基于三維地理信息技術的智能高壓輸電網管理系統建設與應用

張 建，張 浩，江 炯，黃曉明，李明磊

（國網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的智能高壓輸電網管理系統建設與應用

張 建，張 浩，江 炯，黃曉明，李明磊

（國網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定運行，進一步深化數字化電網建設，建立了智能高壓輸電網管理平臺，開展了基于三維地理信息技術的智能高壓輸電網管理系統建設與應用研究，該系統主要包括：高壓輸電網電力資產綜合管理系統、帶電作業模擬系統、危險預測檢測系統等，各系統相互關聯、緊密聯系，分別對應日常電力生產中的各個重要環節，并提供設計與決策管理信息支持，具有很好的經濟效益和社會效益。

輸電線路；三維地理信息技術；電力資產；帶電作業；危險預測；管理平臺

0 引言

社會經濟的發展促使電網迅速發展，電網規模不斷擴大。隨著堅強智能電網建設的進行，作為智能電網主要組成部分的智能輸電網也日益受到重視，從而對輸電線路的運維、管理提出了新的要求。建設堅強智能電網的基礎是信息化[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）技術正是主要手段之一。

目前大部分輸電線路管理系統都是基于傳統二維GIS技術，存在缺乏空間表現力、不夠直觀等缺點，已不能滿足目前工作需求。近年來，三維GIS技術不斷成熟，因其具有直觀、真實、可視和高效等特點，為空間信息的展示提供了更豐富、細膩和逼真的平臺，因此是解決高壓輸電網管理的最佳辦法。目前對輸電線路三維技術應用方面的研究較多，側重點各有不同，文獻[2]結合三維模型構建和模式設計，提出了一種構建三維輸電線路GIS系統的方法，并在實際工程中得到了應用，但該系統的功能還不夠完善，需要擴展。文獻[3]根據三維GIS的技術特點和送電線路的設計要求，提出了三維送電線路選線GIS系統設計方案和實現方法，為電力線路設計提供了更便捷的操作平臺，但該系統主要偏向于電力線路的規劃和設計。文獻[4]基于三維GIS技術設計了一套輸電線路數字化管理系統，該系統包括三維顯示模塊、系統集成模塊、智能風險評估與預警專家系統模塊等，主要側重于輸電線路運行狀態的監測。文獻[5]主要介紹了所建系統在輔助線路規劃設計、施工進度管理、線路運行智能化管理方面的應用。

寧波供電公司基于三維GIS技術開發建設了智能高壓輸電網管理系統，該系統側重于輸電線路的運維管理和應急演練管理，主要包括高壓輸電網電力資產綜合管理系統、帶電作業模擬系統、危險預測檢測系統等，對目前已有的輸電線路三維GIS系統是一個補充。

1 系統體系結構

圖1 系統體系結構

寧波智能高壓輸電網管理系統是一個分布式的網絡系統，采用B/S（瀏覽器/服務器）架構，通過在客戶端為客戶定制相關表現界面和功能，可在客戶端實現分析和計算等業務，服務器端的數據庫則可以通過數據服務層供客戶端訪問。

系統體系結構如圖1所示，總體結構劃分為標準與規范體系和安全與管理保障體系，這兩大體系是整個系統建立的保障和依據。系統的設計與建設嚴格遵守國家、地方與行業的相關標準與規范，對于尚無標準與規范的，參照國家、地方與行業的有關標準予以制定。系統安全與管理保障體系包括安全管理制度、網路安全、軟件安全、數據庫安全4個方面。

整個系統采用支撐層、數據層、軟件層和服務層4層體系架構，各層之間有機結合，從而實現系統的各項應用功能。各層面的功能如下：

（1）支撐層。支撐層主要包括計算機網絡環境、硬件平臺和軟件平臺，是支撐整個系統運行的必備基礎設施。該系統部署于寧波供電公司信息內網。硬件平臺主要指主機設備、存儲數據的服務器等。軟件平臺包括操作系統軟件、數據庫管理系統軟件、GIS軟件等。

（2）數據層。數據層由數據采集層、數據庫層、數據共享和交換層3個子層組成。數據采集層包括數據獲取、數據處理和數據傳輸，其主要功能是完成機載激光雷達掃描、地形圖數字化、GPS（全球定位系統）測量、影像等輸電運維管理相關應用數據的獲取與處理。數據庫層由本系統建成的多個相關數據庫組成，包括輸電線路模型庫、地形地貌模型庫等。各個數據庫采用分布式存儲，為輸電管理三維GIS應用提供數據支持。數據共享與交換層位于軟件層與數據庫層之間，負責數據存儲中心與各輸電管理狀態檢測系統以及其他狀態信息源之間的數據共享與交換。

（3）軟件層。軟件層是上層應用的基礎，可實現輸電線路管理應用中的數據組織、管理與應用等核心功能。

（4）服務層。服務層主要實現輸電線路管理應用系統自身的應用服務，以及與其他信息系統進行數據交換和功能交換服務等。

2 數據獲取與組織管理

2.1 數據獲取

數據主要分為基礎空間數據和業務數據兩大類[5]。基礎空間數據包括桿塔、輸電線路、電網接線圖、多分辨率影像、數字高程模型等。業務數據包括設備臺賬、運行資料、設計資料、在線檢測信息等。基礎空間數據要利用機載、地面三維激光測量系統人工采集[6]，其中桿塔測量除了可采用機載三維激光測量系統外，還可采用外業GPS與全站儀聯合測量方式進行數據采集。業務數據則通過資料收集后導入。

2.2 三維精細模型建模

利用機載、地面三維激光測量系統等多種手段采集到的數據和數碼相機同步采集的高分辨率相片，通過數據內業處理可以建立輸電線路、桿塔的精細模型[7]，處理流程如圖2所示。

圖2 三維建模流程

2.3 數據組織與管理

系統的信息數據不僅包括全市域輸電線路模型數據，還包括地上空間的地形地貌、矢量點線路及建（構）筑物等基礎地理數據，具有數據復雜和數據海量的特點。系統在架構上獨立設置數據管理功能層進行海量空間數據的管理，如圖3所示，從邏輯上與系統其它各層分離，實現了空間數據存取的相互獨立性。

圖3 數據組織與管理結構

3 系統功能及應用

系統實現了多種功能，主要包括三維瀏覽查詢、輸電網三維電力資產綜合管理、空間量測分析、三維模擬設計、模擬巡視管理、演練與應急等功能模塊。

3.1 三維瀏覽查詢

實現了在場景中步行、駕駛、飛行等模式，同時實現了旋轉、平移、縮放及沿著固定路徑行走和漫游的功能，還可對感興趣的區域進行路徑設置，以及對行走過程中的視頻進行錄制和存放操作。該功能模塊不僅能實現以機巡或人工模式沿輸電線路通道查看地形地貌、設備要素，還能以機巡模式在輸電線路上空俯視整個電力走廊的狀況，如圖4所示。

圖4 三維瀏覽查詢示意

3.2 輸電網三維電力資產綜合管理

系統將現有輸電線路大量的紙質、電子資產資料，包括起止變電站位置、高壓鐵塔坐標、鐵塔型號、導地線型號、跨越類型、跨越長度、前后視檔距、絕緣子類型、各種設備的生產廠家等各類相關信息統一整合到電力資產數據庫中，并將其與系統中的三維模型相關聯，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管理體系，為快速應急反應、電力決策管理提供桿塔、線路屬性信息等相關基礎數據的查詢，并能以小表卡形式打印輸出。

3.3 空間量測分析

空間量測分析實現了在三維場景中基于正射影像地圖的距離量算、面積量算、水淹分析土方計算等多項功能，距離量算內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計

該系統為輸電線路設計提供了另外一種途徑。用戶可結合系統中的地形地貌模型，選擇布線路徑，直接通過模型創建工具，創建設定的桿塔模型及連接線，使用戶可直接在三維場景中結合周邊環境進行布線方案設計，為設計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種方式實現在三維場景中的動態巡視展示：第一種方式是通過作業現場的實時GPS坐標信息返回，在三維場景中進行動態巡視模擬；第二種方式是作業現場實時錄制巡視視頻或拍攝帶坐標信息的圖片，巡視完成返回后，在三維場景中利用以上資料的坐標信息進行路徑定位，并動態模擬整個巡視路徑。

3.5.2 危險點標注

利用外業核查人員采集的輸電線路危險點或缺陷桿塔等資料，在三維系統中導入危險點等坐標文件信息，并在對應的三維模型位置上生成危險點等圖標，可直接添加危險點相關信息，最終可在三維場景中實時查詢危險點的相關信息資料，作為電網維護管理的參考依據。

3.5.3 災害警報

根據實地獲得的損壞輸電線路的調查資料，在三維電網系統中實現桿塔損壞警示，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地圖片和說明文字。

3.5.4 特殊區域管理

特殊區域一般包括鳥害區、雷電區、冰凍區等。根據調查得到的特殊區域資料，在三維系統中通過對應的坐標信息生成某段線路或區域的矢量范圍數據，并添加相應的屬性信息。結合區域周邊的三維地形地貌模型，能更直觀地管理特殊區域，為電力巡線提供依據。

3.5.5 輸電線路危險點輔助分析

導入分類后的激光雷達點云數據，根據已經整合于系統內的電力規范和規程，自動量測或手工檢測輸電通道內導線弧垂對地面、房屋、樹木的（凈空、水平、垂直）距離數值小于安全距離的“危險點”，并自動給出危險對象的地物類別、精確三維坐標、在跨越內的具體位置等，同時提供相關系統中的高分辨率影像截圖，以便快速定點清查排除，如圖5所示。同時根據植被生長模型、線路導地線風力和風向、在各種氣象條件下的導線弧垂變化等同步預測數年內的疑似可能危險點，從而圈定特別關注區域，以便重點巡查，為安全隱患排查工作提供便利。

3.6 三維模擬與演練

通過該系統的模擬演練功能模塊，可以實現對500 kV同塔多回輸電線路帶電作業方案的三維模擬，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，更好地與現場實際作業相結合，為500 kV同塔多回輸電線路的帶電作業方案提供可視的快速模擬、校核平臺。

3.6.1 塔頭工頻電場分布計算與三維展示

500 kV輸電線路塔頭工頻電場分布的特點是隨著距離的增大其場強成指數級衰減。塔頭工頻電場分布模擬主要通過工頻電場的分布計算，以三維仿真技術模擬產生電場的范圍分布情況及強度變化，通過三維曲面方式表示電場的分布范圍，并通過可視化系統進行電場分布規律的三維模擬顯示，更直觀地反映電場輻射對周圍事物的影響，如圖6所示。

圖5 危險點檢測與標識

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算與三維顯示

系統實現了沿雙聯耐張絕緣子串自由式進入、雙回路直線型桿塔士字梯進入和雙回路直線型桿塔橫梯法進入這3種等電位方式帶電作業的模擬[8]。采用骨骼動畫技術制作模擬作業人員從開始進入電場到就位的全過程，在模擬過程中通過幾何拓撲技術實時計算模擬人與導線和塔身的距離，動態顯示組合間隙值，并結合500 kV輸電線路帶電作業安全規范要求進行危險警報提示，為帶電作業提供指導。

4 結語

通過對智能高壓輸電網管理技術的探索，建立了基于三維地理信息技術的智能高壓輸電網管理平臺。該平臺實現了寧波電網的三維數字化管理，覆蓋了寧波地區110 kV以上的高壓輸電網絡，并將多個功能模塊集成在一起，在寧波地區電力安全生產、電力危險點監測、電力資產信息管理、電力設計等領域得到了廣泛應用。提高了輸電線路管理水平和輸電安全監控能力，降低了管理和安全生產成本，取得了良好的管理效益、社會效益和經濟效益，具有廣闊的應用前景。

[1]唐躍中，邵志奇，郭創新，等.數字化電網體系結構[J].電力自動化設備，2009，29（6）∶15-118.

[2]李曉駿，邱家駒.基于三維GIS技術的輸電線路地理信息系統的設計與實現[J].電力系統自動化學報，2003，15（1）∶5-9.

[3]陽賢仁，牛仁義.三維送電線路選線GIS系統建設與研究[J].電力勘測設計，2007（5）∶24-27.

[4]王國勝，張聲圳.基于GIS的輸電線路三維數字化管理系統的設計[J].電工技術，2013（9）∶6-8.

[5]李鑫，任培祥，陳敬理，等.三維全景智能電網支撐平臺在電網信息化過程中的應用[J].電力技術，2010，19（4）∶54-57.

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

[7]張會霞，朱文博.三維激光掃描數據處理理論及應用[M].北京：電子工業出版社，2012.

[8]國家電網公司.帶電作業操作方法（第1分冊）：輸電線路[M].北京：中國電力出版社，2009.

（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檢工作。