输电线路三维可视化管理

§6.7　输电线路三维可视化管理

6.7.1　总体思路概述

近年来，随着中国经济建设的高速发展，用电需求高速增长，对电网建设的需求亦日益强烈。到2004年底，全国110kV及以上输电线路长度约为500 000km，其中仅500kV线路长度达50 000km、330kV线路长度达12 000km、220kV线路长度达170 000km，输电线路总长度居世界第二。

输电线路是位于地理空间中的人工构建物，其线路距离长，沿途通过地区的地理条件极其复杂，与众多电力线路和通讯线路交叉跨越，并且通过居民区、采石场、高山滑坡、河流不稳定区域和其他特殊区域等。由于走廊环境恶劣，发生停电事故的几率大，一次停电事故的影响范围大、波及范围广，会造成巨大的经济损失，因此尽最大程度地保障输电线路的安全运行具有极其重要的意义。

在电网实际管理工作中，要保证输变电设备正常运行存在很大的难度。因为一方面，自然灾害无法预期的频频发生以及无法预知设备的健康状态，从而无法进行基于可靠性的状态检修等因素，使得输变电设备本身发生故障的概率较大;另一方面，由于输变电设备数量巨大，种类繁多，有关的基础电子档案和信息不完整，也给事故处理增加了难度。为此，电网亟待建立一套有效的输变电设备管理系统来满足输变电设备的安全运行的需要。

纸质资料、电子表格、分散的CAD图纸等，已经不能满足管理需求;基于表格的MIS管理系统，可对设备台账进行有效管理，但不利于管理人员宏观把握电网的实际分布、地理环境、包括巡检管理、应急指挥等。

地理信息系统(GIS)可以将输电网中的各种信息有机地与反映地理位置的图形信息结合，实现具有拓扑结构和分析功能的空间数据库系统，并且提供了强有力的手段处理图形和非图形信息，为电力部门提供智能化决策和控制。因此，在输电网中采用GIS技术不仅能使输电网的管理上升到一个新的高度，也为改进输电质量、减少事故和检修时的停电时间、提高供电可靠性、降低电网运行费用提供了新手段。

目前在电力系统中广泛应用的主要是基于二维坐标的GIS系统，系统采用层的形式区分显示各种类型的地物元素，即在不同的层中以点、线、面等符号表征不同类型的实际物体。电网二维GIS系统已由技术研究阶段进入大规模使用阶段，功能日益完善，为输电、变电、配电、电厂、供电、用电等电力各个环节的管理、运行、维护、辅助设计等提供了支撑。但二维GIS系统简单的几何图形加标注的表现形式并不能真正地反映线路、杆塔等电力设备设施周围的地形、地貌，不能为管理、检修人员提供一个真实的环境信息;杆塔、导地线弧垂等的三维位置关系到线路的安全，二维GIS不能直观地表达这些内容。

计算机图形学的发展和计算机硬件性能的成倍提高使得三维表现技术日益完善，通过这些技术，我们能够构造更接近于现实的三维地表模型和各类设备模型，使得GIS系统从二维向三维发展。借助地理信息和三维可视化技术，将输配电线路、供用电设备及地理环境以图文并茂的形式准确、直观地展现出来，为电力企业的输配电线路、设备的规划、设计、维护、管理、调度、分析、决策提供信息基础和高效手段。

建立一个“架空送电线路三维可视化管理系统”的目的就是以空间形式采集、组织、建立架空输电线路及运行维护所需的各种空间地理、行政、人文、地质、经济等要素，并以空间数据库形式进行存储、管理。在此基础上，建立完善的电网运行、维护、事故处理等模型，并通过对空间数据库中空间数据和属性数据的有效存取，以直观、可视化的形式进行模拟、显示、查询、处理、分析，从而形成比传统手段更为高效、可靠、经济和实用的架空送电线路运行维护管理系统，其成果也以数字形式存放，可以被其他系统共享。

考虑到实施的成本及对电网的安全和重要性，现阶段的“架空送电线路三维可视化管理系统”主要针对高电压等级特别是超高压等级线路，该系统的主要用户为各超高压线路的运行维护单位——超高压局。系统建设的目标就是对输电线路工程的规划、设计、建设、运行、维护等各阶段各种相关的资料、数据、规范等进行整理和标准化，建立输电线路运行维护的具有空间数据和属性数据的综合数据库，使用户能快速、准确地从该系统中获得线路有关的各种数据和资料，能方便地进行查询、检索、统计、分析、评价。为生产部门的施工组织的合理调度提供辅助决策依据。在事故发生时，能快速反应，及时查出事故发生地，通过路径分析找到最佳路径，指挥抢修车辆最快到达目的地。在日常线路运行维护时，能为管理和技术人员提供直观、可视化、便利的环境，减轻劳动强度，提高工作效率。

6.7.2　解决方案

由于人类习惯于对周边环境的三维认知，输电线路的三维可视化管理更易于被接受。要实现三维可视化管理，三维空间数据的采集是前提和关键。目前常用的三维数据采集手段包括人工测量、航空摄影测量和卫星遥感。

机载三维激光雷达测量系统是一种能同时快速获取高分辨率影像数据和高精度激光点云数据的新型三维空间数据采集手段，是目前唯一可以同时准确恢复线路三维走廊地形、地貌、地物、线路杆塔位置形状、线路弧垂的快速测绘手段。

激光雷达数据经过相关软件处理后，可以生成高精度的数字高程模型DEM、数字正射影像DOM。基于DEM和DOM，可以生成线路走廊三维地形、地貌。基于激光点云，可以对杆塔和导线等进行如图6-43所示的三维建模，精确匹配实际坐标。

图6-43　基于激光点进行杆塔和电线建模

对于走廊地表附着物，如房屋、树木等，可以直接利用激光点云来表达，这样既能保证数据的精确性，又能减少数据处理的工作量。基于激光雷达测量技术处理得到如图6-44～图6-46所示的三维场景，将野外的真实情况展示在计算机上，全局、微观上都能对整个线路甚至是整个超高压线路网路都有很明确的了解。

图6-44　激光雷达测量技术得到的线路走廊三维场景

图6-45　通过激光点云来表达走廊植被、房屋、交叉跨越

图6-46　线路走廊激光点云赋影像颜色后的效果

目前许多电网三维管理系统建设时，线路弧垂是根据线路杆塔的设备设施参数来计算的，其结果通常与实际运行的线路弧垂有一定差别，很难保证计算结果的准确性，这也是采用激光雷达测量技术的主要原因和优势所在，如图6-47所示。

图6-47　基于设计参数计算弧垂

而对于走廊中的树木、房屋、交叉跨越等，可以使用三维模型来表现，如图6-48所示。三维模型通常会对实际地物进行简化，比如图6-48中的房屋模型。当然，采用激光点云来表达有时可能比三维模型更加合适，这取决于用户的实际需要。

图6-48　房屋的三维模型

6.7.3　技术路线

1.总体技术路线

经研究总结，我们提出如图6-49所示输电线路三维可视化管理技术路线。

图6-49　输电线路三维可视化管理总体技术路线示意图

结合实际需求三维仿真可以分为3个层次:

(1)因为管理的重点是线路走廊，所以辖区大范围的三维地形、地貌可以综合利用各种卫星遥感数据，精度和分辨率可以不用太高。

(2)对普通线路，可以采用1∶10000DOM和DEM仿真线路走廊，利用现有线路资料进行设施、设备建模。

(3)对重点线路，可以利用激光雷达直升机巡线等手段进行精细的数据采集和三维重构，高精度仿真线路走廊，包括地形和走廊地物空间信息，结合激光雷达数据和现有线路资料进行设施、设备建模。

2.输电线路勘测设计成果数字化移交

对于新建高压线路、超高压线路，可以基于激光雷达数据进行路径优化、排杆定位等，设计完成后，由设计单位直接提交数字化成果，包括线路走廊三维地形、地貌、走廊地物空间信息、杆塔排位结果、杆线资料等。可以直接将这些数字化成果导入输电线路三维资产管理系统，从而更加充分地利用勘测设计成果，节省管理投资。

3.通过巡线对已建成线路的三维重构

如图6-50所示，对于已建成线路，可以利用激光雷达进行扫描，处理得到DOM、DEM和激光点云，从而恢复线路三维走廊。辅以线路资料录入，可以实现对线路资料的三维管理。这项工作可以与电力巡线同时进行，减少投资。

图6-50　基于激光雷达测量技术三维重构已建线路流程图

6.7.4　输电线路三维可视化管理平台主要功能

1.电网辖区大范围影像、地理数据二维浏览，如放大、缩小、平移、漫游等;

2.电网辖区大范围地形、地貌三维浏览;

3.线路走廊(地形、跨越等)、输电线路设施、设备三维浏览，应详细到杆塔、绝缘子、间隔棒等设备的模拟显示;

4.绕某一杆塔自动旋转多视角观察;

5.综合管理各种空间数据，包括正射影像、数字高程模型、激光点云、矢量图形等;

6.海量激光点云的展示，与地形的叠加;

7.可以基于地面模型，也可以基于激光点云，随意进行地形断面提取和显示;

8.台账资料录入、查询、统计和报表汇总;

9.线路走廊地物精确空间位置和属性管理;

10.基础杆塔、房屋、树木三维模型管理;

11.铁塔设计图纸管理;

12.弧垂自动计算显示;

13.沿线自动飞行;

14.飞行路线定制与自动漫游;

15.二维、三维量测;

16.视频监控，实时反应线路周边环境;

17.雷击点显示和信息管理。

图6-51～图6-53为程序部分界面截图。

图6-51　三维资产管理的主界面

图6-52　模拟不同工况下导线到地面的距离

图6-53　杆塔信息查询