电网设备三维建模的方法研究及应用

王玉家 曲晓白 石鑫磊 邓昊

(国网山东省电力公司,山东济南 250001)

电网设备三维建模的方法研究及应用

王玉家 曲晓白 石鑫磊 邓昊

(国网山东省电力公司,山东济南 250001)

传统的二维展示方法已经无法适应我国快速增长且结构日益复杂的电网建设与需求。随着计算机,数据采集等技术的不断进步,三维建模技术在电网中的应用日益广泛。三维建模能够直观,可视化的展现电力设备,描述电力设备周围的环境信息。本文结合相关工程经验,力图从电网三维建模技术方法入手,提出一整套满足行业应用需求的建模约束条件和构建方法。同时也对三维建模在电网中的应用进行了深入的探讨,研究。通过此次研究,将有助于今后电网领域三维建模的应用,同时提供理论及实践依据,服务基于三维地理空间的电网信息化建设与管理。

电网三维建模信息化方法应用

1 引言

目前在电力系统中对于电网设备等信息的展示功能应用的主要是基于二维的系统,一般用点状或线状等抽象符号表达电力设备,无法直观地显示设备本身的结构和相互间的关联,不能为巡视、操作及检修人员提供一个真实的功能环境信息,其空间表现和分析能力都有很大的局限性。随着计算机技术及三维建模技术等的飞速发展,三维在电网领域的应用已经越来越广泛。三维展示具有真实、直观等优越性,又继承了传统二维系统的分析、处理和数据组织功能。相比较于二维,三维最大的优点是增加了z轴上的表现能力,使空间物体在程序中能够最大程度地真实显现,使操作更加方便,并且能够直观表现地物之间的空间垂向关系,因此在空间分析能力上也较原来的二维系统更胜一筹。所以,结合电网运行的实际特点,将电力网络进行三维展示,有着良好的前景和经济社会效益。

图1

2 三维建模方法研究

2.1 三维建模的注意事项

(1)正式作业前,应了解委托方对三维建模的基本要求,搜集、分析、利用现有资料,对现实性不强或与实际不符的资料及时提出。

(2)模型制作的质量应符合标注。通过对模型的数学基础、模型面、模型精度、层级结构、技术要求等质量特性来评定。模型应去除冗余的点、线、面和虚拟物体,物体模型内部接边处不存在缝隙,在系统平台中不存在闪烁的面等。

(3)文件检查、优化。整体文件制作完成交验收之前,虽然前期对制作做出了明确的要求,但仍需对项目文件进行检查和优化。如是否存在超大像素纹理,是否能以更小尺寸使用,是否出现实质为同一纹理的材质被多次以不同名称使用,是否有重名冲突,是否塌陷等。

2.2 三维建模的原则

在三维建模中应遵循以下原则:

(1)真实合理。三维建模实际上是对现实事物的展示,所以在建模过程中应该真实的反应事物的特征,维持事物固有的空间信息及自身特点,保证事物的物理关系。

(2)主次分明。在三维建模的过程中应该突出主体,保证主体在整个场景中的展示效果。同时可以适度降低辅助物体的精度,从而体现出整体环境的主次。

(3)建模简单明了,精细程度适宜。如果在三维建模中,建模过于复杂,模型和场景过于精细,数据量过于庞大,就可能无法重现现实中的环境。所以在三维系统中,应该在保证必须的模型质量的情况下做到数据量尽量小,以保证三维模型应用的效果。

(4)整体统一。如果同一区域地块内,出现两种及其以上的不同色相地物,其基本原则是以区域内大面积色调为主色调,个别不同色相地物与主色调相协调(采用降低突出颜色的饱和度、调整色相以偏向主色调方式)来达到整片区域的和谐统一。如果同一区域地块内,个别地物明度过度突出以致曝光,其基本原则是以区域内整体明度为中间明度,曝光地物通过降低明度的从而方式向中间明度靠拢。如果出现个别地物明度太低而以致过度偏黑,其基本原则是以区域内整体明度为中间明度,偏黑地物通过提高明度的方式从而向中间明度靠拢。

图2

图3

图4

图5

图6

图7

2.3 三维建模的方法

2.3.1 三维模型制作流程

首先根据资产管理系统的台账信息生成设备清单。制作人员依照设备清单进行数据的采集、处理。三维制作人员根据处理后的数据进行相应模型,贴图,灯光等的制作。待渲染效果确认后即可进行烘焙操作。再针对不同平台的要求,进行模型贴图通道的调整工作。依据设备清单进行模型数据的整理。其整体流程如图1所示。

2.3.2 三维模型制作方法

目前的建模方法主要包括。

(1)立体采集技术。该技术采用先进高效的数字立体采集系统(如数字摄影测量系统)。数字摄影测量系统是第3 代全新的高度自动化的摄影测量系统,它利用航摄资料来获取基础空间信息(如建筑物三维坐标和外部信息等)。

(2)模型库建模技术。该技术的原理是将基础特征模型作为标准模型样本,当建立真实模型时通过用户化的参数调整进而设置模型的特征参数,得到所需要的真实模型。该建模方法操作简单直观,特别适用于电力系统设备的三维建模。

(3)根据二维设计成果的逆向三维建模。基于二维设计成果的三维建模方法是目前电网三维信息化较为常见的技术手段。其特征是在二维CAD等平台中设计完成后,利用三维建模软件构建三维电网设备及其场景。该方法可以使后续的运营维护者直观认识设计思想和电网设计成果的三维显示效果。

(4)协同设计。通过对三维设计成果的数据组织和管理方案设计,将模型拆分成独立的物理设备和部件存储在数据库相对应的设备对象表中,各设备之间上下级连接关系存储在对应的组装关系表中。通过读取组装关系表就可以将物理设备,部件组装成一个完整的设备。

(5)单元分解技术。即通过一系列几何单元的组合来展示空间实体,几何单元可以有不同的形状和大小,几何单元之间不允许有交叉。单元分解技术的优点是能够提供任意空间实体的近似精确表达;缺点是其几何算法依赖于采用的几何单元的类型,其算法通常比较复杂,并且缺少几何元素间的拓扑信息。

(6)扫描表示技术。扫描表示技术是指将一个面沿某一轴线进行旋转或沿某一路径进行移动或是两种途径的结合生成一个三维的物体。一般地,可以采用任何途径描述扫描构造。扫描表示技术适合于固定的自由形式的面域,但仅仅只有一般扫描法才有足够的范围来描述任意几何形体。

(7)混合表示技术。电力设备的三维建模是一个复杂的工作,由于设备及其电压等级等等的差别,三维模型的设计要求也会有差异,因此选择一种建模方式来表示任何的电力设备是不足取的,很难对电力设备有全面的表示。所以在现实工作中,设计一种适合于所有电力设备的建模方法是不可能的。为了解决上述问题,一个常用的方式是将不同形式的模型集中在同一个系统中,通过数据转换从而实现两者的结合,在不同的分析处理过程中,运用合适的数据模型,或者根据不同的现象确定描述的模型。

(8)其他技术方法。除了上述方法之外,三维建模还有边界表示技术,四面体格网等表示方式。通过在电网系统中运用不同的方法来表示不同的电力设备,就能够将实际的电网环境近似精确的表示出来。

3 电网中三维建模的业务应用

3.1 三维仿真展示

采用适当的建模工具,能准确再现现实世界场景和对象的真实材质,合理表现自然光照特征。还原现实情境,逼真表现电网设备对象的现实情况,从而辅助实现高效,直观的三维可视化表达。同时,对于电网设施的应急资源,对于故障地点的环境信息等都有直观的展示。如图2所示。

3.2 现实场景再现

用虚拟现实技术实现电力线路的跨越场景模拟。场景由远及近分为:电力线路跨越全景页面、单塔页面、单设备页面。可以实现从底部到塔头、监测设备、部分导线/绝缘子/金具的整体自动漫游。在三维场景中通过鼠标或键盘操作巡视线路,进行视角旋转,上下左右行走,缩放等。如图3所示。

3.3 应急调配

通过三维电子沙盘,可以讲故障点附近的路况信息,实时地理位置,设备台账信息等直观,立体的展现出来。同时可以进行设备,应急点等的定位,对于分析更为有效的调配策略,更为合理的路径选择起到至关重要的作用。同时由于天气,环境等因素的影响,预设定的线路可能会面临着修改,这时系统将提供路径绘制功能,从而有效的进行应急抢修的整体调配。如图4所示。

3.4 模拟演练

模拟真实电网情境的应急演练等功能是三维建模在电网领域很重要的功能。通过在三维可视化平台中制造特定的情境,提供从单向演练到多项综合演练等复杂程度各不相同的多种形式的演练。将有助于提高电力抢修人员应对突发时间的能力。如图5所示。

3.5 规划设计

通过在电力系统中运用三维技术真实再现电网设备所处的环境信息等场景,进行直观的观察和分析,从而进行输电走廊,变电站选址等电网规划设计。如图6所示。

3.6 电网设备精细化管理

随着电网管理准确性的不断提高,在三维空间中对电网设备进行精细化管理逐渐成为研究和应用的重点。电网三维建模紧密结合电网规划、设计的各种数学计算与设备成分,充分体现了各设备对象的空间位置、尺寸和拓扑关系等内容,可与各设备的在线监测等管理应用无缝连接,从而辅助电网运行与维护,提高电网管理的技术水平。如图7所示。

除此之外,三维建模在电网领域的应用还有很多,如事故定位功能,应急推演功能,巡检展示功能等等。基于电网的三维模型可视化应用,已经发挥越来越重要的作用。

4 结语

根据国家电网建设智能电网的需求,由于计算机技术及三维建模技术的飞速发展,同时由于电网的发展与人民的需求的迫切,三维建模技术在电网领域的应用越来越广泛。由此建设一套三维建模的方法,进行三维可视化系统的开发。对于电网的建设有着重要的意义。通过本文的研究,对三维建模的一些原则及方法做出了系统的规范。同时对于三维建模技术在电网领域的相关应用也进行了研究,对于三维建模的作用有了更为深入的了解。所以,加快电网信息化的步伐,将三维建模技术融入到智能电网的建设中来,将会产生巨大的经济效益和社会效益。

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The traditional method of two-dimensional display has been unable to adapt to the power grid construction and the demand of China's rapidly growing and increasingly complex structures.Along with the progress of computer technology and data acquisition technology,the application of 3D modeling technology in power grid becomes more and more.The 3D modeling can show the power equipmentintuitively and visually,describeenvironment information of the electric power equipment.According to the relevant engineering experience, this paper tried to approach the 3D modeling technology of grid, provided a set of modeling constraints and construction method to meet the needs of industry application.But also on the 3D modeling applications in grid-depth study and research.Through this research will help in the future in the field of power grid 3D modeling applications, while providing theoretical and practical basis, serving for grid information construction and management based on the 3D geospatial technology.

power grid 3D modeling information method application

王玉家(1985年-),男,山东日照人,助理工程师,从事电力信息化工作;曲晓白(1984年-),男,山东济南人,工程师,从事信息管理和研究工作;石鑫磊(1989年-),女,山东临沂人,助理工程师。