輸電線路三維數字化設計平臺研究

彭偉 白霞

摘要：文章敘述了輸電線路三維數字化設計技術的建設背景和意義，介紹了計算機網絡環境下的多源海量數據存儲和管理、基于工況的三維間隙校驗、虛擬現實與數字化方針應用為難點的三維數字化設計技術；研究開發了網絡環境下的輸電線路三維數字化設計平臺，實現了在電磁環境展示、三維桿塔模型自動創建和交互式高低腿配置功能方面的創新。

關鍵詞：輸電線路；三維設計；數字化設計平臺；GIS；計算機網絡環境 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM75 文章編號：1009-2374（2016）17-0028-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.17.012

目前輸電線路三維數字化設計正處于起步階段，隨著電網電壓等級的提高和商業化運營的大規模實施，設計研究工作又面臨著新挑戰。電力設計行業已經存在多個輸電線路設計管理軟件，從三維數字化的整體目標來看，信息化工作依然存在著如下問題：（1）從平臺架構和規范來看，跨專業的協同設計業務沒有形成統一的標準流程，導致信息孤島的出現；（2）從現有軟件功能和數據來看，重視設計功能的實現，忽視綜合數據的挖掘和分析；（3）從操作便捷性和自動化來看，缺乏有效的互動機制。

1 平臺架構研究

1.1 平臺目標

1.1.1 建立輸電線路設計數據庫。輸電線路數據庫包括基礎地理數據、前期專題數據、電源電網數據、勘測成果數據、三維模型數據、線路成果數據和工程項目數據。根據業務流程對數據進行整合，方便設計人員完成輸電線路設計，實現不同數據之間的協同操作，并形成設計成品的數字化。

1.1.2 進行輸電線路三維數字化設計系統建設。通過項目的建設，完整的梳理輸電線路三維數字化設計信息管理流程，完成包括項目管理、基礎地理數據管理、勘測成果管理、電網數據管理、線路設計成果管理、模型庫管理、空間分析、優化選線、桿塔排位、鐵塔與基礎配置管理、輔助設計、工程成果查詢統計、線路路徑分析以及系統管理等多個功能模塊。

1.1.3 進行專業設計平臺集成。對現有專業設計平臺進行集成，使輸電線路設計相關的專業數據資料信息化、數字化，在統一的平臺上集成管理、顯示、分析應用。

1.2 平臺架構設計

GIS技術和計算機網絡技術是平臺的基本技術保障，利用海量數據技術和軟件框架搭建方法，實現數據庫建設和系統建設。平臺圍繞電網設計具體業務，遵循可擴展性原則設計。平臺分六個層次，分別是基礎設施層、數據管理層、基礎軟件層、通用組件層、業務服務層、用戶表現層。其中數據管理層、通用組件層、業務層和用戶表現層分離，便于擴展系統。

2 主要功能

根據輸電線路設計流程，提供線路設計全生命周期規劃、設計、分析統計、方案優化等業務相關功能。利用衛星圖片、航測照片、衛星定位和全方位地形測量等手段開展線路路徑優化、桿塔排位優化以及基礎、桿塔、導地線、金具絕緣子的可視化設計及優化，使線路設計更加形象直觀。

2.1 基礎配置功能

基本功能包括二維基本功能、三維基本功能和系統配置管理模塊。二維基本功能包括二維圖層管理、地圖定位、地圖量測、地圖編輯、坐標轉換、制圖輸出等功能模塊；三維基本功能包括視圖瀏覽、三維量算分析、自然特效、要素標繪、空間分析、截屏和錄像等功能；系統配置管理模塊為用戶管理、權限管理、角色管理、日志管理、系統管理等方面的內容。

2.2 數據管理

數據管理主要包括勘測、線路、結構等不同專業在工程實施的過程中的設計成果資料的管理，作為基礎數據的矢量數據、柵格數據、地形圖和影像數據的管理，還包括對輸電線路三維業務設計過程中的桿塔模型、基礎模型、金具絕緣子串等通用模型庫的管理。

2.3 三維業務設計

三維業務設計部分包括工程項目管理、路徑分析、電氣設計和結構設計四大業務模塊。實現了線路勘測、路徑優化、桿塔定位、斷面校驗、交叉跨越校核等功能，完成二維立體選線與平斷面導出功能，完成線路工程設計各階段相關功能，完成各階段內的地理信息資料信息化、路徑選擇優化、選線成果分析統計、桿塔規劃及分類統計、桿塔絕緣子串及其他金具統計、桿塔接地裝置分析統計、經濟指標估算等功能。

路徑（選線）設計實現基于二、三維聯動的輸電線路選線，主要進行線路路徑選擇和外業調繪資料錄入，輸出結果是路徑圖、平斷面圖、路徑統計分析報告等。本功能主要包括路徑方案管理、地理信息抽取、氣象資料抽取、重要控制點設置、自動方案初選、調查標繪、路徑編輯、路徑穿越區域統計、工程量計算、技經提資單輸出、路徑方案及平斷面圖導出。

電氣設計主要實現桿塔規劃、優化排位、電氣校驗等功能。（1）利用系統數據庫中建立的桿塔庫、導地線庫，并結合路徑設計的資料成果，電氣專業可以開展桿塔規劃和導地線選型，提出符合工程實際塔型規劃表，選定所需導地線型號、分裂數和各項參數；（2）開展優化排位，電氣設計功能提供了手工排位和自動優化排位兩類操作方法，兩種排位方式都可將排位結果進行線路三維模擬；（3）電氣設計還提供了豐富的電氣計算和電氣參數校驗功能，如導地線張力弧垂表、導地線張力架線弧垂系數表等，這些數字化成果將通過系統直接為結構專業提資。

結構設計主要實現桿塔結構生成、基礎結構生成、塔基地形圖、塔基斷面圖等功能。結構設計功能集成TTA等主流桿塔結構計算軟件，開展桿塔結構計算和設計，并將計算結果自動轉換為三維桿塔結構。結合電氣資料、地形地貌資料開展基礎設計，并生成塔基地形圖和塔基斷面圖。結構設計向電氣專業提供數字化結構設計成果，供電氣專業更新繪制平斷面圖和進行電氣校驗。

3 主要難點

3.1 多源海量數據存儲、管理機制

輸電線路設計需要大量的空間數據和屬性數據，數據復雜多樣。眾多的“信息孤島”一方面使得資源得不到充分利用、日常維護量大；另一方面難以保證數據的一致性、準確性和實時性。由于缺乏有效的數據存儲管理機制，因此結合現有的數據庫技術、GIS技術和開發平臺等，構建一種相對高效的數據存儲管理機制，具有相當重要的意義。

3.2 基于工況的三維間隙校驗方法研究

平臺電氣校驗的過程中，在三維場景下，根據線路工況、氣象環境、導線型號及相關屬性等參數，真實模擬線路的弧垂以及導地線風偏，分別對“導線對地”“導線對地物”“跳線對塔窗”“導地線間”“極限檔距”及“安全間隙”進行校驗。

3.3 虛擬現實與數字化仿真應用

平臺在三維場景中真實再現工程線路的架設情況，包括線路沿線的地形地貌信息、鐵塔、基礎、絕緣子串等模型情況。通過線路巡檢、飛行漫游等功能，直觀地對整個工程線路及線路沿線周邊的環境進行瀏覽查看。應用電磁環境展示功能，展示輸電線路對環境敏感源的電磁環境參數衰減曲線，直觀反映電磁環境指標是否達標。

4 創新點

4.1 電磁環境展示

導線周圍的電磁環境和輸電線路的電壓等級、回路數、相序等條件息息相關，在進行輸電線路設計時，需要考慮輸電線路附近的電磁環境對周圍居民建筑物的影響。研究了電磁環境在三維數字化設計平臺中的計算原理方法，結合“輸電線路電磁環境綜合計算程序”對系統采用的電磁環境計算方法進行了驗證，并分析了當輸電線路任意點的磁場在三維中的應用場景以及當輸電線路周圍有建筑物時如何進行電磁環境的校驗及預警。

4.2 三維桿塔模型自動創建方法研究

根據TTA文件參數自動生成三維模型成為本項目的關鍵技術之一。TTA文件是自立式鐵塔內力分析軟件的計算成果文件，文件內記錄了鐵塔上所有的節點，及節點之間的連接關系、對稱關系等，還記錄了鐵塔的受力情況及鐵塔上桿件的一些基本信息。將TTA文件內的這些信息讀取出來并進行組織，建立起鐵塔的三維模型，是輸電線路三維建模與設計的關鍵一步。

為此，本系統開發了TTA解析的功能，系統讀取TTA鐵塔設計軟件的計算成果文件以及塔材文件（DATA.INI），自動創建鐵塔三維模型，可以直觀地觀察解析結果，并將解析結果進行保存與導出，導出后的桿塔三維模型可以直接使用。

4.3 交互式高低腿配置方法

根據實際工作中高低腿配置流程，利用塔基地形測量數據、鐵塔高低腿數據和基礎模型庫數據，按照設計院高低腿配置規則計算邊坡保護距，自動化或人工干預相交互保證了高低腿配置功能的準確性和高效性。

5 效益分析

5.1 經濟效益

在平臺的應用過程中，通過對相關業務工作效率與決策科學性的提升，不僅能夠顯著降低輸電線路設計及運行成本，還能有效增加輸電線路運營收益。主要表現在兩個方面：（1）人工成本的降低，通過平臺所集成的豐富數據資源及所具備的高效輔助決策能力，可顯著減少線路、結構、勘測等專業的現場工作量，并節約同等工作量下的人員配置，減少差旅和薪酬支出；（2）提高輸電線路設計效率所帶來的收益增加，通過平臺輔助規劃設計等板塊功能應用，能有效縮短輸電工程從規劃布點到建成投運的實施周期。

5.2 社會效益

（1）社會資源節約方面，通過平臺應用，進一步提輸電線路建設環節中決策科學性，減少資源占用。在站址和線路路徑方案優選方面，可有效減少線路設施對農田、林地等社會資源的不合理占用，促進輸電線路與經濟社會的協調發展；（2）社會發展保障方面，利用平臺對輸電線路運行環境及運行工況進行密切跟蹤，快速科學應對輸電線路突發事件；（3）產業集聚區方面，基于地理空間布局，可以直觀查看全省當前輸電線路分部情況，科學指導全省電網建設，為政府部門研判集聚區經濟增長形勢、制定相關政策提供科學依據。

參考文獻

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作者簡介：彭偉，男，中國能源建設集團甘肅省電力設計院有限公司信息系統項目管理師，工學碩士，研究方向：網絡與信息安全。

（責任編輯：黃銀芳）