基于GIS的電力電纜三維圖形可視化管理系統(tǒng)

張 弛，吳尊東，王少華

（1.浙江省電力公司，杭州 310007；2.金華電業(yè)局，浙江 金華 321000；3.浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014）

0 引言

與架空輸電線路相比，電力電纜線路具有供電可靠性高、占地面積小、有助于城市美化等優(yōu)點。隨著城市化進程的不斷推進，電力電纜在城市供電中扮演了越來越重要的角色。浙江電網(wǎng)于20世紀80年代開始使用電力電纜，截至2011年底，10 kV及以上電纜線路達35 197.95 km。隨著電力電纜的大規(guī)模使用，長時間運行后絕緣能力下降，絕緣老化、接地等電纜故障屢屢發(fā)生[1]。而高電壓等級的電纜線路一旦發(fā)生事故，停電檢修時間較長，造成的經(jīng)濟損失和社會影響巨大。因此，提高電力電纜的運行可靠性具有重要意義。

電力電纜的運行可靠性依賴于完善的信息管理。但目前浙江電網(wǎng)的電纜信息管理還比較粗放，給電纜的安全運行和檢修帶來了嚴峻挑戰(zhàn)：一方面，經(jīng)過多年的城市改造后，埋于地下的老舊電力電纜缺乏詳細的空間數(shù)據(jù)，標示不準確，導致施工時易發(fā)生電纜被挖斷和絕緣破損事件。另一方面，目前采用的故障定位儀器雖然能夠較準確進行故障定位（定位精度可達米級），但是由于地下電纜的通道彎曲或者電纜來回彎折，導致無法準確估計電纜長度，進而造成故障點定位困難，而反復開挖查找故障點無疑會延長停電時間、降低供電可靠性。因此，利用科學的管理手段提高電纜管理的有效性，實現(xiàn)定量化、科學化、自動化、現(xiàn)代化的電纜管理模式，已成為當前十分緊迫的任務。

1 傳統(tǒng)的電力電纜管理模式

目前，國內(nèi)外電力系統(tǒng)普遍采用2種電力電纜管理模式：在電纜井口標示電纜編號并繪制電纜走向圖；利用GIS地理信息系統(tǒng)技術采集電纜井GPS定位數(shù)據(jù)，并在GIS系統(tǒng)上進行標注。

實際應用效果表明，傳統(tǒng)的電力電纜管理模式存在監(jiān)測不到位、維護工作量大等問題，具體體現(xiàn)在：

（1）由于電纜施工中切割的電纜長度通常會長于實際需要鋪設的長度，多余部分的電纜以盤繞于電纜井中或者來回折繞于電纜溝中的形式進行處理，且不會標示在電纜走向圖中。故障定位時，這部分多余的電纜會嚴重影響定位準確度，大大延長電纜搶修時間。

（2）老舊電纜缺乏歷史資料或新電纜的銘牌標示丟失等，均會造成同一電纜溝中的多條電纜無法區(qū)分，進而增加了故障電纜定位的準度。

（3）僅依靠電纜兩端的準確定位并不能有效描述電纜的空間位置（尤其是深度）和通道形狀，進而導致其它單位（如自來水公司、天然氣公司、市政單位等）在施工中不慎挖斷電力電纜或者破壞電纜絕緣。

隨著GIS技術的發(fā)展，計算機圖形和數(shù)據(jù)庫相結(jié)合的GIS技術在電力系統(tǒng)中得到越來越多的應用[2-6]。但目前主要采用的是基于二維坐標的GIS系統(tǒng)，只能處理平面X軸、Y軸上的信息，其空間表現(xiàn)和分析能力存在很大的局限性。二維制圖不能展現(xiàn)電纜的實際空間，造成在施工過程中出現(xiàn)電纜空間位置不合理、電纜長度不準確的情況，給施工帶來不便，也導致成本浪費。

為了直觀顯現(xiàn)每條電纜之間的空間關系，提高電纜布置的質(zhì)量和有效性，有必要從三維角度展開對電纜通道空間布置的研究。開展基于探地雷達技術的電纜三維圖形可視化管理系統(tǒng)研究，將有助于加強電纜的空間定位能力，促進電纜管理模式轉(zhuǎn)變。

2 基于探地雷達技術的電力電纜三維可視化管理系統(tǒng)

2.1 探地雷達技術

探地雷達技術的基本原理是[7]：首先，用發(fā)射天線發(fā)射高頻寬帶電磁波，當電磁波遇到電磁性能不同的分界面時會產(chǎn)生反射，反射波被接收天線接收后，通過雷達轉(zhuǎn)換卡將脈沖電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并傳送給雷達主機；經(jīng)過一系列的濾波、去噪等處理后，得到如圖1—2所示的連續(xù)雷達剖面，供專業(yè)人員分析和處理。

圖1 雷達信號處理及成像

圖2 電纜3D圖像構建

2.2 電力電纜三維圖形可視化管理系統(tǒng)

基于探地雷達技術，可建立電力電纜三維圖形可視化管理系統(tǒng)，主要由探地雷達、雷達信號處理及三維重構軟件和地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫3部分組成，其構成如圖3所示。

地下電力電纜的信息收集流程為：定期由人力拖動式或汽車拖拽式的探地雷達對目標區(qū)域進行Z字形掃描，將探地雷達掃描得到的原始數(shù)據(jù)上傳至服務器，通過專業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件進行三維重構，重構后將包含地理位置信息的三維數(shù)據(jù)輸入全局的電纜數(shù)據(jù)庫，并結(jié)合地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中的電纜信息，為電纜三維管理系統(tǒng)高級應用單元提供數(shù)據(jù)支撐。

圖3 基于GIS的電力電纜三維圖形管理系統(tǒng)結(jié)構

電纜三維管理系統(tǒng)以軟數(shù)據(jù)總線的形式將三維電纜信息提供給生產(chǎn)、基建等相關業(yè)務部門。其中基于GIS系統(tǒng)的電纜三維圖形可視化管理系統(tǒng)整合了電纜三維圖形信息、地理信息及電纜資產(chǎn)信息三大信息源（如圖4所示），將傳統(tǒng)電纜管理方式提升至數(shù)字化、可視化、信息化的現(xiàn)代管理模式。

圖4 基于GIS的電力電纜三維圖形管理系統(tǒng)功能

電纜三維管理系統(tǒng)具有電纜二維分布圖、三維施工圖及結(jié)合GIS的三維圖形顯示功能，使電纜工程人員能夠從局部電纜詳細位置、電纜間相互位置關系及區(qū)域電纜分布等多個角度對電力電纜實施有效而直觀的管理，有效地克服了城市地下管線復雜、設計部門多、缺乏透明化信息的問題。特別是在城市核心區(qū)的電纜鋪設、改造、消缺等工作中，能夠有效避免誤傷、誤碰自來水和煤氣等管道，加速消缺工作，提升地下電纜的管理水平。

3 結(jié)語

本文針對電力電纜運行管理現(xiàn)狀和特點，結(jié)合探地雷達技術，提出了基于GIS的電力電纜三維圖形可視化信息管理系統(tǒng)，整合了電纜三維圖形信息、地理信息及電纜資產(chǎn)信息三大信息源，對于實現(xiàn)數(shù)字化、可視化、信息化的電力電纜管理模式具有重要意義。

[1]王少華，吳明祥，胡文堂，等.浙江電網(wǎng)電纜線路運行情況分析[J].浙江電力，2012（8）：10-12.

[2]柳志軍，鄭偉彥.基于混合模式的三維-GIS電力電纜信息管理系統(tǒng)[J].能源工程，2011（6）：13-17.

[3]楊振軍.三維輸電線路地理信息系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D].西安：西安科技大學，2009.

[4]李艷，張麗，方浩.電纜通道空間布置的三維研究[J].華東電力，2011，39（8）：1317-1319.

[5]馮晉，何冰.基于GIS的電力電纜信息管理系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].國際電力，2004，8（5）：53-55.

[6]田毅.基于GIS的城市電力電纜管理系統(tǒng)研究及應用[J].電氣時代，2012（3）：74-76.

[7]柳建新.探地雷達原理與應用[D].北京：電子工業(yè)出版社，2010.