高壓電纜及電力隧道多維動態仿真及全局展現系統研究

蔡松濤?楊國華?劉皓

x 要：介紹了高壓電纜及電力隧道多維動態仿真及全局展現系統的構成原理、實現功能以及在高壓電纜及電力隧道監控方面起到的重要作用。通過開發該系統，形成一個貫穿整個公司以及生產一線的各個層次的多維電纜網監控平臺，從而對公司電纜網進行有效、科學的管理，提高管理質量和運行效率，降低運營成本，保障供電可靠性。

關鍵詞： 電纜網運行監控平臺；多維；動態；全局展現

1.引言

北京電纜網運行監控中心成功投運，實現了對電纜線路和電力隧道的數字化和集中管理，監控中心投運以來，在電纜專業生產運行工作中發揮了重要作用。但是，如何進一步推動電纜網運行監控平臺的深入應用，提高電纜網運行異常狀況的定位效率，為電纜網運行管理提供多維動態全局展現的技術手段，成為我們結合運行監控中心功能延伸而引發的思考。

基于這些考慮，我們開發了高壓電纜及電力隧道多維動態仿真及全局展現系統，通過綜合利用三維地理信息技術、虛擬現實技術、動態全局展現技術，建立電纜網多維空間模型及隧道多維仿真模型，實現電纜網運行監控信息的多維動態全局展現展示，從而達到提高電纜網運行管控水平的目的。

本文主要介紹了高壓電纜及電力隧道多維動態仿真及全局展現系統的開發及應用情況。

2.高壓電纜及電力隧道多維動態仿真及全局展現系統的開發

2.1系統硬件架構

系統硬件結構主要包括：WEB服務器、應用服務器、通訊接口服務器和操作工作站組成，如圖1所示：

圖1 高壓電纜及電力隧道多維動態仿真及全局展現系統硬件架構

其中，應用服務器主要運行高壓電纜及電力隧道多維全局展現數據平臺服務、功能應用服務和信息分析計算；通訊服務器主要用于從電纜網獲得數據，并將獲得的數據按全局展現展示的需要進行組織和分類處理，WEB服務器用于將電纜網全局展現信息的WEB發布。工作站用于系統維護和運行監控，其中工作站在系統網絡搭建完畢的基礎上可以根據系統自主增加。

2.2系統軟件架構

電纜網運行監控系統已經穩定運行一年多時間，在現有監控系統中嵌入多維全局展現展示系統，既要保證現有系統的穩定運行，又要同現有系統進行有效的數據和功能交互，使嵌入的全局展現展示系統與電纜網運行監控平臺做到完美集成，這既是對現有系統的升級，同時也是一項挑戰。系統總體設計采用插件式設計方式，通過標準的通用數據格式同現有系統做數據接口，同時最大化利用現有系統的狀態數據和歷史數據進行全局展現展示，系統結構圖如圖2所示：

圖2 高壓電纜及電力隧道多維動態仿真及全局展現系統軟件架構（1）

高壓電纜及電力隧道多維動態仿真系統整體上分為電纜網監控平臺與電纜網Web發布平臺兩部分，其中電纜網監控平臺采用C/S模式，在現有監控平臺基礎上進行開發，電纜網Web發布平臺采用B/S模式進行發布，總體設計原則為在電纜網監控平臺上和電纜網Web發布平臺上都需要實現三維展現、監控數據展示、綜合查詢、巡視管理以及各種專題圖等功能，但對于數據分析、數據編輯和三維隧道微觀模式的展現等功能只在電纜網監控平臺上實現。

圖3 高壓電纜及電力隧道多維動態仿真及全局展現系統軟件架構（2）

由于本系統涉及到多個開發商的多個應用組件統一集成到電纜網運行監控平臺上，同時必須保證集成后的系統應該是高度統一的，各個子系統之間實現無縫結合，這就要求各個應用之間高度集成。為實現應用的高度集成，系統采用統一的全局展現數據平臺，使各個全局展現子系統在同一個數據平臺實現數據集成，這樣保證了數據的高度一致性。同時各個全局展現應用組件都采用標準的COM組件，采用插件的方式嵌入至電纜網運行監控平臺中來實現系統的高度集成。

電纜網多維監控平臺全局展現展示系統涉及到多個系統之間的交互，同時需要為現有的電纜網運行監控系統提供必要的接口，如果這些交互接口不采用標準的通訊和數據接口方式，其通用性必將受到很大的影響，日后新建的系統將難以重用這些接口，這必將導致大量的重復性工作和重復投資。為此，系統接口必須采用標準化的技術實現。系統采用目前主流的接口方式：WebService技術和XML技術，這些技術的運用使整個系統真正做到數據的共享，并為以后系統的改造升級提供了良好的基礎。

監測的設備狀態數據是電纜網運行監控平臺運行的重要基礎，同時對這些監測狀態及時進行全局展現對于運行系統的整體調度具有重要的作用。電纜網多維監控平臺全局展現展示系統利用統一的全局展現數據平臺，即時從底層獲取監控狀態數據，做到數據不延時，為整個系統的狀態即時展示提供了可靠保證。

系統既通過對電纜網主接線全局展現功能的展示，從宏觀上展示電纜網整體狀態分布情況，又通過隧道內部仿真全局展現表達，從細節上展示電纜網每個監控設備的局部狀態，同時通過這兩者的結合與交互，全方位展示整個電纜網的運行狀態分布情況。

2.3系統研究內容

1）電纜網多維空間模型建立

研究如何利用最新的三維地理信息技術，建立隧道、通風亭、檢查井及其他地面設施三維空間模型，為電纜網運行監控信息宏觀展示提供載體。

2）隧道仿真模型建立

利用最新的虛擬現實技術，研究如何建立隧道內部的多維仿真模型，為電纜網運行監控信息的微觀展示提供載體。

3）監控信息多維展示模型建立

在電纜網多維空間模型及隧道多維仿真模型的基礎上，增加狀態維及參數維信息，建立監控信息多維展示模型，為實現多維動態全局展現展示奠定基礎。

4）監控信息多維動態全局展現展示

以多維展示模型為基礎，動態獲取最新監控信息，實現隧道積水、有害氣體、電纜溫度、線路負荷、接地電流、局部放電等運行參數的多維動態展示。

2.4 系統開發所采用的關鍵技術

1）三維地理信息系統

地理信息系統（GIS）是一門地學空間數據與計算機技術相結合的新型空間信息技術。隨著二維地理信息系統應用越來越廣泛和成熟，其弊端也逐漸顯現出來，二維地理信息系統本質上是基于抽象符號的系統，不能給人以自然界的本原感受。隨著應用的深入，第三維的高程信息顯得越來越重要。與二維地理信息系統相比，三維地理信息系統對客觀世界的表達能給人以更真實的感受，它以立體造型技術給用戶展現地理空間現象，能方便地對空間對象進行三維空間分析和操作。

2）虛擬現實技術

虛擬現實技術是利用計算機生成一個逼真的三維虛擬環境，并通過使用傳感設備與之相互作用的新技術。它與傳統的模擬技術完全不同，是將模擬環境、視景系統和仿真系統合三為一，把操作者與計算機生成的三維虛擬環境連結在一起。虛擬現實世界，最重要的特點就是“逼真”感與“交互”性。參與者置身于虛擬世界中，環境、人像都猶如在真實環境中，其中的各種物體及現象都在相互作用著。

3）動態全局展現技術

動態全局展現技術是近年來發展非常迅速的一門技術，它是運用計算機技術對復雜的現實世界進行抽象和模擬以形成仿現實的數字模型，并且可以對數字模型疊加信息模型。同時，動態全局展現技術對數字模型可以采用動態成成的機制，這可以有效減少模型在系統中的即時占有率，提供系統的性能和效率。

3.高壓電纜及電力隧道多維動態仿真及全局展現系統的應用

3.1 建立電纜網空間三維模型

通過對該系統的研究及開發，我們利用最新的三維地理信息技術，建立了隧道、通風亭、檢查井及其他地面設施的三維空間模型，為電纜網運行監控平臺提供了宏觀展示載體。

（a）地上模式

（b）地下模式

圖4 電纜網多維空間模型示例

在電纜網空間三維模型中，我們建立了宏觀模式與微觀模式兩種三維場景，在宏觀模式下，可以在任意高度，通過地上和地下模式的切換查看整個電纜網的三維分布情況，系統通過宏觀模式展示各種專題圖、各種分析結果以及對各種設備查詢和報警信息的定位。當需要對某段隧道查看其詳細細節情況時，可以從某個檢查井進入其隧道微觀模式，在微觀模式中，顯示隧道內設備的詳細分布情況。

通過定位功能，我們可以實現對隧道、電纜段、井蓋等設備設施的準確定位。同時，通過對事件設備定位方式，實現對特定的事件進行定位，如井蓋非法開啟報警的定位，光纖斷裂的定位，電纜溫度過高的報警定位以及GPS搶修車輛的定位等。

3.2 建立隧道仿真模型

通過利用最新的虛擬現實技術，我們建立了隧道內部的三維仿真模型，對隧道內的電纜線路、支架、電纜標牌以及防火槽盒等設備、設施進行模型化處理，為電纜網運行監控平臺提供了微觀展示載體。

圖5 隧道內仿真模型示例

通過建立隧道仿真模型，我們在監控系統中就可以直觀的掌握隧道內電纜敷設、隧道結構以及附屬設施安裝情況等信息，同時，通過將該系統與生產管理系統建立接口，還可以查看電纜線路的臺帳等詳細信息。

3.3建立監控信息多維展示模型

在電纜網三維空間模型及隧道三維仿真模型的基礎上，增加狀態維及參數維信息，建立監控信息多維展示模型，對隧道內的測溫光纜、氣體監測儀、水位監測儀、攝像頭等設備進行模型化處理，為實現多維動態全局展現展示奠定基礎。（見圖6）

為了保證三維模型跟現場設備一致，對一些特殊設備模型現場的設備照片進行貼圖處理。

3.4監控信息多維動態可視化展示

以多維展示模型為基礎，動態獲取最新監控信息，實現井蓋狀態、隧道積水、有害氣體、電纜溫度、線路負荷、接地電流、局部放電等運行參數以及設備缺陷、施工工地的多維動態展示。

在系統中實時顯示當前水位值，當監測的水位超過限定值時，系統進行報警，并自動定位到水位監測儀的三維模型上。同時，實現對水位監測儀的歷史水位的查詢和分析功能。（見圖7、圖8）

在系統中顯示井蓋的各種實時狀態，具體狀態包括開合狀態，有無監控設備狀態，同時支持在三維場景中實現對井蓋的遠程開啟和關閉，對井蓋異常狀態的報警定位功能。（見圖9）

系統通過光纖測溫系統的相關接口，獲取監測電纜的實時溫度數據和歷史溫度數據，在三維場景中展示實時溫度信息和溫度變化。（見圖10）

在全局展現系統中實時顯示整個電纜網的負荷分布情況和溫度分布情況，全局掌控電纜網運行情況，同時在系統中查看電網潮流信息。（見圖11）

通過將該系統與監控中心電力隧道攝像監控系統間建立接口，我們實現了在三維場景中顯示監控視頻的功能。同時，支持視頻監控與其它功能的操作聯動，如在井蓋非法開啟、電纜溫度異常、水位異常時，系統自動搜索就近的攝像頭進行監控，查看當前隧道內部視頻情況。（見圖12）

在政治供電保障期間，公司供電指揮部通過應用高壓電纜及電力隧道多維動態仿真及全局展現系統，實現了對供電保障工作的全局掌控，該系統為各類型供電保障工作取得圓滿成功提供了強有力的技術支撐。（見圖13、圖14、圖15）

為了檢驗系統是否達到預期的功能目標，盡可能找出系統中隱含的缺陷，及時發現問題，并將問題解決，避免問題積累，從而保證系統的可靠性，我們在系統正式投運前進行了全面測試，主要包括以下幾部分：

◎ 功能測試：側重于所有可直接追蹤到用例或業務功能和業務規則的測試需求。通過圖形用戶界面（GUI）與應用程序進行交互，并對交互的輸出或結果進行分析，以此來核實應用程序及其內部進程。

◎ 集成測試：檢測系統是否達到需求，對業務流程及數據流的處理是否符合標準，檢測系統對業務流處理是否存在邏輯錯誤，檢測需求是否存在不合理的標準及要求。

◎ 界面測試：主要測試系統界面是否友好、簡單易用。界面整體布局是否規范、合理；窗體上的按鈕功能命名及使用是否符合習慣；提示信息是否及時完整；是否對提交數據進行驗證。

◎ 性能測試：通過自動化的測試工具模擬多種正常、峰值以及異常負載條件來對系統的各項性能指標進行測試，了解系統的性能有沒有滿足需求，對于不滿足需求的模塊則通過測試發現可能的性能瓶頸，并進行相應的性能調優。主要包括并發性能測試、疲勞強度測試、大數據量測試和速度測試等，其中并發性能、系統穩定、數據安全、數據一致性測試是重點。

通過測試我們得出如下結論：電纜網多維動態仿真及全局展現系統加強了對電纜網運行狀況監控的力度，提高了電纜網運行異常狀況的定位效率，為電纜網運行管理提供多維動態全局展現的技術手段，提高了運行管理效率。

4.結論

1）通過電纜網監控信息的多維動態全局展現展示，可以有效提高電纜網運行監控能力，及時掌控電纜網整體運行情況，快速查找電纜網運行異常位置；為異常（故障）處理提供全面的信息，縮短異常處理時間，有效控制異常狀況的蔓延，使其影響范圍最小化，降低甚至消除運行異常引發的經濟損失。

2）在本系統的建設過程中，需要建立電纜網三維空間模型和隧道仿真模型，本系統的建設為日后全面建立完整的電纜網數字模型奠定了堅實的基礎。這兩種模型的建立將大幅提高電纜網圖檔資料管理效率，有效減少日常運行管理過程中圖檔資料的檢索時間，提高日常管理的效率，降低管理成本，實現電纜網圖檔資料的精益化管理。

3）動態全局展現展示是電纜網多維動態監控系統與運行管理人員交互的橋梁，是實現電纜網運行管理模式轉變的重要手段之一，為其提供堅實的技術保障。該項目的實施是電纜網運行管理方面的技術創新，在國內外均沒有先例。該系統可以為國內電纜網管理提供參考，能夠推動我國高壓電纜網管理管理的技術進步。

參考文獻：

[1] 國家電網公司GIS公用基礎平臺建設規范（試行）[Z].

[2] SG186-05.安全生產管理應用-總體建設方案[Z].

[3] 北京市電力公司.北京電力公司信息系統網絡端口技術規范[Z].2005

[4] 北京市電力公司.北京電力公司信息資源平臺的管理規定（修訂版） [Z].