基于三維電網模型的運檢管控應用

方潤 王奕 溫晉玲

（1.上海欣能信息科技發展有限公司 2.國網上海市電力公司）

基于三維電網模型的運檢管控應用

方潤1王奕2溫晉玲1

（1.上海欣能信息科技發展有限公司 2.國網上海市電力公司）

隨著經濟的高速發展，社會用電需求迅速增長，電網設備的數量和規模變得越來越龐大。借助先進的計算機技術，對電網設備進行可視化管理成為一種趨勢。本文介紹了電網運檢管理的發展現狀，對電網的主要設備進行了三維建模，并詳細描述了電網三維模型在電網管控中的應用實例，最后對基于三維模型的運檢管控系統的應用現狀進行了總結與展望。

三維電網模型；運檢管理；智能運檢

0 引言

近年來，以互聯網技術為核心、以德國“工業4.0”和美國“工業互聯網”為代表的新一輪科技變革正在深刻影響傳統產業發展。我國于2015年7月提出包含智慧能源在內的11項“互聯網+”行動計劃，并將行動計劃上升至國家戰略層面。國家電網公司順應潮流，從2015年下半年起大力推進 “互聯網+”與運維檢修等公司核心業務深度融合，大力提倡并發展智能運檢的理念，通過基于三維技術的智能管控平臺對智能運檢業務的開展付諸實踐活動。

1 運檢管理發展現狀

隨著電網規模的不斷擴大，電網設備數量與電網檢修人員數量的配置比在逐步擴大，電網規模增長與運檢人員配置的矛盾日益突出；特高壓骨干網的快速發展，“強直弱交”的電網結構給安全運行帶來巨大壓力。輸電線路跨越高速鐵路、高速公路、重要線路等事關公共安全和電網安全大計，在特高壓長距離輸電通道沿途，雷電、覆冰、大風、山火、泥石流等自然災害和外力破壞引發大面積停電的風險因素將長期存在；設備狀態感知仍以停電檢修、離線試驗為主；在線監測、帶電檢測、機器人、無人機等先進手段及數據利用率不高。

針對這些現狀，積極探索智能運檢技術，提升人員素質，提高技術水平，抓住“互聯網+”的時代機遇，是電網運檢專業發展的必由之路。將三維技術、虛擬現實及計算機信息集成技術應用到電網運檢業務中，對電網設備，包括變電站、輸電走廊及地下電纜管網等進行三維掃描建模；通過集成現有的生產管理系統、調度管理系統、運維監控系統，并且引進氣象數值，接入雷、冰、風、火等專業系統數據，實現環境預警數據、立體巡檢數據、不停電檢測數據、設備評價大數據的深度融合分析；提高運檢效益，保障電網設備安全運行成為了運檢業務的主流發展方向。

2 三維電網模型技術

2.1 電網設備建模需求

電網系統主要由輸電設備、變電設備及配電設備組成，輸變配為一個不可分割的整體。針對電網系統的建模，首先覆蓋范圍要全面，不僅要覆蓋輸變配三大類電網設備，而且也要覆蓋到電網設備的通道環境。其次設備的建模需要有針對性，三大類設備及其通道有其共有的相同屬性，也分別有個性化的建模需求，在建模時需要分別進行考慮。

基于三維技術的電網建模需要考慮如下共性的基本需求。首先要具備設備的可視化展示功能，包括變電站及站內設備、輸電走廊、地下管線等電網設備；要具備設備的全景展示功能，對電網構架、潮流進行實時展示；要具備電網檢測預警信息展示功能，實時展示設備運行狀態的預警信息。其次要對通道進行可視化展示，主要是輸電通道和電纜通道，能夠展示通道圖像/視頻、隧道井蓋監控、隧道環境監測、振動、防火監測、通道形變、海纜通道、通道內氧氣含量、有毒氣體含量、照明、水位等環境監控等信息，同時具備信息的三維GIS同步展示功能。

2.2 變電站內部建模

目前，現有的電力生產管理系統對變電站設備管理停留在基于GIS的平面圖形管理層面，只能通過平面圖形方式對電站及站內設備進行圖形繪制與展示，能夠顯示設備之間的邏輯路由關系，但是不能展示設備物理布局情況。對電站的實時監控，則以攝像機監視為主，一方面清晰度不高，不能對站內所有設備細節進行呈現，另一方面對視頻監控系統的依賴度過高[1]。

隨著三維技術的發展，應用三維技術對變電站及內部設備進行建模成為了可能。通過三維技術對電站及站內設備進行建模，將電站及站內設備的邏輯拓撲關系信息、站內設備的基本技術參數信息、站內設備運行參數、地理空間信息、周邊自然環境信息、站內設備基本參數進行了集成。針對具體的電站及設備，能夠查看其設備臺帳信息、設備照片信息、設備缺陷記錄、巡視檢修記錄及設備的實時運行狀態。采用三維效果展示電站及站內設備的外貌及設備布置情況。變電站之間及站內設備間采用箭頭流動方式對電流的潮流及投運情況進行展示。在客戶端采用緩存技術，提高三維圖形瀏覽的速度。對于運檢人員來說，通過一套系統即可全方位地實現設備的管理與管控，提高了設備操作管理與設備分析控制的效率。

2.3 輸電走廊

電力架空線路是目前普遍使用的輸電線路之一。輸電線路具有十分明顯的地理特征，如輸電線路的縱向、跨度、經過地區的自然狀況（地形、地貌、地質、氣候條件等）、線路跨越區情況等。總體來講，架空輸電線路的特點是呈帶狀分布[2]，沿線有樹木、建筑物等設備，這些樹木、建筑物對線路的安全運行來說是極大的隱患。目前線路的巡視、監控等還停留在以人工作業為主，監控系統為輔的階段，作業效率低下，作業成本很高。通過人工對線路進行維護已經是一件不易的事情，對建筑物、樹木數據采集測量與管理更是非常困難。因此對輸電線路及周邊樹木、建筑物進行三維管控也是近年來一個熱點話題。

基于此，以GIS為基礎平臺，結合三維技術及可視化技術，對架空走廊進行三維建模，將架空線路及其設備、沿途建筑物及樹木的基礎信息與空間信息相結合，實現了架空輸電走廊的三維信息管理與監控。通過該三維模型，能夠瀏覽輸電線路的真實走向，能夠對線路設備的運行情況、沿途樹木等進行監控。通過閾值設定，當運行數據或者樹木生長情況異常或者對線路運行有影響時，能夠提醒線路運行人員及時進行線路巡視、檢修及隱患排查。對架空走廊的地理信息、空間信息及其他技術參數進行集成管理與展示，實現輸電走廊的科學的信息化管理，為線路的安全運行提供了強有力的技術支撐。

2.4 地下管網

隨著城市現代化進程的推進，城市電網基礎設施逐步從地上轉入地下進行建設，從以往以架空線路為主轉變為以地下電纜線路為主。隨著電網規模的擴大，地下電纜線路的數量逐年增加，結構也愈加復雜。且因其自身的特殊性，導致管理者對地下管線設備的進行空間排列與分布問題時困難重重[3]。提高管線運維管理技術手段，提升地下管線信息化水平，實現對地下管線的可視化管理成了一個必然的需求和發展趨勢。

通過對地下電纜、電纜段、電纜接頭、電纜溝、管道、工井等地下設備進行三維建模，借助先進的傳感器技術，實現對地下管線網絡的實時監控與管理。通過與GIS結合，與現有電纜資源管理系統進行數據共享，實現地下管線系統空間信息與基礎信息的集成展示。通過批量導入三維測點數據的方式，結合必要的人工補充，能夠精確定位地下設備的地理位置。同時，通過對地下管道的建模及必要的信息維護，能夠直觀地展示該管道中的線路信息。電纜設備主人可以直觀監控電纜的運行狀態，并且可以快速調取相關的信息，極大提高了地下管線的管理水平。

3 三維模型在電網管控中的應用

基于三維電網設備模型的智能管控平臺的建立，一方面提高了電網設備的可視化管理水平，另一方面通過與其他現有系統進行數據集成與數據共享，實現了各專業系統的互聯互通及數據融合應用，促進運檢工作信息化、智能化，提高運檢工作效率，提升駕馭現代化大電網的能力。該智能管控平臺，通過大數據分析，實現設備狀態監測、狀態評價、風險預警、故障研判等運行狀態管控功能。

下面將介紹基于三維模型的智能管控平臺的四種典型應用場景。

3.1 電網運行狀態及預警信息的直觀展示

基于三維技術的智能運檢管控平臺能夠以三維方式展示電網的設備及電網運行狀態，以動態箭頭方式直觀展示電網潮流方向。對于基層作業人員，可以通過系統實時監控設備的運行狀態，保證設備的正常運行。

智能管控平臺能夠提供主要電網設備的預警信息。通過設置報警條件及報警閾值，當設備狀態發生變化時，能夠通過語音及彈出列表的方式提示并通知設備業主。設備業主收到預警信息后，通過管控平臺調取相應的詳細信息及報警原因，結合自身的實踐經驗，采取相應的處理。目前智能管控平臺提供的預警信息主要有以下幾類：輸電狀態監測信息；電纜狀態監測信息；變電狀態監測信息；電網氣象實況監測信息；電網覆冰、山火、舞動、大風、雷電等監測及預警信息。

對于電網管理人員，基于三維的智能管控平臺能夠提供全網信息統計，能夠對電網設備臺帳、運行狀態（運行、冷備用、熱備用、檢修）、狀態評價（正常、注意、異常、嚴重）、設備故障、缺陷等信息進行多維度統計；管控平臺可以展示電網系統構架歷史變化情況。按時間軸在電子地圖、電氣主接線圖上展示不同歷史時期的電網系統構架，為運檢管理人員制定檢修計劃及電網規劃提供了決策依據。

3.2 現場作業預判分析

電網的可靠運行事關所有用電的千家萬戶，但是隨著電網規模的擴大，電網設備的正常檢修及故障處理還是無法徹底避免。電網設備的現場作業，首先要考慮的就是人員的安全問題。為了保障現場作業人員的人身安全，除了按照標準的作業規范進行作業外，如果能夠進行可視化操作，那么安全系數就會大大提高。基于三維技術的智能管控系統正好滿足了此項需求。

三維立體設備建模，能夠完全模擬設備的結構及運行狀態，能夠按照設備構造分部件調試設備的運行情況。在現場作業前，作業人員可以通過系統瀏覽查看設備的構造及檢修部位相關信息，制定合適的作業指導書。在現場作業過程中，通過設備三維圖示的輔助信息，能夠快速、高效地完成設備的檢修作業。設備檢修結果后，填寫檢修的詳細過程及檢修結果，為下一次的設備檢修提供參考信息。

3.3 故障定位分析及修復

當電網發生故障時，首先是對用戶的正常用電造成影響而引起用戶報修。電力維修人員收到故障報修后，迅速判斷故障地點并隔離故障區域，及時轉移負荷，恢復供電，是電網正常運行最重要的功能之一。它對保證用戶供電可靠性、提高供電質量具有重要意義。

基于三維技術的智能管控平臺，建立了基于GIS的電網絡模型，并在此基礎上實現電網的網絡分析功能，主要有：電源點追溯、供電/停電范圍分析、緩沖區分析以及刀閘模擬操作等。為以后進行故障定位分析和搶修流程管理提供了良好的基礎。

當電網故障發生時，通過網絡分析功能快速進行故障點定位，并通過模擬操作確定影響范圍。通過分析備品備件儲備情況、搶修裝備配置、搶修人員與應急車輛情況，結合應急預案庫，針對故障類型、故障情況、故障點分布、交通狀況、天氣情況等提出搶修內容、搶修方式、搶修資源需求、最優搶修路徑等的建議。然后分配搶修班組進行作業派發，完成搶修任務。在搶修過程中，可以對搶修車輛、搶修人員進行實時定位。搶修完成后，及時更新搶修單的信息并同步展示至圖形頁面。

3.4 其他應用

除此之外，基于三維技術的運檢管控平臺可以快速直觀地了解高壓輸電線路的走向情況。輸電線路距離長，通道的地理環境復雜，通過該系統打破了線路巡視人員的視野局限，能夠對輸電線路、電網建設區域進行航行瀏覽，自定義巡視路線，把握輸電區域的總體情況，大幅度減少了運行人員戶外巡視的作業量。

管控系統實現二/三維地理信息、輸變電設備精細化三維模型、高清視頻監控、無人機和機器人巡視畫面等的無縫融合，能夠真實展現現場場景，便于查看設備細節及周邊環境。

基于三維技術的智能運檢管控平臺集成了輸、變電力設備的監控、自動化信息，將監控、自動化等信息在平臺上集中展示將這些分散的信息有機地組織在一起。當有自然災害發生時，在應急指揮過程中，指揮人員能夠了解、查看各方面的信息，方便了應急指揮領導小組對信息的查閱和使用，便于決策。

4 結束語

目前基于三維技術的電網運檢智能化分析管控系統已成功上線，系統實現了二維、三維GIS的深度融合應用，引進氣象數值預報，融合接入雷、冰、風、火等專業系統數據實現分層預警；系統實現了運檢工作“看得見、摸得著、管得透”，有效降低了設備風險，保障了人身安全，大幅提升了設備運行水平，保障了安全、可靠供電，具有深遠的社會效益。

[1] 胡常勝，黃昊，黃曉婧，等． 基于WebGIS的三維全景變電站遠程監控系統設計與應用[J]．科技創新導報，2016，11（3）：6-7．

[2] 殷萬玲，胡慶武．基于SMART的三維電網走廊高程平滑方法[J]． 南方電網技術， 2013，7（6）：118-121．

[3] 陳曉．基于三維 BC： 地下電力管線管理系統設計和實現研究[J]． 自動化與儀器儀表，2017（3）：69-73．