基于三維電網(wǎng)模型的運檢管控應(yīng)用

方潤 王奕 溫晉玲

（1.上海欣能信息科技發(fā)展有限公司 2.國網(wǎng)上海市電力公司）

基于三維電網(wǎng)模型的運檢管控應(yīng)用

方潤1王奕2溫晉玲1

（1.上海欣能信息科技發(fā)展有限公司 2.國網(wǎng)上海市電力公司）

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，社會用電需求迅速增長，電網(wǎng)設(shè)備的數(shù)量和規(guī)模變得越來越龐大。借助先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù)，對電網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行可視化管理成為一種趨勢。本文介紹了電網(wǎng)運檢管理的發(fā)展現(xiàn)狀，對電網(wǎng)的主要設(shè)備進(jìn)行了三維建模，并詳細(xì)描述了電網(wǎng)三維模型在電網(wǎng)管控中的應(yīng)用實例，最后對基于三維模型的運檢管控系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)與展望。

三維電網(wǎng)模型；運檢管理；智能運檢

0 引言

近年來，以互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心、以德國“工業(yè)4.0”和美國“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”為代表的新一輪科技變革正在深刻影響傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。我國于2015年7月提出包含智慧能源在內(nèi)的11項“互聯(lián)網(wǎng)+”行動計劃，并將行動計劃上升至國家戰(zhàn)略層面。國家電網(wǎng)公司順應(yīng)潮流，從2015年下半年起大力推進(jìn) “互聯(lián)網(wǎng)+”與運維檢修等公司核心業(yè)務(wù)深度融合，大力提倡并發(fā)展智能運檢的理念，通過基于三維技術(shù)的智能管控平臺對智能運檢業(yè)務(wù)的開展付諸實踐活動。

1 運檢管理發(fā)展現(xiàn)狀

隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，電網(wǎng)設(shè)備數(shù)量與電網(wǎng)檢修人員數(shù)量的配置比在逐步擴(kuò)大，電網(wǎng)規(guī)模增長與運檢人員配置的矛盾日益突出；特高壓骨干網(wǎng)的快速發(fā)展，“強直弱交”的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)給安全運行帶來巨大壓力。輸電線路跨越高速鐵路、高速公路、重要線路等事關(guān)公共安全和電網(wǎng)安全大計，在特高壓長距離輸電通道沿途，雷電、覆冰、大風(fēng)、山火、泥石流等自然災(zāi)害和外力破壞引發(fā)大面積停電的風(fēng)險因素將長期存在；設(shè)備狀態(tài)感知仍以停電檢修、離線試驗為主；在線監(jiān)測、帶電檢測、機(jī)器人、無人機(jī)等先進(jìn)手段及數(shù)據(jù)利用率不高。

針對這些現(xiàn)狀，積極探索智能運檢技術(shù)，提升人員素質(zhì)，提高技術(shù)水平，抓住“互聯(lián)網(wǎng)+”的時代機(jī)遇，是電網(wǎng)運檢專業(yè)發(fā)展的必由之路。將三維技術(shù)、虛擬現(xiàn)實及計算機(jī)信息集成技術(shù)應(yīng)用到電網(wǎng)運檢業(yè)務(wù)中，對電網(wǎng)設(shè)備，包括變電站、輸電走廊及地下電纜管網(wǎng)等進(jìn)行三維掃描建模；通過集成現(xiàn)有的生產(chǎn)管理系統(tǒng)、調(diào)度管理系統(tǒng)、運維監(jiān)控系統(tǒng)，并且引進(jìn)氣象數(shù)值，接入雷、冰、風(fēng)、火等專業(yè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)環(huán)境預(yù)警數(shù)據(jù)、立體巡檢數(shù)據(jù)、不停電檢測數(shù)據(jù)、設(shè)備評價大數(shù)據(jù)的深度融合分析；提高運檢效益，保障電網(wǎng)設(shè)備安全運行成為了運檢業(yè)務(wù)的主流發(fā)展方向。

2 三維電網(wǎng)模型技術(shù)

2.1 電網(wǎng)設(shè)備建模需求

電網(wǎng)系統(tǒng)主要由輸電設(shè)備、變電設(shè)備及配電設(shè)備組成，輸變配為一個不可分割的整體。針對電網(wǎng)系統(tǒng)的建模，首先覆蓋范圍要全面，不僅要覆蓋輸變配三大類電網(wǎng)設(shè)備，而且也要覆蓋到電網(wǎng)設(shè)備的通道環(huán)境。其次設(shè)備的建模需要有針對性，三大類設(shè)備及其通道有其共有的相同屬性，也分別有個性化的建模需求，在建模時需要分別進(jìn)行考慮。

基于三維技術(shù)的電網(wǎng)建模需要考慮如下共性的基本需求。首先要具備設(shè)備的可視化展示功能，包括變電站及站內(nèi)設(shè)備、輸電走廊、地下管線等電網(wǎng)設(shè)備；要具備設(shè)備的全景展示功能，對電網(wǎng)構(gòu)架、潮流進(jìn)行實時展示；要具備電網(wǎng)檢測預(yù)警信息展示功能，實時展示設(shè)備運行狀態(tài)的預(yù)警信息。其次要對通道進(jìn)行可視化展示，主要是輸電通道和電纜通道，能夠展示通道圖像/視頻、隧道井蓋監(jiān)控、隧道環(huán)境監(jiān)測、振動、防火監(jiān)測、通道形變、海纜通道、通道內(nèi)氧氣含量、有毒氣體含量、照明、水位等環(huán)境監(jiān)控等信息，同時具備信息的三維GIS同步展示功能。

2.2 變電站內(nèi)部建模

目前，現(xiàn)有的電力生產(chǎn)管理系統(tǒng)對變電站設(shè)備管理停留在基于GIS的平面圖形管理層面，只能通過平面圖形方式對電站及站內(nèi)設(shè)備進(jìn)行圖形繪制與展示，能夠顯示設(shè)備之間的邏輯路由關(guān)系，但是不能展示設(shè)備物理布局情況。對電站的實時監(jiān)控，則以攝像機(jī)監(jiān)視為主，一方面清晰度不高，不能對站內(nèi)所有設(shè)備細(xì)節(jié)進(jìn)行呈現(xiàn)，另一方面對視頻監(jiān)控系統(tǒng)的依賴度過高[1]。

隨著三維技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用三維技術(shù)對變電站及內(nèi)部設(shè)備進(jìn)行建模成為了可能。通過三維技術(shù)對電站及站內(nèi)設(shè)備進(jìn)行建模，將電站及站內(nèi)設(shè)備的邏輯拓?fù)潢P(guān)系信息、站內(nèi)設(shè)備的基本技術(shù)參數(shù)信息、站內(nèi)設(shè)備運行參數(shù)、地理空間信息、周邊自然環(huán)境信息、站內(nèi)設(shè)備基本參數(shù)進(jìn)行了集成。針對具體的電站及設(shè)備，能夠查看其設(shè)備臺帳信息、設(shè)備照片信息、設(shè)備缺陷記錄、巡視檢修記錄及設(shè)備的實時運行狀態(tài)。采用三維效果展示電站及站內(nèi)設(shè)備的外貌及設(shè)備布置情況。變電站之間及站內(nèi)設(shè)備間采用箭頭流動方式對電流的潮流及投運情況進(jìn)行展示。在客戶端采用緩存技術(shù)，提高三維圖形瀏覽的速度。對于運檢人員來說，通過一套系統(tǒng)即可全方位地實現(xiàn)設(shè)備的管理與管控，提高了設(shè)備操作管理與設(shè)備分析控制的效率。

2.3 輸電走廊

電力架空線路是目前普遍使用的輸電線路之一。輸電線路具有十分明顯的地理特征，如輸電線路的縱向、跨度、經(jīng)過地區(qū)的自然狀況（地形、地貌、地質(zhì)、氣候條件等）、線路跨越區(qū)情況等。總體來講，架空輸電線路的特點是呈帶狀分布[2]，沿線有樹木、建筑物等設(shè)備，這些樹木、建筑物對線路的安全運行來說是極大的隱患。目前線路的巡視、監(jiān)控等還停留在以人工作業(yè)為主，監(jiān)控系統(tǒng)為輔的階段，作業(yè)效率低下，作業(yè)成本很高。通過人工對線路進(jìn)行維護(hù)已經(jīng)是一件不易的事情，對建筑物、樹木數(shù)據(jù)采集測量與管理更是非常困難。因此對輸電線路及周邊樹木、建筑物進(jìn)行三維管控也是近年來一個熱點話題。

基于此，以GIS為基礎(chǔ)平臺，結(jié)合三維技術(shù)及可視化技術(shù)，對架空走廊進(jìn)行三維建模，將架空線路及其設(shè)備、沿途建筑物及樹木的基礎(chǔ)信息與空間信息相結(jié)合，實現(xiàn)了架空輸電走廊的三維信息管理與監(jiān)控。通過該三維模型，能夠瀏覽輸電線路的真實走向，能夠?qū)€路設(shè)備的運行情況、沿途樹木等進(jìn)行監(jiān)控。通過閾值設(shè)定，當(dāng)運行數(shù)據(jù)或者樹木生長情況異?；蛘邔€路運行有影響時，能夠提醒線路運行人員及時進(jìn)行線路巡視、檢修及隱患排查。對架空走廊的地理信息、空間信息及其他技術(shù)參數(shù)進(jìn)行集成管理與展示，實現(xiàn)輸電走廊的科學(xué)的信息化管理，為線路的安全運行提供了強有力的技術(shù)支撐。

2.4 地下管網(wǎng)

隨著城市現(xiàn)代化進(jìn)程的推進(jìn)，城市電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施逐步從地上轉(zhuǎn)入地下進(jìn)行建設(shè)，從以往以架空線路為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐缘叵码娎|線路為主。隨著電網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大，地下電纜線路的數(shù)量逐年增加，結(jié)構(gòu)也愈加復(fù)雜。且因其自身的特殊性，導(dǎo)致管理者對地下管線設(shè)備的進(jìn)行空間排列與分布問題時困難重重[3]。提高管線運維管理技術(shù)手段，提升地下管線信息化水平，實現(xiàn)對地下管線的可視化管理成了一個必然的需求和發(fā)展趨勢。

通過對地下電纜、電纜段、電纜接頭、電纜溝、管道、工井等地下設(shè)備進(jìn)行三維建模，借助先進(jìn)的傳感器技術(shù)，實現(xiàn)對地下管線網(wǎng)絡(luò)的實時監(jiān)控與管理。通過與GIS結(jié)合，與現(xiàn)有電纜資源管理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，實現(xiàn)地下管線系統(tǒng)空間信息與基礎(chǔ)信息的集成展示。通過批量導(dǎo)入三維測點數(shù)據(jù)的方式，結(jié)合必要的人工補充，能夠精確定位地下設(shè)備的地理位置。同時，通過對地下管道的建模及必要的信息維護(hù)，能夠直觀地展示該管道中的線路信息。電纜設(shè)備主人可以直觀監(jiān)控電纜的運行狀態(tài)，并且可以快速調(diào)取相關(guān)的信息，極大提高了地下管線的管理水平。

3 三維模型在電網(wǎng)管控中的應(yīng)用

基于三維電網(wǎng)設(shè)備模型的智能管控平臺的建立，一方面提高了電網(wǎng)設(shè)備的可視化管理水平，另一方面通過與其他現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)集成與數(shù)據(jù)共享，實現(xiàn)了各專業(yè)系統(tǒng)的互聯(lián)互通及數(shù)據(jù)融合應(yīng)用，促進(jìn)運檢工作信息化、智能化，提高運檢工作效率，提升駕馭現(xiàn)代化大電網(wǎng)的能力。該智能管控平臺，通過大數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、狀態(tài)評價、風(fēng)險預(yù)警、故障研判等運行狀態(tài)管控功能。

下面將介紹基于三維模型的智能管控平臺的四種典型應(yīng)用場景。

3.1 電網(wǎng)運行狀態(tài)及預(yù)警信息的直觀展示

基于三維技術(shù)的智能運檢管控平臺能夠以三維方式展示電網(wǎng)的設(shè)備及電網(wǎng)運行狀態(tài)，以動態(tài)箭頭方式直觀展示電網(wǎng)潮流方向。對于基層作業(yè)人員，可以通過系統(tǒng)實時監(jiān)控設(shè)備的運行狀態(tài)，保證設(shè)備的正常運行。

智能管控平臺能夠提供主要電網(wǎng)設(shè)備的預(yù)警信息。通過設(shè)置報警條件及報警閾值，當(dāng)設(shè)備狀態(tài)發(fā)生變化時，能夠通過語音及彈出列表的方式提示并通知設(shè)備業(yè)主。設(shè)備業(yè)主收到預(yù)警信息后，通過管控平臺調(diào)取相應(yīng)的詳細(xì)信息及報警原因，結(jié)合自身的實踐經(jīng)驗，采取相應(yīng)的處理。目前智能管控平臺提供的預(yù)警信息主要有以下幾類：輸電狀態(tài)監(jiān)測信息；電纜狀態(tài)監(jiān)測信息；變電狀態(tài)監(jiān)測信息；電網(wǎng)氣象實況監(jiān)測信息；電網(wǎng)覆冰、山火、舞動、大風(fēng)、雷電等監(jiān)測及預(yù)警信息。

對于電網(wǎng)管理人員，基于三維的智能管控平臺能夠提供全網(wǎng)信息統(tǒng)計，能夠?qū)﹄娋W(wǎng)設(shè)備臺帳、運行狀態(tài)（運行、冷備用、熱備用、檢修）、狀態(tài)評價（正常、注意、異常、嚴(yán)重）、設(shè)備故障、缺陷等信息進(jìn)行多維度統(tǒng)計；管控平臺可以展示電網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)架歷史變化情況。按時間軸在電子地圖、電氣主接線圖上展示不同歷史時期的電網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)架，為運檢管理人員制定檢修計劃及電網(wǎng)規(guī)劃提供了決策依據(jù)。

3.2 現(xiàn)場作業(yè)預(yù)判分析

電網(wǎng)的可靠運行事關(guān)所有用電的千家萬戶，但是隨著電網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大，電網(wǎng)設(shè)備的正常檢修及故障處理還是無法徹底避免。電網(wǎng)設(shè)備的現(xiàn)場作業(yè)，首先要考慮的就是人員的安全問題。為了保障現(xiàn)場作業(yè)人員的人身安全，除了按照標(biāo)準(zhǔn)的作業(yè)規(guī)范進(jìn)行作業(yè)外，如果能夠進(jìn)行可視化操作，那么安全系數(shù)就會大大提高?；谌S技術(shù)的智能管控系統(tǒng)正好滿足了此項需求。

三維立體設(shè)備建模，能夠完全模擬設(shè)備的結(jié)構(gòu)及運行狀態(tài)，能夠按照設(shè)備構(gòu)造分部件調(diào)試設(shè)備的運行情況。在現(xiàn)場作業(yè)前，作業(yè)人員可以通過系統(tǒng)瀏覽查看設(shè)備的構(gòu)造及檢修部位相關(guān)信息，制定合適的作業(yè)指導(dǎo)書。在現(xiàn)場作業(yè)過程中，通過設(shè)備三維圖示的輔助信息，能夠快速、高效地完成設(shè)備的檢修作業(yè)。設(shè)備檢修結(jié)果后，填寫檢修的詳細(xì)過程及檢修結(jié)果，為下一次的設(shè)備檢修提供參考信息。

3.3 故障定位分析及修復(fù)

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時，首先是對用戶的正常用電造成影響而引起用戶報修。電力維修人員收到故障報修后，迅速判斷故障地點并隔離故障區(qū)域，及時轉(zhuǎn)移負(fù)荷，恢復(fù)供電，是電網(wǎng)正常運行最重要的功能之一。它對保證用戶供電可靠性、提高供電質(zhì)量具有重要意義。

基于三維技術(shù)的智能管控平臺，建立了基于GIS的電網(wǎng)絡(luò)模型，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)分析功能，主要有：電源點追溯、供電/停電范圍分析、緩沖區(qū)分析以及刀閘模擬操作等。為以后進(jìn)行故障定位分析和搶修流程管理提供了良好的基礎(chǔ)。

當(dāng)電網(wǎng)故障發(fā)生時，通過網(wǎng)絡(luò)分析功能快速進(jìn)行故障點定位，并通過模擬操作確定影響范圍。通過分析備品備件儲備情況、搶修裝備配置、搶修人員與應(yīng)急車輛情況，結(jié)合應(yīng)急預(yù)案庫，針對故障類型、故障情況、故障點分布、交通狀況、天氣情況等提出搶修內(nèi)容、搶修方式、搶修資源需求、最優(yōu)搶修路徑等的建議。然后分配搶修班組進(jìn)行作業(yè)派發(fā)，完成搶修任務(wù)。在搶修過程中，可以對搶修車輛、搶修人員進(jìn)行實時定位。搶修完成后，及時更新?lián)屝迒蔚男畔⒉⑼秸故局翀D形頁面。

3.4 其他應(yīng)用

除此之外，基于三維技術(shù)的運檢管控平臺可以快速直觀地了解高壓輸電線路的走向情況。輸電線路距離長，通道的地理環(huán)境復(fù)雜，通過該系統(tǒng)打破了線路巡視人員的視野局限，能夠?qū)旊娋€路、電網(wǎng)建設(shè)區(qū)域進(jìn)行航行瀏覽，自定義巡視路線，把握輸電區(qū)域的總體情況，大幅度減少了運行人員戶外巡視的作業(yè)量。

管控系統(tǒng)實現(xiàn)二/三維地理信息、輸變電設(shè)備精細(xì)化三維模型、高清視頻監(jiān)控、無人機(jī)和機(jī)器人巡視畫面等的無縫融合，能夠真實展現(xiàn)現(xiàn)場場景，便于查看設(shè)備細(xì)節(jié)及周邊環(huán)境。

基于三維技術(shù)的智能運檢管控平臺集成了輸、變電力設(shè)備的監(jiān)控、自動化信息，將監(jiān)控、自動化等信息在平臺上集中展示將這些分散的信息有機(jī)地組織在一起。當(dāng)有自然災(zāi)害發(fā)生時，在應(yīng)急指揮過程中，指揮人員能夠了解、查看各方面的信息，方便了應(yīng)急指揮領(lǐng)導(dǎo)小組對信息的查閱和使用，便于決策。

4 結(jié)束語

目前基于三維技術(shù)的電網(wǎng)運檢智能化分析管控系統(tǒng)已成功上線，系統(tǒng)實現(xiàn)了二維、三維GIS的深度融合應(yīng)用，引進(jìn)氣象數(shù)值預(yù)報，融合接入雷、冰、風(fēng)、火等專業(yè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)實現(xiàn)分層預(yù)警；系統(tǒng)實現(xiàn)了運檢工作“看得見、摸得著、管得透”，有效降低了設(shè)備風(fēng)險，保障了人身安全，大幅提升了設(shè)備運行水平，保障了安全、可靠供電，具有深遠(yuǎn)的社會效益。

[1] 胡常勝，黃昊，黃曉婧，等． 基于WebGIS的三維全景變電站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用[J]．科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2016，11（3）：6-7．

[2] 殷萬玲，胡慶武．基于SMART的三維電網(wǎng)走廊高程平滑方法[J]． 南方電網(wǎng)技術(shù)， 2013，7（6）：118-121．

[3] 陳曉．基于三維 BC： 地下電力管線管理系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)研究[J]． 自動化與儀器儀表，2017（3）：69-73．