基于三維數(shù)字化的輸配用電線路的仿真系統(tǒng)設計和實現(xiàn)

四川中電啟明星信息技術有限公司 辜 超 尚忠玉 吳 溢 程皓杰 張殿金

隨著國網(wǎng)公司提出建設具有中國特色國際領先的能源互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的最新戰(zhàn)略目標，國網(wǎng)公司加快了電力物聯(lián)網(wǎng)建設與電力數(shù)據(jù)價值挖掘的步伐，加速向數(shù)據(jù)驅動型企業(yè)轉型，故有必要加快推進輸電線路物聯(lián)網(wǎng)體系與數(shù)字化體系的建設，有力支撐公司數(shù)字化轉型。當前階段，輸電線路的各項監(jiān)測功能與數(shù)據(jù)分布在不同的業(yè)務信息系統(tǒng)中，由各個系統(tǒng)單獨為運檢人員提供數(shù)據(jù)支撐，未能有效的整合各類數(shù)據(jù)，無法利用數(shù)據(jù)進行綜合的分析診斷，不能發(fā)揮各類數(shù)據(jù)應有的價值。同時，輸電線路主要依賴人工巡視，監(jiān)測點位少，不能全面覆蓋輸電線路的所有要素。因此有必要采用更先進的信息技術，實現(xiàn)輸電線路運行狀態(tài)的全面感知與智能分析，進一步提高輸電線路運檢的時效性與智能化程度，從而提高輸電線路運檢的工作效率。

1 系統(tǒng)需求及建設內容

大運會主供電線路起于成都龍泉驛區(qū)500kV桃鄉(xiāng)變電站，止于成都龍泉驛區(qū)東安湖體育中心，同塔雙回架設，線路長度近25km，合計桿塔為48基，其中鐵塔23基（直線16基、耐張7基），鋼管桿25基（直線18基、耐張7基）。導線采用2×LGJ-630/45鋼芯鋁絞線，地線采用一根LGBJ-120-40AC鋁包鋼絞線和一根OPGW-140光纜相配合，基準風速為23.5m/s、設計覆冰為5mm；全線劃分為d級污穢區(qū)。

220kV桃柏一二線1#-17#塔位于荒廢農田，雜草荊棘叢生，逐級巡視難度大；17#-18#塔跨越城環(huán)路；18#-23#塔位于荒地，存在深夜野土隨意傾倒、無政府監(jiān)管情況，隨意堆土易導致導線對地距離不足；23#-48#塔位于人行道旁規(guī)劃綠化帶中，有綠化公司種植高大樹木的風險；110kV柏高線與高光線（同塔雙回）途經(jīng)龍泉經(jīng)濟開發(fā)區(qū)，其中11～12#桿塔位于魚塘旁，雖有禁止釣魚公告，但由于無監(jiān)管措施，存在釣魚愛好者釣魚的情況。

基于這些需求，迫切需要一種能與現(xiàn)場環(huán)境進行直接交互的智能系統(tǒng)，實現(xiàn)輸電線路全景感知、魚塘電子圍欄與聲光告警、外力破壞人工智能識別、樹木距離監(jiān)測告警、塔基鳥巢監(jiān)測告警、導線溫度監(jiān)測等應用場景，提高線路故障診斷和定位準確度，降低人工巡視難度及成本，保障線路穩(wěn)定運行。

開展輸電線路全鏈路的數(shù)字孿生應用探索，選取500kV桃鄉(xiāng)變電站-220kV紅砂變電站、500kV桃鄉(xiāng)變電站-220kV柏合變電站-110kV高桐變電站-110kV陽光變電站全鏈路的部分輸電線路開展數(shù)字孿生試點應用建設，實現(xiàn)輸電線路全鏈路的虛擬全景交互、智能診斷、三維可視化展示、數(shù)據(jù)融合等能力，其中變電站作為一個整體進行展示，展示內容包括變電站名稱、變電站變壓信息等基本內容[1]。

模型建設。三維模型建設是三維可視化的具體反映，通過點云的特征提取和分解，按照桿塔、導線、金具、絕緣子串、塔基、附屬設施、監(jiān)測裝置等類型導入3DMax進行建模，實現(xiàn)三維標準化模型庫的建立，真實反映設備設施細節(jié)和特征，直觀的了解設備設施的位置、尺寸及與周圍設備設施的相對空間位置關系等信息，其中模型精度為厘米級。

數(shù)字孿生輸電線路。以三維可視化方式展示輸電線路通道環(huán)境、桿塔模型、監(jiān)測裝置，同時基于傳感、視頻等實時監(jiān)測裝置數(shù)據(jù)，完成輸電線路的實時虛擬仿真與全景交互，并結合物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)融合、大數(shù)據(jù)的處理和人工智能的建模分析，實現(xiàn)對線路當前狀態(tài)的評估、對過去發(fā)生問題的診斷，展示分析結果，提供更全面的安全監(jiān)管及智能輔助決策處置等能力[2]。

三維可視化。創(chuàng)建3D數(shù)字孿生模型，支撐輸電線路全方位數(shù)字化展示，包括測量感知、數(shù)字建模、模型展示、模型同步、運行管理等。在進行輸電線路三維建模時，基于地圖對選擇的輸電線路進行直觀、精確的三維建模，包括展示輸電線路上電力設備關系、分布位置、監(jiān)測裝置位置等。首先對輸電線路上各類主要電力設備進行等比例三維建模；其次對輸電線路上電力設備關系、三維地理位置沿布及拓撲進行三維可視化展示。

2 系統(tǒng)主要功能及實現(xiàn)流程

基于三維仿真技術構建輸配用電全鏈路數(shù)字孿生應用，主要功能包括以下方面：

三維孿生場景：實現(xiàn)對變電站->桿塔->環(huán)網(wǎng)柜->配電室整個輸電線路可視化；以三維可視化方式展示輸電線路通道環(huán)境、桿塔模型、監(jiān)測裝置，同時基于傳感、視頻等實時監(jiān)測裝置數(shù)據(jù)，完成輸電線路的實時虛擬仿真與全景交互。對設備的運行情況、告警信息及個性化信息通過桌面可視化形式展示；運維監(jiān)測：根據(jù)位置臺賬和分類臺賬選擇要監(jiān)控的設備，根據(jù)三維中的設備提示打開數(shù)據(jù)標牌，可在標牌上查看遙測、遙信、設備參數(shù)等信息。對于設備上有儀表盤的設備，可直接在三維儀表看上查看實時監(jiān)控數(shù)據(jù)；以列表的形式在輸電全鏈路數(shù)字孿生系統(tǒng)中，顯示所有已經(jīng)接入的輸電線路信息[3]。

智能診斷：在輸電全鏈路數(shù)字孿生系統(tǒng)中，將監(jiān)控點與攝像頭關聯(lián)并進行告警診斷、外破監(jiān)測、導線溫度監(jiān)測、樹障監(jiān)測、告警統(tǒng)計、以及規(guī)則配置等；智能巡檢：通過制定巡檢計劃，可在線上查看監(jiān)控視頻，實現(xiàn)線上巡檢，降低線下運維成本；模型參數(shù)配置：實現(xiàn)變電站、低壓線路、開關站、環(huán)網(wǎng)柜、配電室、總表、開關柜、變壓器進出、抽屜柜、電力相關業(yè)務模型的建設和維護，通過配置模型參數(shù)、模型點擊事件優(yōu)化模型，為輸電線路數(shù)字化3D場景做支撐；綜合管理：基于圖模管理對系統(tǒng)設備資源如傳感器、攝像頭、變電站、環(huán)網(wǎng)柜、配電室、桿塔、線路進行維護。輸配用電全鏈路數(shù)字孿生系統(tǒng)，通過智能融合終端完成輸電線路全鏈路的實時數(shù)據(jù)采集與視頻監(jiān)控。

實現(xiàn)流程：運維人員到達現(xiàn)場后通過安裝智能融合終端并調試，檢測網(wǎng)絡是否順暢并進行認證組件認證，認證組件在收到智能融合終端上報的認證參數(shù)及請求后，通過匹配自身數(shù)據(jù)庫來驗證是否通過驗證，然后進行數(shù)據(jù)的傳輸校驗，最后運維人員收集現(xiàn)場設備相關參數(shù)和信息用于三維建模，然后通過參數(shù)信息實現(xiàn)三維仿真。

3 技術架構

基于三維仿真技術構建輸配用電全鏈路數(shù)字孿生應用，總體技術架構采用微服務架構后端使用java技術，三維建模使用thingjs-x，操作界面采用html5和bootstrap前端框架，從而簡化了現(xiàn)場運維難度，更便于現(xiàn)場運維。

3.1 軟件實現(xiàn)方面

軟件實現(xiàn)的具體步驟如下：安裝智能融合終端，進行調試及維護；組件認證，認證終端設備；MQTT注冊，建立一個MQTT的客戶端獲取MQTT Broker的信息；采集數(shù)據(jù)，基礎設備的數(shù)據(jù)采集獲取；通過5G網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)實時回傳到數(shù)據(jù)測量模型；數(shù)據(jù)庫初始化，主要負責設置數(shù)據(jù)庫的相關配置；配置初始化，負責對配置文件解析；三維模型庫初始化，對三維模型的相關配置文件解析；設備基礎信息參數(shù)收集，獲取設備序列號、出廠編號等基本信息；三維模型建模，根據(jù)設備基礎信息或CAD圖紙進行模型建模；智能算法分析，根據(jù)實時數(shù)據(jù)結合規(guī)則算法進行智能分析；實時預警與告警，根據(jù)分析結果進行預警和告警統(tǒng)計；三維仿真場景展示，整個輸電線路可視化，以三維可視化方式展示輸電線路通道環(huán)境、桿塔模型、監(jiān)測裝置，同時基于傳感、視頻等實時監(jiān)測裝置數(shù)據(jù)。

圖1 軟件實現(xiàn)流程

3.2 安全方面

在應用層部署一個安全認證組件，初始內置運維的登錄用戶名、密碼、組織機構、智能融合終端ESN。當?shù)卿浿悄苋诤辖K端時，終端將操作員的用戶和密碼、組織機構、終端ESN發(fā)到認證組件，只有當這四個參數(shù)全部匹配通過后認證組件返回通過字符串，終端在收到通過字符串后才允許運維人員操作。

綜上，通過數(shù)字孿生技術能極大提升線路運維的信息化含量，緩解運行壓力，提高對輸電線路運行情況的收集和掌握，提高對應急搶修等突發(fā)情況的相應速度，實現(xiàn)運檢效率高效化，利用邊緣計算實現(xiàn)設備狀態(tài)的初步診斷及告警，融合數(shù)字孿生技術實現(xiàn)輸電線路狀態(tài)主動評估、智能預警及精準運維，提升線路運維保障能力，提高線路運檢效率效益。挖掘數(shù)據(jù)價值，提供數(shù)據(jù)支撐。加快能源互聯(lián)網(wǎng)價值創(chuàng)造體系-電力市場運營應用的建設，通過靈活的數(shù)據(jù)交互和探索分析能力，滿足應用軟件的數(shù)據(jù)分析需求。幫助用戶挖掘數(shù)據(jù)的潛在價值，為管理者制定決策提供數(shù)據(jù)支撐。