)查得到的特殊區(qū)域資料，在三維系統(tǒng)中通過對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)信息生成某段線路或區(qū)域的矢量范圍數(shù)據(jù)，并添加相應(yīng)的屬性信息。結(jié)合區(qū)域周邊的三維地形地貌模型，能更直觀地管理特殊區(qū)域，為電力巡線提供依據(jù)。

3.5.5 輸電線路危險(xiǎn)點(diǎn)輔助分析

導(dǎo)入分類后的激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，根據(jù)已經(jīng)整合于系統(tǒng)內(nèi)的電力規(guī)范和規(guī)程，自動(dòng)量測或手工檢測輸電通道內(nèi)導(dǎo)線弧垂對(duì)地面、房屋、樹木的（凈空、水平、垂直）距離數(shù)值小于安全距離的“危險(xiǎn)點(diǎn)”，并自動(dòng)給出危險(xiǎn)對(duì)象的地物類別、精確三維坐標(biāo)、在跨越內(nèi)的具體位置等，同時(shí)提供相關(guān)系統(tǒng)中的高分辨率影像截圖，以便快速定點(diǎn)清查排除，如圖5所示。同時(shí)根據(jù)植被生長模型、線路導(dǎo)地線風(fēng)力和風(fēng)向、在各種氣象條件下的導(dǎo)線弧垂變化等同步預(yù)測數(shù)年內(nèi)的疑似可能危險(xiǎn)點(diǎn)，從而圈定特別關(guān)注區(qū)域，以便重點(diǎn)巡查，為安全隱患排查工作提供便利。

3.6 三維模擬與演練

通過該系統(tǒng)的模擬演練功能模塊，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)500 kV同塔多回輸電線路帶電作業(yè)方案的三維模擬，主要包括500 kV同塔多回輸電線路塔頭工頻電場分布的三維模擬計(jì)算展示、模擬人的最小空間組合三維展示等功能，更好地與現(xiàn)場實(shí)際作業(yè)相結(jié)合，為500 kV同塔多回輸電線路的帶電作業(yè)方案提供可視的快速模擬、校核平臺(tái)。

3.6.1 塔頭工頻電場分布計(jì)算與三維展示

500 kV輸電線路塔頭工頻電場分布的特點(diǎn)是隨著距離的增大其場強(qiáng)成指數(shù)級(jí)衰減。塔頭工頻電場分布模擬主要通過工頻電場的分布計(jì)算，以三維仿真技術(shù)模擬產(chǎn)生電場的范圍分布情況及強(qiáng)度變化，通過三維曲面方式表示電場的分布范圍，并通過可視化系統(tǒng)進(jìn)行電場分布規(guī)律的三維模擬顯示，更直觀地反映電場輻射對(duì)周圍事物的影響，如圖6所示。

圖5 危險(xiǎn)點(diǎn)檢測與標(biāo)識(shí)

圖6 塔頭工頻電場分布三維模擬展示

3.6.2 最小空間組合間隙計(jì)算與三維顯示

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了沿雙聯(lián)耐張絕緣子串自由式進(jìn)入、雙回路直線型桿塔士字梯進(jìn)入和雙回路直線型桿塔橫梯法進(jìn)入這3種等電位方式帶電作業(yè)的模擬[8]。采用骨骼動(dòng)畫技術(shù)制作模擬作業(yè)人員從開始進(jìn)入電場到就位的全過程，在模擬過程中通過幾何拓?fù)浼夹g(shù)實(shí)時(shí)計(jì)算模擬人與導(dǎo)線和塔身的距離，動(dòng)態(tài)顯示組合間隙值，并結(jié)合500 kV輸電線路帶電作業(yè)安全規(guī)范要求進(jìn)行危險(xiǎn)警報(bào)提示，為帶電作業(yè)提供指導(dǎo)。

4 結(jié)語

通過對(duì)智能高壓輸電網(wǎng)管理技術(shù)的探索，建立了基于三維地理信息技術(shù)的智能高壓輸電網(wǎng)管理平臺(tái)。該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了寧波電網(wǎng)的三維數(shù)字化管理，覆蓋了寧波地區(qū)110 kV以上的高壓輸電網(wǎng)絡(luò)，并將多個(gè)功能模塊集成在一起，在寧波地區(qū)電力安全生產(chǎn)、電力危險(xiǎn)點(diǎn)監(jiān)測、電力資產(chǎn)信息管理、電力設(shè)計(jì)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。提高了輸電線路管理水平和輸電安全監(jiān)控能力，降低了管理和安全生產(chǎn)成本，取得了良好的管理效益、社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1]唐躍中，邵志奇，郭創(chuàng)新，等.數(shù)字化電網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2009，29（6）∶15-118.

[2]李曉駿，邱家駒.基于三維GIS技術(shù)的輸電線路地理信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2003，15（1）∶5-9.

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[6]于德明，陳方東，郭昕陽，等.輸電線路直升機(jī)激光掃描三維成像技術(shù)的應(yīng)用[J].高電壓技術(shù)，2011，37（3）∶711-717.

[7]張會(huì)霞，朱文博.三維激光掃描數(shù)據(jù)處理理論及應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

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（本文編輯：龔 皓）

Construction and Application of the Smart High Voltage Transmission Networks Management System Based on the 3D GIS Technology

ZHANG Jian，ZHANG Hao，JIANG Jiong，HUANG Xiaoming，LI Minglei
（State Grid Ningbo Power Supply Company，Ningbo Zhejiang 315016，China）

In order to ensure safe and stable operation of high voltage transmission lines and further construction of digital power networks，smart high voltage transmission networks management platform is established and construction and application research on smart high voltage transmission networks management system is conducted.The system mainly comprises integrated management system of electric power asset for high voltage transmission system,live work simulation system，risk prediction and test system，etc.The systems are interconnected and closely related,and respectively corresponds with important parts in power production and provide design and decision information management support,achieving very high economical benefits and social benefits.

transmission line；3D GIS；electric power asset；live work；risk prediction；management platform

TM732

B

1007-1881（2015）08-0017-04

2015-03-10

張 建（1982），男，工程師，從事高壓輸電線路運(yùn)檢工作。