特高壓輸電線路通道三維可視化系統(tǒng)的實現

王勝利 周璋鵬 焦小強 白宏明 馬長山

(國網甘肅省電力公司檢修公司, 甘肅 蘭州 730070)

0 引言

隨著我國經濟高速發(fā)展,特高壓、大功率、長距離輸電線路越建越多,線路走廊遠離城鎮(zhèn)和交通干線,穿過荒山野嶺,地理環(huán)境復雜。目前常規(guī)的巡檢方式,工作條件艱苦、勞動強度大,巡檢效率低,并且部分巡檢項目靠人工方法難以完成[1]。因此,常規(guī)的電力巡檢方式,已不能滿足現代化智能電網的發(fā)展和安全運行需求,特高壓電網急需安全、先進、科學、高效的電力巡檢方式。

1 特高壓三維可視化系統(tǒng)概況

直升機、無人機、機器人及各類智能終端巡檢高壓輸電線路,具有高科技、高效率、快捷、可靠、準確預測、不受地域影響等優(yōu)點,針對輸電線路瓶口以上的導地線、金具及設備隱蔽性缺陷具有人工巡視無法比擬的優(yōu)勢[2-3]。智能巡線可有效提升輸電線路運維水平、提高工作效率、減小勞動強度[4]。

在國外,20世紀90年代后,MITSUI[5]等將可視化技術應用在大尺度下電力系統(tǒng)的設計中,這使得輸電網與三維可視化技術結合成為了可能。之后,WEBER[6]等實現了更加直觀以及全面的實現輸電網三維可視化,利用相應三維可視化技術的電力分析系統(tǒng)也相應推出。近幾年,隨著我國對輸電線路的設計智能化的需求逐步提高,利用三維可視化應用在輸電線路管理研究中取得了一定的進展。2008年,來自清華大學的陳佳[7]等針對電力系統(tǒng)控制中心的節(jié)點型和線路型數據,設計并開發(fā)三維可視化模塊,其具有展示形式多樣、實時性好、跨平臺實現、易于與不同應用系統(tǒng)集成等特點;來自國網江蘇省電力有限公司的孫海渤[8]等針對變電站運檢人員和設備進行有效管控,為管理者提供輔助決策,開發(fā)了一套變電站三維可視化管控系統(tǒng)。但由于不同地域以及不同自然條件,相關技術受到了相應的影響。針對于此,本文利用智能終端平臺搭載的激光雷達掃描系統(tǒng)獲取特高壓(高壓)輸電線路上的高密度、高精度激光雷達點云和光學影像數據,實現輸電線路本體及周圍環(huán)境的真三維數字模型構建;實現輸電線路快速、高精度三維量測和空間分析;考慮不同氣象、自然條件和輸電線增容等情況,進行輸電線路安全性能模擬、評價和智能報警;開發(fā)輸電線路和走廊環(huán)境三維顯示與分析軟件系統(tǒng),為特高壓輸電線路的科學管理、安全評價和智能預警提供數據、模型和軟件支持。

2 特高壓三維可視化系統(tǒng)設計

2.1 總體框架結構

基于航巡數據的特高壓輸電線路通道三維可視化系統(tǒng)總體架構(圖1)包括物理架構、技術架構、數據架構和業(yè)務架構。

圖1 特高壓三維可視化系統(tǒng)總體框架

2.2 數據框架結構

數據框架結構見圖2，系統(tǒng)數據包括平臺基礎數據、航巡激光數據和常規(guī)航巡業(yè)務數據三大類別,按類別可分為結構化數據和非結構化數據[9],非結構化數據部署在文件服務器,采用Tomcat、互聯(lián)網信息服務(Internet Information Services, IIS)、NodeJS等發(fā)布服務供網絡端調用,結構化數據通過提供的數據服務接口采用批量抽取和實時抽取兩種方式,供前端展示和分析使用。針對每種類別的數據采取不同的數據處理方式。

圖2 特高壓三維可視化系統(tǒng)數據框架

2.3 技術框架結構

系統(tǒng)技術架構由統(tǒng)一數據接入、數據存儲、計算分析框架、服務接口、應用展示等部分組成[10],技術架構如圖3所示。

圖3 特高壓三維可視化系統(tǒng)技術框架

3 特高壓三維可視化系統(tǒng)實現

3.1 系統(tǒng)功能設計

基于航巡數據的特高壓輸電線路通道三維可視化系統(tǒng)在獲取到激光雷達點云數據和影像數據后[11-12],同時收集線路檔案數據、掃描時的環(huán)境參數,通過數據質量分析、數據后處理與分析等工作,最終實現輸電線路本體和走廊環(huán)境的真三維數字化重建、空間三維量測,以及輸電線路安全評價和智能報警,為輸電線路數字化和高效地自動化管理提供數據和模型支持,實現線路交跨點自動提取、瞬時工況安全距離檢測、線路最大工況安全距離分析以及平斷面圖輸出。系統(tǒng)功能模塊設計如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)功能模塊設計

3.2 系統(tǒng)實現

基于航巡數據的特高壓輸電線路通道三維可視化系統(tǒng)可提供高精度的三維空間信息,能夠穿透植被獲取地表信息[13-14],巡檢人員可以充分利用該信息對造成線路安全問題的隱患和異常進行分析。另外,由于受風向、氣溫、濕度、導線負荷量的影響,導線弧垂度會發(fā)生變化,導線弧垂模型不容易建立,利用機載激光雷達測量技術獲取數據進行三維建模后,可直接量測弧垂到樹木或障礙物的距離,進而確定如何進行砍伐和清除障礙;其次,如果能自動化提取電力線點云并進行矢量化,將使危險點自動檢測成為可能,極大地提高巡檢的效率;再次,可以基于機載激光雷達數據和線路勘測設計成果制作輸電線路三維可視化管理系統(tǒng),錄入相關的屬性信息,實現輸電線路三維可視化管理,并可以不斷地更新數據,從而為電力線路規(guī)劃設計,運行維護提供高精度測量數據成果。

智慧通道管理功能實現對特高壓輸電線路通道管理相關重點業(yè)務信息集中展示,地圖同步展示桿塔分布情況,集合桿塔臺賬、缺陷、照片等詳細臺賬信息,全方位、多角度展示通道數據。

智能監(jiān)測預警借助數據分析技術、結合預警規(guī)則知識庫,開展多主題綜合分析,進行深度價值挖掘、特征分析,實現預測預警。

缺陷本質是對缺陷中包含的信息想進行收集、匯總、分類之后使用統(tǒng)計方法,或是分析模型得出分析結果、缺陷分析得出的結果可以了解缺陷集中的區(qū)域,明確缺陷發(fā)展趨向。缺陷管理包括單條線路缺陷統(tǒng)計、總體缺陷類型統(tǒng)計、多條線路歷史缺陷熱力圖演變、時空分析、缺陷等級分析、缺陷類別分析、線路缺陷演變等功能。

4 結束語

利用智能終端平臺搭載的激光雷達掃描系統(tǒng)獲取特高壓輸電線路上的激光雷達點云和光學影像數據,在激光掃描技術、三維可視化術及大數據分析等技術融合的基礎上,在三維全景平臺上融合航檢數據,建立輸電線路通道管控系統(tǒng),為超高壓輸電線路的科學管理、安全評價和智能預警提供數據、模型和軟件支持,全面提升輸電通道的管理水平。在實際的應用過程中,如何提高系統(tǒng)的魯棒性以及保證提高監(jiān)測報警系統(tǒng)的準確性是下一步工作的重點。