基于三維數(shù)字化的輸配用電線路的仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

四川中電啟明星信息技術(shù)有限公司 辜 超 尚忠玉 吳 溢 程皓杰 張殿金

隨著國(guó)網(wǎng)公司提出建設(shè)具有中國(guó)特色國(guó)際領(lǐng)先的能源互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的最新戰(zhàn)略目標(biāo)，國(guó)網(wǎng)公司加快了電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)與電力數(shù)據(jù)價(jià)值挖掘的步伐，加速向數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)型企業(yè)轉(zhuǎn)型，故有必要加快推進(jìn)輸電線路物聯(lián)網(wǎng)體系與數(shù)字化體系的建設(shè)，有力支撐公司數(shù)字化轉(zhuǎn)型。當(dāng)前階段，輸電線路的各項(xiàng)監(jiān)測(cè)功能與數(shù)據(jù)分布在不同的業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)中，由各個(gè)系統(tǒng)單獨(dú)為運(yùn)檢人員提供數(shù)據(jù)支撐，未能有效的整合各類(lèi)數(shù)據(jù)，無(wú)法利用數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合的分析診斷，不能發(fā)揮各類(lèi)數(shù)據(jù)應(yīng)有的價(jià)值。同時(shí)，輸電線路主要依賴人工巡視，監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(jìn)的信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)輸電線路運(yùn)行狀態(tài)的全面感知與智能分析，進(jìn)一步提高輸電線路運(yùn)檢的時(shí)效性與智能化程度，從而提高輸電線路運(yùn)檢的工作效率。

1 系統(tǒng)需求及建設(shè)內(nèi)容

大運(yùn)會(huì)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(shè)，線路長(zhǎng)度近25km，合計(jì)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(dǎo)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(zhǔn)風(fēng)速為23.5m/s、設(shè)計(jì)覆冰為5mm；全線劃分為d級(jí)污穢區(qū)。

220kV桃柏一二線1#-17#塔位于荒廢農(nóng)田，雜草荊棘叢生，逐級(jí)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(wú)政府監(jiān)管情況，隨意堆土易導(dǎo)致導(dǎo)線對(duì)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(shù)木的風(fēng)險(xiǎn)；110kV柏高線與高光線（同塔雙回）途經(jīng)龍泉經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)，其中11～12#桿塔位于魚(yú)塘旁，雖有禁止釣魚(yú)公告，但由于無(wú)監(jiān)管措施，存在釣魚(yú)愛(ài)好者釣魚(yú)的情況。

基于這些需求，迫切需要一種能與現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行直接交互的智能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)輸電線路全景感知、魚(yú)塘電子圍欄與聲光告警、外力破壞人工智能識(shí)別、樹(shù)木距離監(jiān)測(cè)告警、塔基鳥(niǎo)巢監(jiān)測(cè)告警、導(dǎo)線溫度監(jiān)測(cè)等應(yīng)用場(chǎng)景，提高線路故障診斷和定位準(zhǔn)確度，降低人工巡視難度及成本，保障線路穩(wěn)定運(yùn)行。

開(kāi)展輸電線路全鏈路的數(shù)字孿生應(yīng)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(yáng)光變電站全鏈路的部分輸電線路開(kāi)展數(shù)字孿生試點(diǎn)應(yīng)用建設(shè)，實(shí)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(gè)整體進(jìn)行展示，展示內(nèi)容包括變電站名稱、變電站變壓信息等基本內(nèi)容[1]。

模型建設(shè)。三維模型建設(shè)是三維可視化的具體反映，通過(guò)點(diǎn)云的特征提取和分解，按照桿塔、導(dǎo)線、金具、絕緣子串、塔基、附屬設(shè)施、監(jiān)測(cè)裝置等類(lèi)型導(dǎo)入3DMax進(jìn)行建模，實(shí)現(xiàn)三維標(biāo)準(zhǔn)化模型庫(kù)的建立，真實(shí)反映設(shè)備設(shè)施細(xì)節(jié)和特征，直觀的了解設(shè)備設(shè)施的位置、尺寸及與周?chē)O(shè)備設(shè)施的相對(duì)空間位置關(guān)系等信息，其中模型精度為厘米級(jí)。

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(cè)裝置，同時(shí)基于傳感、視頻等實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置數(shù)據(jù)，完成輸電線路的實(shí)時(shí)虛擬仿真與全景交互，并結(jié)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(shí)現(xiàn)對(duì)線路當(dāng)前狀態(tài)的評(píng)估、對(duì)過(guò)去發(fā)生問(wèn)題的診斷，展示分析結(jié)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(cè)量感知、數(shù)字建模、模型展示、模型同步、運(yùn)行管理等。在進(jìn)行輸電線路三維建模時(shí)，基于地圖對(duì)選擇的輸電線路進(jìn)行直觀、精確的三維建模，包括展示輸電線路上電力設(shè)備關(guān)系、分布位置、監(jiān)測(cè)裝置位置等。首先對(duì)輸電線路上各類(lèi)主要電力設(shè)備進(jìn)行等比例三維建模；其次對(duì)輸電線路上電力設(shè)備關(guān)系、三維地理位置沿布及拓?fù)溥M(jìn)行三維可視化展示。

2 系統(tǒng)主要功能及實(shí)現(xiàn)流程

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

三維孿生場(chǎng)景：實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站->桿塔->環(huán)網(wǎng)柜->配電室整個(gè)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(cè)裝置，同時(shí)基于傳感、視頻等實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置數(shù)據(jù)，完成輸電線路的實(shí)時(shí)虛擬仿真與全景交互。對(duì)設(shè)備的運(yùn)行情況、告警信息及個(gè)性化信息通過(guò)桌面可視化形式展示；運(yùn)維監(jiān)測(cè)：根據(jù)位置臺(tái)賬和分類(lèi)臺(tái)賬選擇要監(jiān)控的設(shè)備，根據(jù)三維中的設(shè)備提示打開(kāi)數(shù)據(jù)標(biāo)牌，可在標(biāo)牌上查看遙測(cè)、遙信、設(shè)備參數(shù)等信息。對(duì)于設(shè)備上有儀表盤(pán)的設(shè)備，可直接在三維儀表看上查看實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?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(diǎn)與攝像頭關(guān)聯(lián)并進(jìn)行告警診斷、外破監(jiān)測(cè)、導(dǎo)線溫度監(jiān)測(cè)、樹(shù)障監(jiān)測(cè)、告警統(tǒng)計(jì)、以及規(guī)則配置等；智能巡檢：通過(guò)制定巡檢計(jì)劃，可在線上查看監(jiān)控視頻，實(shí)現(xiàn)線上巡檢，降低線下運(yùn)維成本；模型參數(shù)配置：實(shí)現(xiàn)變電站、低壓線路、開(kāi)關(guān)站、環(huán)網(wǎng)柜、配電室、總表、開(kāi)關(guān)柜、變壓器進(jìn)出、抽屜柜、電力相關(guān)業(yè)務(wù)模型的建設(shè)和維護(hù)，通過(guò)配置模型參數(shù)、模型點(diǎn)擊事件優(yōu)化模型，為輸電線路數(shù)字化3D場(chǎng)景做支撐；綜合管理：基于圖模管理對(duì)系統(tǒng)設(shè)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(jìn)行維護(hù)。輸配用電全鏈路數(shù)字孿生系統(tǒng)，通過(guò)智能融合終端完成輸電線路全鏈路的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與視頻監(jiān)控。

實(shí)現(xiàn)流程：運(yùn)維人員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后通過(guò)安裝智能融合終端并調(diào)試，檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)是否順暢并進(jìn)行認(rèn)證組件認(rèn)證，認(rèn)證組件在收到智能融合終端上報(bào)的認(rèn)證參數(shù)及請(qǐng)求后，通過(guò)匹配自身數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)驗(yàn)證是否通過(guò)驗(yàn)證，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸校驗(yàn)，最后運(yùn)維人員收集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備相關(guān)參數(shù)和信息用于三維建模，然后通過(guò)參數(shù)信息實(shí)現(xiàn)三維仿真。

3 技術(shù)架構(gòu)

基于三維仿真技術(shù)構(gòu)建輸配用電全鏈路數(shù)字孿生應(yīng)用，總體技術(shù)架構(gòu)采用微服務(wù)架構(gòu)后端使用java技術(shù)，三維建模使用thingjs-x，操作界面采用html5和bootstrap前端框架，從而簡(jiǎn)化了現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維難度，更便于現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維。

3.1 軟件實(shí)現(xiàn)方面

軟件實(shí)現(xiàn)的具體步驟如下：安裝智能融合終端，進(jìn)行調(diào)試及維護(hù)；組件認(rèn)證，認(rèn)證終端設(shè)備；MQTT注冊(cè)，建立一個(gè)MQTT的客戶端獲取MQTT Broker的信息；采集數(shù)據(jù)，基礎(chǔ)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集獲取；通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳到數(shù)據(jù)測(cè)量模型；數(shù)據(jù)庫(kù)初始化，主要負(fù)責(zé)設(shè)置數(shù)據(jù)庫(kù)的相關(guān)配置；配置初始化，負(fù)責(zé)對(duì)配置文件解析；三維模型庫(kù)初始化，對(duì)三維模型的相關(guān)配置文件解析；設(shè)備基礎(chǔ)信息參數(shù)收集，獲取設(shè)備序列號(hào)、出廠編號(hào)等基本信息；三維模型建模，根據(jù)設(shè)備基礎(chǔ)信息或CAD圖紙進(jìn)行模型建模；智能算法分析，根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)結(jié)合規(guī)則算法進(jìn)行智能分析；實(shí)時(shí)預(yù)警與告警，根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行預(yù)警和告警統(tǒng)計(jì)；三維仿真場(chǎng)景展示，整個(gè)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(cè)裝置，同時(shí)基于傳感、視頻等實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置數(shù)據(jù)。

圖1 軟件實(shí)現(xiàn)流程

3.2 安全方面

在應(yīng)用層部署一個(gè)安全認(rèn)證組件，初始內(nèi)置運(yùn)維的登錄用戶名、密碼、組織機(jī)構(gòu)、智能融合終端ESN。當(dāng)?shù)卿浿悄苋诤辖K端時(shí)，終端將操作員的用戶和密碼、組織機(jī)構(gòu)、終端ESN發(fā)到認(rèn)證組件，只有當(dāng)這四個(gè)參數(shù)全部匹配通過(guò)后認(rèn)證組件返回通過(guò)字符串，終端在收到通過(guò)字符串后才允許運(yùn)維人員操作。

綜上，通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)能極大提升線路運(yùn)維的信息化含量，緩解運(yùn)行壓力，提高對(duì)輸電線路運(yùn)行情況的收集和掌握，提高對(duì)應(yīng)急搶修等突發(fā)情況的相應(yīng)速度，實(shí)現(xiàn)運(yùn)檢效率高效化，利用邊緣計(jì)算實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)的初步診斷及告警，融合數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)輸電線路狀態(tài)主動(dòng)評(píng)估、智能預(yù)警及精準(zhǔn)運(yùn)維，提升線路運(yùn)維保障能力，提高線路運(yùn)檢效率效益。挖掘數(shù)據(jù)價(jià)值，提供數(shù)據(jù)支撐。加快能源互聯(lián)網(wǎng)價(jià)值創(chuàng)造體系-電力市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)應(yīng)用的建設(shè)，通過(guò)靈活的數(shù)據(jù)交互和探索分析能力，滿足應(yīng)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(jià)值，為管理者制定決策提供數(shù)據(jù)支撐。