基于SketchUp的输电杆塔三维建模研究

尹 晖，孙梦婷，干喆渊，张晓鸣，黄 珊

(1．武汉大学测绘学院，湖北 武汉430079;2．中国电力科学研究院，湖北 武汉430074)

一、引 言

随着我国特高压电网的建设和电力体制改革的不断深化，智能电网已成为目前我国电网建设和发展的目标［1］。根据国家电网公司“十二五”规划，今后我国将建设联接大型能源基地与主要负荷中心的“三纵三横”特高压骨干网架和13项直流输电工程(其中特高压直流10项)，形成大规模“西电东送”、“北电南送”的能源配置格局。到2015年，基本建成以特高压电网为骨干网架、各级电网协调发展，且具有信息化、自动化、互动化特征的坚强智能电网。

三维数字化电网技术是智能电网建设与发展的重要组成部分。将先进的测量技术、电网通信技术、智能调度技术、高级电力电子技术和分布式能源接入技术等相结合，并与电网基础设施高度集成，以三维数字化形式，如数字化变电站、三维输电线路设计与电网规划等，通过数字化信息网络系统实现电网安全可靠、节能降损、优质高效的运行。其中输电杆塔是输电基础设施中重要的支撑结构物，其结构性能直接影响线路的安全性、经济性和可靠性［2］。因此，输电杆塔的三维建模是三维数字化输电工程与智能电网不可或缺的一部分。本文以我国首个特高压交流试验示范工程输电线路三维可视化研究为目标，根据输电杆塔等实际数据和图片资料，研究了基于Google SketchUp软件平台进行输电杆塔、绝缘子及金具三维建模的具体实现过程，分析了SketchUp用于输电杆塔、绝缘子及金具等设施三维建模过程中存在的问题与不足。

二、三维建模技术

数字化的三维建模是借助计算机将现实世界用数字形式表现的方法。目前构建三维模型的方法主要有以下几种:①直接利用传统GIS中的二维线划数据及其相应高度属性进行三维建模;②利用三维软件建模;③利用Multigen Creator虚拟现实应用软件建模;④利用数字摄影测量技术建模［3］。其中，三维软件建模主要是利用一些基本的几何元素，如立方体、球体等，通过一系列几何操作，如平移、旋转、拉伸及布尔运算等来构建复杂的几何场景。

1．建模对象

根据建模对象的几何特征，可以将建模对象抽象为地形模型、建筑物和其他附属设施的三维建模。建筑物及其他附属设施模型必须依托于三维地形模型才能形成虚拟建筑群的完整表示，有机结合起来才能更好地表现三维可视化的真实情况。

电力系统(输电塔、变电站等)在数字化城市建设中归类为附属设施，但在三维数字化电网技术中却是主要建筑物。电力系统的三维建模主要涉及的建模对象有各种输电塔、门型塔、输电线、变电站等。输电杆塔的几何形状和表面材质、纹理特征具有代表性，属不规则模型，需要参照实际形状以多个规则模型剖分组合而成。

2．建模流程

三维建模的首要任务就是要收集建模的数据。数据来源比较丰富，可以是建筑设计图纸及文档资料、城市数字地图和二维GIS数据库、摄影测量数据、遥感数据，也可以是混合测量系统采集到的数据。就当前的应用需求来说，场景三维建模需要的数据主要有二维图形、地形数据、地表图像、三维观测数据和模型表面纹理等。其建模的一般流程如图1所示［4］。

图1 三维建模一般流程

3．建模软件

近年来，信息技术的快速发展给三维建模提供了技术基础，促成了一系列较为成熟的三维重建系统。目前应用较多的建模软件有欧克特(Autodesk)公司的3ds Max、AutoCAD，Multigen公司的Creator，Google公司的SketchUp，以及利用OpenGL进行编程实现等。这几种软件的优缺点见表1［5］。

综合比较各软件的优缺点，Google公司于2006年推出的Google SketchUp软件能面向设计过程，界面简洁，易学易用，命令少，完全避免了其他设计软件的复杂性;在软件内可以为表面赋予材料、贴图，并且有二维和三维配景形成类似于钢笔淡彩的图面效果，使得设计过程的交流完全可行;软件内具有很多辅助设施的模型，极大地简化了建模的工作量。因此，本文三维建模工作最终选择运用Google Sketch-Up软件进行［6］。

三、输电杆塔三维建模

1．已有资料

输电杆塔三维建模的主要参考资料包括部分输电杆塔结构设计图(含纸质及PDF版)、绝缘子金具串览图(*．dwg)、特高压工程现场实拍图片和量测尺寸，以及网上搜集的相关资料。

表1 三维可视化建模软件的比较

2．杆塔建模流程

铁塔是世界各国超/特高压输电线路中常用的杆塔形式，大多数采用热轧等角钢制造，也有少数国家采用冷弯型钢或铡管混凝土结构［2］。输电杆塔按受力不同可分为直线塔和耐张塔;按用途不同可分为换位杆塔、跨越杆塔、转角杆塔和终端杆塔;按线路回路数可分为单回线路杆塔、双回线路杆塔和多回线路杆塔。

本文针对特高压示范工程部分输电杆塔进行三维建模，主要塔型包括JTS2系列转角塔、ZMP2系列和ZBS2系列直线塔。下面将以一个ZMP2系列的杆塔为例来阐述输电杆塔建模的具体过程。图2为ZMP2输电杆塔的正面设计图。

输电杆塔的三维建模过程可分为如下4步:

1)以杆塔底面中点为局部坐标系的原点，根据图纸上提供的杆塔尺寸画出杆塔的外部轮廓单线图，如图3(a)所示。

2)根据图纸及现场考察所拍照片上显示的杆塔的细部结构，完成杆塔的单线图，如图3(b)所示。

图2 ZMP2输电杆塔正面设计图

3)根据现场考察测量的杆塔主材与辅材的尺寸，对杆塔进行放样，得到加粗之后的杆塔模型。

4)按照现场实拍图片上显示的杆塔的颜色，利用SketchUp软件中的颜料桶对杆塔进行上色，完成纹理建模，如图3(c)所示。

图3 输电塔杆的三维建模

至此，ZMP2系列中一个呼高的输电杆塔三维建模就完成了，在对其他呼高的同系列杆塔进行三维建模时可在此基础上进行修改，大大减少了工作量。

3．绝缘子及金具建模

绝缘子是一种特殊的绝缘控件，能够在架空输电线路中起到重要作用，可以支持和固定母线与带电导体，并使带电导体间或导体与大地之间有足够的距离和绝缘。随着电压等级的不断提高，绝缘子作为架空输电线路的关键部件之一，同时作为输变电设备中的主要绝缘件，电力系统对绝缘子的机械性能、电气性能、防污闪水平等要求越来越高。绝缘子可依据不同方式进行分类，通常是按照材质分为盘式瓷绝缘子、钢化玻璃绝缘子和复合绝缘子3类。其中复合绝缘子具有污闪电压高、强度高、体积小、重量轻、无零值、运行维护简单等优点，因此在特高压交直流输电工程的外绝缘选择中，主要选用复合绝缘子［7］。绝缘子的组串方式通常有I型绝缘子串、V型绝缘子串、倒V型绝缘子串和Y型绝缘子串。特高压线路使用了双联I、三联I、四联I、双联V型悬垂串。双联、三联水平布置耐张等与超高压不同的绝缘子串的布置方式使得绝缘子的污耐特性与超高压的不同［8］。此次所建杆塔模型中使用到的有单联I型绝缘子、双联I型绝缘子和V型绝缘子，如图4所示。

图4

电力金具是用于电力系统中的各种设备或装置，通过时实现连接及组合，起到传递机械荷载、传输电能及某种防护作用的金属附件。电力金具按作用和结构可分为悬垂线夹、耐张线夹、连接金具、接续金具、保护金具、设备线夹、T型线夹、母线金具、拉线金具等级别;按金具的主要性能和用途，大致可分为悬吊金具(又称支持金具或悬垂线夹)、锚固金具、连接金具、接续金具、防护金具、接触金具和固定金具，其中防护金具主要以单联均压环和双联均压环为主［9］。1000 kV特高压线路中常见的金具主要包括八分裂联板、均压环、悬垂夹及跳线金具，在SketchUp软件下所建三维模型如图5所示。

图5 1000 kV特高压线中常见金具三维建模图

四、建模成果展示

本文所涉及的输电杆塔主要包括1000 kV特高压输电线路中使用到的ZMP2、ZBS2和JTS2 3个系列。其中ZMP2为猫头塔，ZBS2为酒杯塔，均用到了双联I型绝缘子和V型绝缘子;JTS2为转角塔，用到了单联I型绝缘子和双联I型绝缘子。将绝缘子、金具和输电杆塔的模型结合在一起，可得到此次三维建模的最终成果，如图6所示。

图6 输电杆塔三维建模成果

五、结束语

随着计算机图形学技术的发展，三维可视化技术已广泛应用于数字城市、环境监测、交通监控等各个领域［10］。但在电力行业的应用还有待加强。本文对1000 kV特高压输电杆塔及其附属设施进行了三维建模研究，对三维数字化输电工程与智能电网建设具有十分重要的现实意义。

由于输电杆塔为不规则实体模型，对较规则建筑物三维建模而言，建模过程中产生的线多、面多，模型结构复杂，附属绝缘子和金具细部构造多，在运用Google SketchUp软件进行输电杆塔、绝缘子及金具的三维建模过程中也发现，精细的输电杆塔建模容易导致文件数据量增大，对计算机要求较高，这对三维输电线路可视化展示会带来运行上的迟缓和停顿。因此，优化输电杆塔的三维建模过程，探讨更高效的输电杆塔三维建模方法是后续研究的方向。

［1］ 陈树勇，宋书芳，李兰欣，等．智能电网技术综述［J］．电网技术，2009，33(8):1-7．

［2］ 刘汉立．复合材料输电杆塔的研究与应用［J］．纤维复合材料，2011，3(1):38-40．

［3］ 林卉，赵长胜，孙建文．数字校园3维建模与仿真的实现与设计［J］．测绘通报，2004(9):43-46．

［4］ 文雪中，潘建平，付飞飞．三维建模技术在数字城市中的应用［J］．科技资讯，2010(2):220-221．

［5］ 许捍卫，范小虎，任家勇，等．基于SketchUp和ArcGIS的城市三维可视化研究［J］．测绘通报，2010(3):52-54．

［6］ 金仲秋，陈凯．基于Google SketchUp的虚拟城市三维景观构建技术研究［J］．宁波职业技术学院学报，2008，12(2):84-87．

［7］ 林锐波．送电线路中常见绝缘子的分析［J］．科技信息，2012(11):448-449．

［8］ 吴维宁，吴光亚，张勤，等．1000 kV特高压交流绝缘子的使用及运行特性［J］．高电压技术，2011，37(1):15-19．

［9］ 付强．试析电力金具生产中的难点和对策［J］．低碳世界，2013(11):73-74．

［10］ 梁鹏帅，冯冬敬．三维可视化的研究现状和前景［J］．科技情报开发与经济，2009，19(7):134-135，147．