基于三維可視化的GIS局放在線監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用

海南電網(wǎng)海南輸變電檢修分公司 李曉洋 梁盛樂 楊杰

1 引言

GIS（Gas Insulated Switchgear）是一種氣體絕緣全封閉組合開關(guān)電器，局部放電是導(dǎo)致GIS設(shè)備絕緣劣化的主要原因之一，同時也是描述GIS絕緣老化的重要特征。GIS局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)是運(yùn)用特高頻、超聲傳感器技術(shù)實(shí)時監(jiān)測GIS內(nèi)部的局放信號，通過后臺的數(shù)據(jù)分析軟件和智能診斷系統(tǒng)，對局放信號進(jìn)行分析和處理，評估GIS的絕緣狀態(tài)，判斷缺陷類型和缺陷的大致位置，并給出維護(hù)建議。

隨著三維建模等技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，三維可視化技術(shù)以其直觀可交互性及空間分析的可行性逐漸成為運(yùn)營監(jiān)控、運(yùn)維檢修等業(yè)務(wù)部門關(guān)注的新熱點(diǎn)。本文著重研究對比了不同三維建模技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，研究選擇了適合變電站GIS局放在線監(jiān)測系統(tǒng)的快速建模方法，開發(fā)了GIS在線監(jiān)測系統(tǒng)的三維可視化功能，實(shí)現(xiàn)了GIS局放監(jiān)測信息、異常告警信息在三維場景中的融合展示，并具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)透視功能，有助于專家診斷定位局放類型。

2 三維建模技術(shù)對比

三維建模是信息化平臺實(shí)現(xiàn)三維可視化展示效果的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前主流的三維建模方法有軟件建模、傾斜攝影建模和激光掃描建模三種，下面對幾種三維建模技術(shù)進(jìn)行分析和對比。

2.1 軟件建模

依據(jù)變電站數(shù)碼圖片、設(shè)計(jì)圖紙和廠家設(shè)備圖紙，利用AutoCAD、3dMax、Maya等專業(yè)建模軟件，按照一定比例采用立方體、圓柱體、圓錐體、圓環(huán)等建立變電站各種電氣設(shè)備的三維模型，然后設(shè)置模型貼圖與材質(zhì)，拼接電氣設(shè)備模型完成變電站三維場景建模，該建模方法獲取的模型主要有三種：線框模型、表面模型與實(shí)體模型。

傳統(tǒng)的三維建模方法無法保證三維模型的尺寸、位置關(guān)系等符合真實(shí)場景，存在建模過程耗時長、操作復(fù)雜、效率低或者建模方法對環(huán)境要求過高等缺陷，尤其對于變電站這種復(fù)雜場景，無法滿足對大型復(fù)雜環(huán)境三維建模精度和效率的要求。此方式適合小范圍或針對部分設(shè)備進(jìn)行建模。

2.2 傾斜攝影建模

傾斜影像是指由一定傾斜角度的航攝相機(jī)所獲取的影像。傾斜攝影技術(shù)是國際測繪遙感領(lǐng)域近年發(fā)展起來的一項(xiàng)高新技術(shù)，通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從垂直、傾斜等不同的角度采集影像，獲取地面物體更為完整準(zhǔn)確的信息。

常用的傾斜攝影技術(shù)主要有三相機(jī)和五相機(jī)組合，目前主流方案采用五相機(jī)(也有少數(shù)采用雙相機(jī)或單相機(jī)的方案，但通常以采集效率降低為代價)。在一般傾斜攝影的五相機(jī)方案中，一臺獲取垂直影像，另外四臺從前后左右四個方向同時獲取地物的側(cè)視影像。相機(jī)傾斜角度在40度到60度之間，因此可以較為完整的獲取地物側(cè)面的輪廓和紋理信息。傾斜攝影系統(tǒng)可以搭載在有人飛機(jī)或無人機(jī)上，快速獲取地物三維模型且成像效果好，是大場景三維建模重要選擇之一。

傾斜攝影可以獲取具有真實(shí)紋理的三維數(shù)據(jù)，適合做大范圍的城市三維建模、輸電線路通道建模和一些對精度要求稍低的三維工程測量應(yīng)用。由于傾斜攝影技術(shù)采用可見光測量，對天氣要求較高，并對植被下的地形、細(xì)小物體（電塔、電力線）等建模能力不足。

2.3 激光掃描建模

激光掃描建模是利用激光雷達(dá)設(shè)備完整保存記錄對象信息的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并用于精細(xì)三維建模的方式。

激光雷達(dá)（LiDAR）是一種集激光掃描與定位定姿系統(tǒng)于一身的測量裝備，可以高度準(zhǔn)確的定位激光束打在物體上的光斑。LiDAR系統(tǒng)包括激光器和一個接收系統(tǒng)。激光器產(chǎn)生并發(fā)射一束光脈沖，打在物體上并反射回來，最終被接收器接收；接收器準(zhǔn)確的測量光脈沖從發(fā)射到被反射回的傳播時間，根據(jù)光速計(jì)算出傳播時間，再轉(zhuǎn)化為對距離的測量。結(jié)合激光器的高度、掃描的角度就可以準(zhǔn)確的計(jì)算出每一個地面光斑的單位坐標(biāo)。激光雷達(dá)有機(jī)載、車載、地面固定站和手持等適合不同應(yīng)用場景的設(shè)備類型。

激光雷達(dá)具有穿透植被的能力，可以測量植被覆蓋的地形。同時，激光雷達(dá)獲取的高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)測量精度很高，適合做高精度的地形測量和工程勘測、輸電線路及通道三維測量與建模。激光雷達(dá)目前仍存在設(shè)備較昂貴的問題。

利用地面激光雷達(dá)掃描變電站，獲取密集的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將變電站點(diǎn)云數(shù)據(jù)與CCD相機(jī)采集的現(xiàn)場圖片進(jìn)行融合后得到彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)，其包含物體的尺寸、結(jié)構(gòu)、材質(zhì)等信息，使三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的場景具有較強(qiáng)真實(shí)感，為變電站點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分類提供了有效依據(jù)，并可提高變電站三維建模的效率和準(zhǔn)確性。

2.4 對比小結(jié)

對軟件建模、傾斜攝影建模、激光掃描建模的對比分析如表1所示。

表1 不同三維可視化建模方法對比

3 GIS局放在線監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

GIS局放在線監(jiān)測系統(tǒng)組成包括局部放電信號接收傳感器、就地采集單元、綜合監(jiān)測主機(jī)和主站狀態(tài)監(jiān)測診斷平臺。系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。

該系統(tǒng)中，局部放電信號接收傳感器為無源傳感器，支持特高頻傳感器、超聲傳感器兩種，且特高頻傳感器根據(jù)GIS結(jié)構(gòu)可選擇設(shè)置外置型和內(nèi)置型兩種類型。就地采集單元用于對多路傳感器輸出信號進(jìn)行調(diào)理、采集、數(shù)字化，每個傳感器輸出信號采用獨(dú)立采樣通道，并具備同步采集控制功能，每個采集單元的采集通道最大可擴(kuò)展至10通道。

綜合監(jiān)測主機(jī)每座變電站配置1臺，具備GIS局放數(shù)據(jù)預(yù)處理與參數(shù)調(diào)節(jié)控制等功能，并用于將全站的GIS局放監(jiān)測數(shù)據(jù)匯總上傳至主站狀態(tài)監(jiān)測診斷平臺。主站狀態(tài)監(jiān)測診斷平臺提供多個變電站的GIS局放監(jiān)測數(shù)據(jù)接入、診斷分析和可視化展示等功能，根據(jù)需要主站狀態(tài)監(jiān)測診斷平臺能夠?qū)崟r顯示每個監(jiān)測點(diǎn)的PRPS三維譜圖、PRPD累計(jì)譜圖，顯示每個監(jiān)測點(diǎn)局部放電信號的幅值（最大放電量、平均放電量）的歷史趨勢圖，并能夠根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確判斷GIS內(nèi)部自由金屬顆粒放電、懸浮電位放電、沿面放電、絕緣件裂痕及內(nèi)部氣隙放電、金屬尖端等典型放電類型，并用統(tǒng)計(jì)的方式明確給出各種放電類型發(fā)生的概率，放電類型識別準(zhǔn)確率不低于80%。

圖1 GIS局放在線監(jiān)測系統(tǒng)總體架構(gòu)

4 三維可視化監(jiān)測診斷平臺

4.1 平臺架構(gòu)

基于三維可視化的GIS局放在線監(jiān)測診斷平臺采用開放式可擴(kuò)展的架構(gòu)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)架構(gòu)按照數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、應(yīng)用層三層基本架構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖2所示。

應(yīng)用層提供可視化的操作界面，包含信息查詢、數(shù)據(jù)展示、監(jiān)測報(bào)警、結(jié)構(gòu)透視、系統(tǒng)登錄、系統(tǒng)配置等界面功能。應(yīng)用層的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測功能包含檢測數(shù)據(jù)查看分析、設(shè)備狀態(tài)橫縱向?qū)Ρ确治?、監(jiān)測設(shè)備管理與配置操作頁面以及三維可視化的相關(guān)功能等。

圖2 三維可視化監(jiān)測診斷平臺架構(gòu)

數(shù)據(jù)層以服務(wù)的方式獨(dú)立部署，采用標(biāo)準(zhǔn)模型庫，使用數(shù)據(jù)的讀寫分離設(shè)計(jì)，使數(shù)據(jù)訪問層能夠持續(xù)提供高效、穩(wěn)定的服務(wù)?；诳蓴U(kuò)展數(shù)據(jù)層，設(shè)計(jì)統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型，建立設(shè)備檔案、在線監(jiān)測數(shù)據(jù)、預(yù)警信息等組成的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫和三維建模數(shù)據(jù)形成的三維模型庫，根據(jù)數(shù)據(jù)訪問服務(wù)開發(fā)規(guī)則，開發(fā)適合業(yè)務(wù)需要的數(shù)據(jù)訪問服務(wù)，供服務(wù)層的高級微服務(wù)提供數(shù)據(jù)訪問基礎(chǔ)。

服務(wù)層為微服務(wù)架構(gòu)，具備顆粒微型化、責(zé)任單一化、運(yùn)行隔離化、管理自動化等特點(diǎn)。使用Spring Cloud技術(shù)框架，在服務(wù)層開發(fā)高級微服務(wù)，并進(jìn)行服務(wù)注冊。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)包括設(shè)備狀態(tài)信息穿透可視化、綜合統(tǒng)計(jì)分析、感知層管理與配置、監(jiān)測設(shè)備管理與配置、基于深度學(xué)習(xí)的局放類型診斷等高級微服務(wù)。

應(yīng)用層提供可視化的操作界面，包含信息查詢、數(shù)據(jù)展示、監(jiān)測報(bào)警、結(jié)構(gòu)透視、系統(tǒng)登錄、系統(tǒng)配置等界面功能。應(yīng)用層的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測功能包含檢測數(shù)據(jù)查看分析、設(shè)備狀態(tài)橫縱向?qū)Ρ确治?、監(jiān)測設(shè)備管理與配置操作頁面以及三維可視化的相關(guān)功能等。

4.2 功能實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

4.2.1 全站三維場景引導(dǎo)漫游

通過三維建模技術(shù)和可視化渲染技術(shù)，構(gòu)建變電站場景、設(shè)備的三維數(shù)字模型場景，包括變電站設(shè)備、安裝的傳感器及站內(nèi)環(huán)境關(guān)鍵要素，如地面、天空、圍墻、房屋、通道、消防設(shè)施、標(biāo)識等，真實(shí)反映變電站設(shè)施設(shè)備細(xì)節(jié)和特征、空間關(guān)系，實(shí)現(xiàn)三維場景瀏覽、引導(dǎo)漫游及相關(guān)操作功能，可以360度任意三維互操作，呈現(xiàn)出真實(shí)場景，讓管理人員和技術(shù)人員直觀的了解變電站設(shè)施設(shè)備的具體情況。構(gòu)建的變電站GIS室三維場景如圖3所示。

圖3 變電站GIS室三維場景效果圖

場景瀏覽及引導(dǎo)漫游提供兩種快捷定位導(dǎo)航方式，一種是文本定位導(dǎo)航，通過點(diǎn)擊頁面左側(cè)目的地清單里的目的地可快速定位至相應(yīng)地點(diǎn)；二是圖片定位導(dǎo)航，通過點(diǎn)擊典型的場景縮略圖可快速定位至目的地位置。

4.2.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)融合展示

三維可視化的GIS局放監(jiān)測診斷平臺的重要功能是實(shí)現(xiàn)局放監(jiān)測數(shù)據(jù)與報(bào)警信息在三維場景中的融合展示，這是相比于傳統(tǒng)二維展示界面的特色所在，能夠讓監(jiān)控人員更加直觀的了解設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和詳細(xì)信息。

三維場景中可融合展示的數(shù)據(jù)包括設(shè)備屬性信息、傳感器屬性信息、傳感器的實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、監(jiān)測診斷告警信息、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、實(shí)時天氣信息等。部分信息已直接融合于三維場景展示畫面中，還有一部分詳情信息需要點(diǎn)擊三維場景中設(shè)置的興趣點(diǎn)可打開會話窗來獲取相關(guān)信息。

GIS局放在線監(jiān)測的三維可視化界面中融合展示了傳感器狀態(tài)、設(shè)備狀態(tài)、報(bào)警信息等，設(shè)備狀態(tài)包括設(shè)備是否帶電、有無故障、設(shè)備檢修狀態(tài)等。有報(bào)警發(fā)生時，在三維場景中和列表里同時高亮顯示報(bào)警數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊列表中報(bào)警數(shù)據(jù)，自動定位到場景中報(bào)警設(shè)備位置；根據(jù)報(bào)警等級不同，使用不同的顏色表示報(bào)警狀態(tài)?？梢暬Ч鐖D4所示。

圖4 設(shè)備狀態(tài)三維可視化效果圖

在三維場景中，點(diǎn)擊傳感器興趣點(diǎn)可彈窗顯示傳感器相關(guān)信息，包含傳感器臺賬信息、監(jiān)測圖譜信息（如圖5所示）、趨勢分析圖、報(bào)警信息等；點(diǎn)擊間隔設(shè)備元件，在彈出的信息框中關(guān)聯(lián)顯示該元件的相關(guān)信息；其他設(shè)備信息顯示設(shè)備臺賬。

圖5 局放監(jiān)測圖譜三維可視化效果

4.2.3 關(guān)鍵設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)透視

通過對關(guān)鍵設(shè)備的組成部件單獨(dú)建模，構(gòu)建關(guān)鍵設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型，通過部件的空間關(guān)系和拆裝順序，能夠在三維場景中模擬操作設(shè)備的拆裝，讓用戶可以快速、直觀查看設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)，有助于專家用戶在出現(xiàn)局放數(shù)據(jù)異常情況下結(jié)合設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行局放類型診斷分析。

如圖6所示，在設(shè)備詳情會話窗，點(diǎn)擊“設(shè)備拆分”和“一鍵還原”按鈕可實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的拆分與組裝；點(diǎn)擊拆分后的設(shè)備元件，可查看當(dāng)前選中元件的名稱。

圖6 關(guān)鍵設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)透視效果圖

4.2.4 平臺上線應(yīng)用

經(jīng)開發(fā)調(diào)試和優(yōu)化，基于三維可視化的GIS局放在線監(jiān)測系統(tǒng)已應(yīng)用于南網(wǎng)某變電站，監(jiān)測診斷平臺已部署上線使用，并連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行7個多月。監(jiān)測診斷平臺的數(shù)據(jù)刷新頻率為5分鐘一次，三維場景可視化結(jié)果同步刷新，滿足GIS局放在線監(jiān)測的要求。

5 結(jié)束語

本文對比分析了當(dāng)前主流三維建模技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上選擇激光掃描建模方式構(gòu)建變電站三維場景建模，提出了基于三維可視化的GIS局放在線監(jiān)測系統(tǒng)及診斷平臺的架構(gòu)設(shè)計(jì)，開發(fā)實(shí)現(xiàn)了GIS局放在線監(jiān)測診斷平臺的三維可視化功能，并將該系統(tǒng)應(yīng)用于某變電站，該系統(tǒng)已連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行7個多月，其性能滿足GIS局放在線監(jiān)測的要求并大大改善了后臺監(jiān)控用戶的視覺體驗(yàn)。