基于三维地理信息技术的智能高压输电网管理系统建设与应用

张 建，张 浩，江 炯，黄晓明，李明磊

（国网浙江省电力公司宁波供电公司，浙江 宁波 315016）

基于三维地理信息技术的智能高压输电网管理系统建设与应用

张 建，张 浩，江 炯，黄晓明，李明磊

（国网浙江省电力公司宁波供电公司，浙江 宁波 315016）

为了确保高压输电线路的安全稳定运行，进一步深化数字化电网建设，建立了智能高压输电网管理平台，开展了基于三维地理信息技术的智能高压输电网管理系统建设与应用研究，该系统主要包括：高压输电网电力资产综合管理系统、带电作业模拟系统、危险预测检测系统等，各系统相互关联、紧密联系，分别对应日常电力生产中的各个重要环节，并提供设计与决策管理信息支持，具有很好的经济效益和社会效益。

输电线路；三维地理信息技术；电力资产；带电作业；危险预测；管理平台

0 引言

社会经济的发展促使电网迅速发展，电网规模不断扩大。随着坚强智能电网建设的进行，作为智能电网主要组成部分的智能输电网也日益受到重视，从而对输电线路的运维、管理提出了新的要求。建设坚强智能电网的基础是信息化[1]，如何提高输电线路的信息化水平显得尤为重要，而GIS（地理信息系统）技术正是主要手段之一。

目前大部分输电线路管理系统都是基于传统二维GIS技术，存在缺乏空间表现力、不够直观等缺点，已不能满足目前工作需求。近年来，三维GIS技术不断成熟，因其具有直观、真实、可视和高效等特点，为空间信息的展示提供了更丰富、细腻和逼真的平台，因此是解决高压输电网管理的最佳办法。目前对输电线路三维技术应用方面的研究较多，侧重点各有不同，文献[2]结合三维模型构建和模式设计，提出了一种构建三维输电线路GIS系统的方法，并在实际工程中得到了应用，但该系统的功能还不够完善，需要扩展。文献[3]根据三维GIS的技术特点和送电线路的设计要求，提出了三维送电线路选线GIS系统设计方案和实现方法，为电力线路设计提供了更便捷的操作平台，但该系统主要偏向于电力线路的规划和设计。文献[4]基于三维GIS技术设计了一套输电线路数字化管理系统，该系统包括三维显示模块、系统集成模块、智能风险评估与预警专家系统模块等，主要侧重于输电线路运行状态的监测。文献[5]主要介绍了所建系统在辅助线路规划设计、施工进度管理、线路运行智能化管理方面的应用。

宁波供电公司基于三维GIS技术开发建设了智能高压输电网管理系统，该系统侧重于输电线路的运维管理和应急演练管理，主要包括高压输电网电力资产综合管理系统、带电作业模拟系统、危险预测检测系统等，对目前已有的输电线路三维GIS系统是一个补充。

1 系统体系结构

图1 系统体系结构

宁波智能高压输电网管理系统是一个分布式的网络系统，采用B/S（浏览器/服务器）架构，通过在客户端为客户定制相关表现界面和功能，可在客户端实现分析和计算等业务，服务器端的数据库则可以通过数据服务层供客户端访问。

系统体系结构如图1所示，总体结构划分为标准与规范体系和安全与管理保障体系，这两大体系是整个系统建立的保障和依据。系统的设计与建设严格遵守国家、地方与行业的相关标准与规范，对于尚无标准与规范的，参照国家、地方与行业的有关标准予以制定。系统安全与管理保障体系包括安全管理制度、网路安全、软件安全、数据库安全4个方面。

整个系统采用支撑层、数据层、软件层和服务层4层体系架构，各层之间有机结合，从而实现系统的各项应用功能。各层面的功能如下：

（1）支撑层。支撑层主要包括计算机网络环境、硬件平台和软件平台，是支撑整个系统运行的必备基础设施。该系统部署于宁波供电公司信息内网。硬件平台主要指主机设备、存储数据的服务器等。软件平台包括操作系统软件、数据库管理系统软件、GIS软件等。

（2）数据层。数据层由数据采集层、数据库层、数据共享和交换层3个子层组成。数据采集层包括数据获取、数据处理和数据传输，其主要功能是完成机载激光雷达扫描、地形图数字化、GPS（全球定位系统）测量、影像等输电运维管理相关应用数据的获取与处理。数据库层由本系统建成的多个相关数据库组成，包括输电线路模型库、地形地貌模型库等。各个数据库采用分布式存储，为输电管理三维GIS应用提供数据支持。数据共享与交换层位于软件层与数据库层之间，负责数据存储中心与各输电管理状态检测系统以及其他状态信息源之间的数据共享与交换。

（3）软件层。软件层是上层应用的基础，可实现输电线路管理应用中的数据组织、管理与应用等核心功能。

（4）服务层。服务层主要实现输电线路管理应用系统自身的应用服务，以及与其他信息系统进行数据交换和功能交换服务等。

2 数据获取与组织管理

2.1 数据获取

数据主要分为基础空间数据和业务数据两大类[5]。基础空间数据包括杆塔、输电线路、电网接线图、多分辨率影像、数字高程模型等。业务数据包括设备台账、运行资料、设计资料、在线检测信息等。基础空间数据要利用机载、地面三维激光测量系统人工采集[6]，其中杆塔测量除了可采用机载三维激光测量系统外，还可采用外业GPS与全站仪联合测量方式进行数据采集。业务数据则通过资料收集后导入。

2.2 三维精细模型建模

利用机载、地面三维激光测量系统等多种手段采集到的数据和数码相机同步采集的高分辨率相片，通过数据内业处理可以建立输电线路、杆塔的精细模型[7]，处理流程如图2所示。

图2 三维建模流程

2.3 数据组织与管理

系统的信息数据不仅包括全市域输电线路模型数据，还包括地上空间的地形地貌、矢量点线路及建（构）筑物等基础地理数据，具有数据复杂和数据海量的特点。系统在架构上独立设置数据管理功能层进行海量空间数据的管理，如图3所示，从逻辑上与系统其它各层分离，实现了空间数据存取的相互独立性。

图3 数据组织与管理结构

3 系统功能及应用

系统实现了多种功能，主要包括三维浏览查询、输电网三维电力资产综合管理、空间量测分析、三维模拟设计、模拟巡视管理、演练与应急等功能模块。

3.1 三维浏览查询

实现了在场景中步行、驾驶、飞行等模式，同时实现了旋转、平移、缩放及沿着固定路径行走和漫游的功能，还可对感兴趣的区域进行路径设置，以及对行走过程中的视频进行录制和存放操作。该功能模块不仅能实现以机巡或人工模式沿输电线路通道查看地形地貌、设备要素，还能以机巡模式在输电线路上空俯视整个电力走廊的状况，如图4所示。

图4 三维浏览查询示意

3.2 输电网三维电力资产综合管理

系统将现有输电线路大量的纸质、电子资产资料，包括起止变电站位置、高压铁塔坐标、铁塔型号、导地线型号、跨越类型、跨越长度、前后视档距、绝缘子类型、各种设备的生产厂家等各类相关信息统一整合到电力资产数据库中，并将其与系统中的三维模型相关联，配合输电线路走廊地理信息，形成一整套三维立体化直观电力资产管理体系，为快速应急反应、电力决策管理提供杆塔、线路属性信息等相关基础数据的查询，并能以小表卡形式打印输出。

3.3 空间量测分析

空间量测分析实现了在三维场景中基于正射影像地图的距离量算、面积量算、水淹分析土方计算等多项功能，距离量算内容涉及输电线路模型等任意模型的水平距离、垂直距离以及空间距离等。

3.4 输电线路三维模拟设计

该系统为输电线路设计提供了另外一种途径。用户可结合系统中的地形地貌模型，选择布线路径，直接通过模型创建工具，创建设定的杆塔模型及连接线，使用户可直接在三维场景中结合周边环境进行布线方案设计，为设计人员提供了极大的便利。

3.5 输电线路模拟巡视管理

3.5.1 模拟巡视

可按2种方式实现在三维场景中的动态巡视展示：第一种方式是通过作业现场的实时GPS坐标信息返回，在三维场景中进行动态巡视模拟；第二种方式是作业现场实时录制巡视视频或拍摄带坐标信息的图片，巡视完成返回后，在三维场景中利用以上资料的坐标信息进行路径定位，并动态模拟整个巡视路径。

3.5.2 危险点标注

利用外业核查人员采集的输电线路危险点或缺陷杆塔等资料，在三维系统中导入危险点等坐标文件信息，并在对应的三维模型位置上生成危险点等图标，可直接添加危险点相关信息，最终可在三维场景中实时查询危险点的相关信息资料，作为电网维护管理的参考依据。

3.5.3 灾害警报

根据实地获得的损坏输电线路的调查资料，在三维电网系统中实现杆塔损坏警示，通过损坏杆塔查询，可直接定位于三维模型，并在场景中以红色高亮显示杆塔模型，及倾斜或破损杆塔的实地图片和说明文字。

3.5.4 特殊区域管理

特殊区域一般包括鸟害区、雷电区、冰冻区等。根据调查得到的特殊区域资料，在三维系统中通过对应的坐标信息生成某段线路或区域的矢量范围数据，并添加相应的属性信息。结合区域周边的三维地形地貌模型，能更直观地管理特殊区域，为电力巡线提供依据。

3.5.5 输电线路危险点辅助分析

导入分类后的激光雷达点云数据，根据已经整合于系统内的电力规范和规程，自动量测或手工检测输电通道内导线弧垂对地面、房屋、树木的（净空、水平、垂直）距离数值小于安全距离的“危险点”，并自动给出危险对象的地物类别、精确三维坐标、在跨越内的具体位置等，同时提供相关系统中的高分辨率影像截图，以便快速定点清查排除，如图5所示。同时根据植被生长模型、线路导地线风力和风向、在各种气象条件下的导线弧垂变化等同步预测数年内的疑似可能危险点，从而圈定特别关注区域，以便重点巡查，为安全隐患排查工作提供便利。

3.6 三维模拟与演练

通过该系统的模拟演练功能模块，可以实现对500 kV同塔多回输电线路带电作业方案的三维模拟，主要包括500 kV同塔多回输电线路塔头工频电场分布的三维模拟计算展示、模拟人的最小空间组合三维展示等功能，更好地与现场实际作业相结合，为500 kV同塔多回输电线路的带电作业方案提供可视的快速模拟、校核平台。

3.6.1 塔头工频电场分布计算与三维展示

500 kV输电线路塔头工频电场分布的特点是随着距离的增大其场强成指数级衰减。塔头工频电场分布模拟主要通过工频电场的分布计算，以三维仿真技术模拟产生电场的范围分布情况及强度变化，通过三维曲面方式表示电场的分布范围，并通过可视化系统进行电场分布规律的三维模拟显示，更直观地反映电场辐射对周围事物的影响，如图6所示。

图5 危险点检测与标识

图6 塔头工频电场分布三维模拟展示

3.6.2 最小空间组合间隙计算与三维显示

系统实现了沿双联耐张绝缘子串自由式进入、双回路直线型杆塔士字梯进入和双回路直线型杆塔横梯法进入这3种等电位方式带电作业的模拟[8]。采用骨骼动画技术制作模拟作业人员从开始进入电场到就位的全过程，在模拟过程中通过几何拓扑技术实时计算模拟人与导线和塔身的距离，动态显示组合间隙值，并结合500 kV输电线路带电作业安全规范要求进行危险警报提示，为带电作业提供指导。

4 结语

通过对智能高压输电网管理技术的探索，建立了基于三维地理信息技术的智能高压输电网管理平台。该平台实现了宁波电网的三维数字化管理，覆盖了宁波地区110 kV以上的高压输电网络，并将多个功能模块集成在一起，在宁波地区电力安全生产、电力危险点监测、电力资产信息管理、电力设计等领域得到了广泛应用。提高了输电线路管理水平和输电安全监控能力，降低了管理和安全生产成本，取得了良好的管理效益、社会效益和经济效益，具有广阔的应用前景。

[1]唐跃中，邵志奇，郭创新，等.数字化电网体系结构[J].电力自动化设备，2009，29（6）∶15-118.

[2]李晓骏，邱家驹.基于三维GIS技术的输电线路地理信息系统的设计与实现[J].电力系统自动化学报，2003，15（1）∶5-9.

[3]阳贤仁，牛仁义.三维送电线路选线GIS系统建设与研究[J].电力勘测设计，2007（5）∶24-27.

[4]王国胜，张声圳.基于GIS的输电线路三维数字化管理系统的设计[J].电工技术，2013（9）∶6-8.

[5]李鑫，任培祥，陈敬理，等.三维全景智能电网支撑平台在电网信息化过程中的应用[J].电力技术，2010，19（4）∶54-57.

[6]于德明，陈方东，郭昕阳，等.输电线路直升机激光扫描三维成像技术的应用[J].高电压技术，2011，37（3）∶711-717.

[7]张会霞，朱文博.三维激光扫描数据处理理论及应用[M].北京：电子工业出版社，2012.

[8]国家电网公司.带电作业操作方法（第1分册）：输电线路[M].北京：中国电力出版社，2009.

（本文编辑：龚 皓）

Construction and Application of the Smart High Voltage Transmission Networks Management System Based on the 3D GIS Technology

ZHANG Jian，ZHANG Hao，JIANG Jiong，HUANG Xiaoming，LI Minglei
（State Grid Ningbo Power Supply Company，Ningbo Zhejiang 315016，China）

In order to ensure safe and stable operation of high voltage transmission lines and further construction of digital power networks，smart high voltage transmission networks management platform is established and construction and application research on smart high voltage transmission networks management system is conducted.The system mainly comprises integrated management system of electric power asset for high voltage transmission system,live work simulation system，risk prediction and test system，etc.The systems are interconnected and closely related,and respectively corresponds with important parts in power production and provide design and decision information management support,achieving very high economical benefits and social benefits.

transmission line；3D GIS；electric power asset；live work；risk prediction；management platform

TM732

B

1007-1881（2015）08-0017-04

2015-03-10

张 建（1982），男，工程师，从事高压输电线路运检工作。