輸變電工程數字設計與信息管理一體化平臺研究

王 法，崔 力，朱嵐康

（國網浙江省電力公司 嘉興供電公司，浙江 嘉興 314033）

0 引 言

隨著電網負荷不斷增長，電網結構日益復雜，城市空間資源日趨緊張，在電網建設中，傳統的勘察、規劃、設計方式已經無法適應現在電網建設和發展的要求，信息資源共建共享不暢、勘察設計粗放等問題亟待解決。

根據國網數字化新基建戰略內容，建立縱向貫穿規劃、設計、施工、運行全生命周期，橫向貫通網架信息、地理信息以及用戶信息的一體化平臺，提升電網數字化感知能力和智能化處理能力成為重要研究方向。因此，有必要融合構建地下、地表、地上三維空間信息，統籌優化城市可利用空間；同時，需要根據多元融合高彈性電網建設需要，匹配用戶電力資源信息，建立電網-用戶融合數據庫，做到一張藍圖繪到底，提升規劃設計的交互性，喚醒沉睡資源，并服務于電網建設運行的全過程。

1 以GIS 為基礎的“電網一張圖”

地理信息系統（Geographic Information System，GIS）基于數據庫管理技術和計算機輔助設計技術，利用計算機進行地理信息的采集、存儲、管理分析以及表達。隨著云計算、大數據、物聯網、人工智能、移動互聯、三維可視化等新一代信息技術快速增長與滲透，傳統的GIS 技術正在向網絡化、智能化發展，人機交互手段也在不斷進步，以GIS 為基礎，融入電網設備、網架結構、規劃設計等數據，能夠做到四維時空信息可視化的“電網一張圖”[1]。

目前，對于“電網一張圖”的需求主要體現在拓撲融合和數據融合2 個方面。拓撲融合主要集中在靜態數據，包括電網GIS 中的拓撲位置信息、電力生產管理系統（Production Management System，PMS）中的設備模型連接關系以及電網調度自動化系統（調控云）中的電網公共信息模型（Common Information Model，CIM）數據等[2]。數據融合主要來自發電管理系統、能量管理系統（Energy Management System，EMS）、分布式電源管理系統（Distributed Energy Resource Management System，DERMS）、用戶信息系統以及BIM。數據包括輸變電工程建設信息、一次能源管理的信息、變電站及線路電能監測與設備運行信息、電網設備臺賬信息、設備資產信息、設備缺陷/故障信息、設備檢修信息、電網實時與歷史運行數據、數據采集與監視控制系統（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）數據等帶有時間標識的數據，以及企業外部相關信息。

2 電網數字設計與信息管理一體化平臺架構

2.1 建設目標

項目依托嘉興恒創電力設計研究院數智設計中心建設，立足于電力工程設計提質增效的需要，利用信息化可視化智能化技術，對電網工程的規劃、勘察、設計、仿真、移交、共享等進行全過程數字化孵化管理，服務于基建、生產、營銷等多領域的數字化全息電網建設，促進數據資源貫通共享，實現嘉興城市電網過去、現在、未來的全時空、多維度仿真計算分析，有力支撐數字電網的建設[3]。

2.2 體系架構

電網數字設計與信息管理一體化平臺部署環境由應用服務器、數據庫服務器、多源數據接入設備構成，平臺體系架構如圖1 所示。數據庫與設備間通過局域網高速網絡互聯，授權用戶通過互聯網或局域網訪問平臺功能和數據。

圖1 體系架構

3 電網數字設計與信息管理一體化平臺架構

本項目基于電力學、計算機圖形學、GIS、機器學習、大數據、空間數據建模以及分析等理論方法與技術，開展城市電網數字設計與信息管理一體化平臺關鍵技術研究[4]。總體技術原理如圖2 所示。

圖2 總體技術原理

3.1 多源空間數據建模與整合建庫技術

3.1.1 多源空間數據的三維建模

研究地下、地表、地上多元空間數據的建模方法，包括：基于鉆孔數據的三維地質體模型構建方法，研究特殊地質現象和復雜地質體建模的優化方法，設計實現虛擬鉆孔柱、剖面獲取、隧道漫游等算法；基于激光雷達、傾斜攝影等技術的輸變電場景地面地物的建模方法；基于遙感影像的語義分割模型，實現端到端的地物分類以及重點目標識別與提取，實現對勘測場景的三維建模；采用道亨軟件建立輸變電設備三維模型，實現電網設備建模和屬性定義[5]。

3.1.2 多源空間數據整合建庫

研究地下、地表、地上空間實體集成的數據模型，結合嘉興地質體、地質結構、地質現象和地質過程本身的特點，建立符合地質體空間特性的三維地質模型與地下設施的多模式表達及三維數據結構[6]。針對點云、遙感影像、傾斜攝影、地下廊道、設備模型及電網運行實時信息等多源異構數據，研發集成和無縫整合工具，構建用于數據管理、調度的標準化數據庫，最終實現海量空間數據的快速加載和瀏覽。

3.2 智慧輔助規劃研究

輸變電線路智慧規劃需要融合多源信息，考慮不同數據的特點，采用多因子關聯分析法規劃選線路徑，建立與用戶需求匹配的系統模型，研究輸變電線路規劃優化方法。

（1）建立系統資源與用戶需求高效匹配的模型，融合用戶信息和現有線路項目信息，基于用戶需求和系統已有資源，通過算法和規則經驗構建匹配模型，為后續的線路規劃服務，滿足高彈性電網的未來需求。

（2）研究輸變電線路規劃優化方法，基于基礎地理信息、三維模型場景數據和電力設計業務數據等多源數據，在多因子關聯分析法下，綜合考慮物料運輸、環境污染、建設成本、地形地貌特征等因素，實現交互式的可視線路規劃，支持選站選線結果的實時展示與多方案的對比分析。

（3）通過將各部門、各類型電網數據進行清洗、格式轉換等，利用GIS 技術，實現嘉興電力數據一張圖系統，展示嘉興電網架構、走向，為線路勘測、規劃等提供信息支撐。

3.3 大規模輸變電線路復雜場景自適應可視化技術研究

輸變電線路場景具有跨度大、場景復雜等特點，數據難以快速讀取、顯示。本項目從多源空間實體的化簡和多分辨率表示、多源空間信息的無縫集成可視化技術和內外存一體化的動態調度機制來實現大規模輸變電線路場景的實時可視化，主要包括以下幾點。

（1）針對地下、地表、地上空間實體的不同表達特點，研究連續性和離散性空間實體的多分辨率表示方法；研究便于用戶感知的空間實體簡化技術，重點解決空間實體的感知測度、紋理的自適應簡化方法以及感知驅動的模型簡化方法。

（2）研究地下、地表、地上多源空間實體的統一表達模型；針對大場景實時繪制的需要，研究適合于圖形處理器（Graphics Processing Unit，GPU）軟硬件架構的空間實體數據結構；研究地下、地表、地上多源空間實體的特殊效果無縫集成顯示技術；研究地下管網、地質體透視、復雜地質構造、地質分析結果的可視化表現方法。

（3）根據場景復雜性及系統性能差異，對場景數據調度及繪制流水線進行自適應地優化配置，保證系統流暢性；研究內外存一體化的海量空間信息實時可視化技術，能夠根據場景的空間局部性關系和多分辨率關系來優化場景在顯存、內存以及外存中的結構，調整不同存儲器之間數據的調度策略[7]。

3.4 輸變電線路智慧勘測平臺研發

輸變電線路智慧勘測可視化規劃平臺主要由智慧勘測數據管理、輸變電線路場景空間分析和智慧電子交樁等子系統組成，具體包含以下幾點。

（1）通過對多源空間數據進行整合，構建智慧勘測數據庫，包括地下、地表、地上多源異構空間數據的集成建模、格式轉換、坐標配準、空間屬性匹配、數據化簡、數據入庫、索引構建、數據更新與維護等功能，同時提供數據接口供上層組件調用。利用無人機和單兵設備，實現踏勘路徑規劃、踏勘數據（視頻、圖片）實時回傳、踏勘信息保存與追溯、電子交樁等功能，為項目設計、施工等提供基礎信息支撐[8]。

（2）根據線路規劃的需要，提供地下、地表、地上多源空間分析，提供虛擬鉆孔、剖面、拓撲分析、二三維空間緩沖分析、二三維疊置分析等功能，為輸變電線路規劃提供支持。

4 平臺主要特點

本平臺整合多源異構電力數據，實現嘉興電力數據一張網系統，實現整個電網數據的數字化、空間化、可視化，主要特點有以下幾點。

（1）面向輸變電線路規劃的地下三維空間建模。該平臺以鉆孔數據為三維地質建模的主要數據來源，改進特殊地質現象、復雜地質體的建模策略，顯著提高模型的精度和算法效率，并通過可視化表達生成準確詳實的三維地質模型，更直觀地展現地層的厚度、地質結構、巖性、空間形態等屬性。同時，平臺整合嘉興地下管廊數據資源，為專業人員分析地質構造、管線排布等提供準確信息，從而為地下空間開發利用和線路規劃決策提供可靠的依據。

（2）智慧勘測。以地下、地表、地上勘測數據庫為基礎，以三維可視化引擎為支撐，通過語義分割進行端到端的像素分類，實現高分辨率遙感圖像辨識，包含道路、水源、建筑、樹木、農作物、車輛、行人等地物目標類別豐富的細節信息。利用點云、5G技術、大數據智能感知挖掘技術、無人機飛控、單兵裝備等軟硬件，實現與勘測現場實時信息交互、行動指揮、增強現實（Augmented Reality，AR）現場定樁，實現多空間、各領域、各要素達到信息實時互動。

（3）數字化選線。建立了系統資源與用戶需求的合理匹配模型，基于地下、地表、地上多維一體的多源數據，在多因子關聯分析的設置下，自動優化桿塔和線路。同時，依據歷史造價工程以及工程對應的參數值，結合各參數與工程量的對應關系，建立工程造價概算數學模型，將選線成果作為輸入條件，計算科學合理的線路方案報價，獲得最優的輸變電選線方案。

（4）GIS 應用整體集成與共享?；陔娋W一張圖的理念，開發多層次、多尺度細節的模型展現與場景調度功能，不僅從宏觀層面展現矢量化的電網架構，而且采用三維模型精細化展現大規模輸變電線路涉及的地下、地表以及地上空間，并集成輸變電三維設計、智慧勘測、工程數字化移交、設備狀態查詢等功能，實現輸變電工程規劃、設計以及移交運行的整體優化繪制與共享應用。

5 結 論

文章的城市電網數字設計與信息管理一體化平臺基于“電網一張圖”的理念，以地下、地表、地上三維地理信息數據為內核，整合嘉興110 kV 及以上電網信息資源，集成智慧勘測、三維數字化設計、工程數字化移交、設備狀態查詢等功能，實現電網數據統一管理、規劃設計智能高效、信息共享直觀全面，既提高了電網建設運行管理的集約化、精細化水平，又為嘉興城市統籌規劃提供了科學的輔助決策手段。