特高壓輸電線路通道三維可視化系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

王勝利 周璋鵬 焦小強(qiáng) 白宏明 馬長山

(國網(wǎng)甘肅省電力公司檢修公司, 甘肅 蘭州 730070)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)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(yuǎn)離城鎮(zhèn)和交通干線,穿過荒山野嶺,地理環(huán)境復(fù)雜。目前常規(guī)的巡檢方式,工作條件艱苦、勞動(dòng)強(qiáng)度大,巡檢效率低,并且部分巡檢項(xiàng)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(xiàn)代化智能電網(wǎng)的發(fā)展和安全運(yùn)行需求,特高壓電網(wǎng)急需安全、先進(jìn)、科學(xué)、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(jī)、無人機(jī)、機(jī)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(zhǔn)確預(yù)測、不受地域影響等優(yōu)點(diǎn),針對(duì)輸電線路瓶口以上的導(dǎo)地線、金具及設(shè)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(yùn)維水平、提高工作效率、減小勞動(dòng)強(qiáng)度[4]。

在國外,20世紀(jì)90年代后,MITSUI[5]等將可視化技術(shù)應(yīng)用在大尺度下電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,這使得輸電網(wǎng)與三維可視化技術(shù)結(jié)合成為了可能。之后,WEBER[6]等實(shí)現(xiàn)了更加直觀以及全面的實(shí)現(xiàn)輸電網(wǎng)三維可視化,利用相應(yīng)三維可視化技術(shù)的電力分析系統(tǒng)也相應(yīng)推出。近幾年,隨著我國對(duì)輸電線路的設(shè)計(jì)智能化的需求逐步提高,利用三維可視化應(yīng)用在輸電線路管理研究中取得了一定的進(jìn)展。2008年,來自清華大學(xué)的陳佳[7]等針對(duì)電力系統(tǒng)控制中心的節(jié)點(diǎn)型和線路型數(shù)據(jù),設(shè)計(jì)并開發(fā)三維可視化模塊,其具有展示形式多樣、實(shí)時(shí)性好、跨平臺(tái)實(shí)現(xiàn)、易于與不同應(yīng)用系統(tǒng)集成等特點(diǎn);來自國網(wǎng)江蘇省電力有限公司的孫海渤[8]等針對(duì)變電站運(yùn)檢人員和設(shè)備進(jìn)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(guān)技術(shù)受到了相應(yīng)的影響。針對(duì)于此,本文利用智能終端平臺(tái)搭載的激光雷達(dá)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(dá)點(diǎn)云和光學(xué)影像數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)輸電線路本體及周圍環(huán)境的真三維數(shù)字模型構(gòu)建;實(shí)現(xiàn)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(jìn)行輸電線路安全性能模擬、評(píng)價(jià)和智能報(bào)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(xué)管理、安全評(píng)價(jià)和智能預(yù)警提供數(shù)據(jù)、模型和軟件支持。

2 特高壓三維可視化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體框架結(jié)構(gòu)

基于航巡數(shù)據(jù)的特高壓輸電線路通道三維可視化系統(tǒng)總體架構(gòu)(圖1)包括物理架構(gòu)、技術(shù)架構(gòu)、數(shù)據(jù)架構(gòu)和業(yè)務(wù)架構(gòu)。

圖1 特高壓三維可視化系統(tǒng)總體框架

2.2 數(shù)據(jù)框架結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)框架結(jié)構(gòu)見圖2，系統(tǒng)數(shù)據(jù)包括平臺(tái)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、航巡激光數(shù)據(jù)和常規(guī)航巡業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)三大類別,按類別可分為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)[9],非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)部署在文件服務(wù)器,采用Tomcat、互聯(lián)網(wǎng)信息服務(wù)(Internet Information Services, IIS)、NodeJS等發(fā)布服務(wù)供網(wǎng)絡(luò)端調(diào)用,結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)通過提供的數(shù)據(jù)服務(wù)接口采用批量抽取和實(shí)時(shí)抽取兩種方式,供前端展示和分析使用。針對(duì)每種類別的數(shù)據(jù)采取不同的數(shù)據(jù)處理方式。

圖2 特高壓三維可視化系統(tǒng)數(shù)據(jù)框架

2.3 技術(shù)框架結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)由統(tǒng)一數(shù)據(jù)接入、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、計(jì)算分析框架、服務(wù)接口、應(yīng)用展示等部分組成[10],技術(shù)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 特高壓三維可視化系統(tǒng)技術(shù)框架

3 特高壓三維可視化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

基于航巡數(shù)據(jù)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(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)后[11-12],同時(shí)收集線路檔案數(shù)據(jù)、掃描時(shí)的環(huán)境參數(shù),通過數(shù)據(jù)質(zhì)量分析、數(shù)據(jù)后處理與分析等工作,最終實(shí)現(xiàn)輸電線路本體和走廊環(huán)境的真三維數(shù)字化重建、空間三維量測,以及輸電線路安全評(píng)價(jià)和智能報(bào)警,為輸電線路數(shù)字化和高效地自動(dòng)化管理提供數(shù)據(jù)和模型支持,實(shí)現(xiàn)線路交跨點(diǎn)自動(dòng)提取、瞬時(shí)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(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

3.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

基于航巡數(shù)據(jù)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(duì)造成線路安全問題的隱患和異常進(jìn)行分析。另外,由于受風(fēng)向、氣溫、濕度、導(dǎo)線負(fù)荷量的影響,導(dǎo)線弧垂度會(huì)發(fā)生變化,導(dǎo)線弧垂模型不容易建立,利用機(jī)載激光雷達(dá)測量技術(shù)獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模后,可直接量測弧垂到樹木或障礙物的距離,進(jìn)而確定如何進(jìn)行砍伐和清除障礙;其次,如果能自動(dòng)化提取電力線點(diǎn)云并進(jìn)行矢量化,將使危險(xiǎn)點(diǎn)自動(dòng)檢測成為可能,極大地提高巡檢的效率;再次,可以基于機(jī)載激光雷達(dá)數(shù)據(jù)和線路勘測設(shè)計(jì)成果制作輸電線路三維可視化管理系統(tǒng),錄入相關(guān)的屬性信息,實(shí)現(xiàn)輸電線路三維可視化管理,并可以不斷地更新數(shù)據(jù),從而為電力線路規(guī)劃設(shè)計(jì),運(yùn)行維護(hù)提供高精度測量數(shù)據(jù)成果。

智慧通道管理功能實(shí)現(xiàn)對(duì)特高壓輸電線路通道管理相關(guān)重點(diǎn)業(yè)務(wù)信息集中展示,地圖同步展示桿塔分布情況,集合桿塔臺(tái)賬、缺陷、照片等詳細(xì)臺(tái)賬信息,全方位、多角度展示通道數(shù)據(jù)。

智能監(jiān)測預(yù)警借助數(shù)據(jù)分析技術(shù)、結(jié)合預(yù)警規(guī)則知識(shí)庫,開展多主題綜合分析,進(jìn)行深度價(jià)值挖掘、特征分析,實(shí)現(xiàn)預(yù)測預(yù)警。

缺陷本質(zhì)是對(duì)缺陷中包含的信息想進(jìn)行收集、匯總、分類之后使用統(tǒng)計(jì)方法,或是分析模型得出分析結(jié)果、缺陷分析得出的結(jié)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(jì)、總體缺陷類型統(tǒng)計(jì)、多條線路歷史缺陷熱力圖演變、時(shí)空分析、缺陷等級(jí)分析、缺陷類別分析、線路缺陷演變等功能。

4 結(jié)束語

利用智能終端平臺(tái)搭載的激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)獲取特高壓輸電線路上的激光雷達(dá)點(diǎn)云和光學(xué)影像數(shù)據(jù),在激光掃描技術(shù)、三維可視化術(shù)及大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)融合的基礎(chǔ)上,在三維全景平臺(tái)上融合航檢數(shù)據(jù),建立輸電線路通道管控系統(tǒng),為超高壓輸電線路的科學(xué)管理、安全評(píng)價(jià)和智能預(yù)警提供數(shù)據(jù)、模型和軟件支持,全面提升輸電通道的管理水平。在實(shí)際的應(yīng)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(bào)警系統(tǒng)的準(zhǔn)確性是下一步工作的重點(diǎn)。