输电线路三维数字化设计平台研究

彭伟 白霞

摘要：文章叙述了输电线路三维数字化设计技术的建设背景和意义，介绍了计算机网络环境下的多源海量数据存储和管理、基于工况的三维间隙校验、虚拟现实与数字化方针应用为难点的三维数字化设计技术；研究开发了网络环境下的输电线路三维数字化设计平台，实现了在电磁环境展示、三维杆塔模型自动创建和交互式高低腿配置功能方面的创新。

关键词：输电线路；三维设计；数字化设计平台；GIS；计算机网络环境 文献标识码：A

中图分类号：TM75 文章编号：1009-2374（2016）17-0028-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.17.012

目前输电线路三维数字化设计正处于起步阶段，随着电网电压等级的提高和商业化运营的大规模实施，设计研究工作又面临着新挑战。电力设计行业已经存在多个输电线路设计管理软件，从三维数字化的整体目标来看，信息化工作依然存在着如下问题：（1）从平台架构和规范来看，跨专业的协同设计业务没有形成统一的标准流程，导致信息孤岛的出现；（2）从现有软件功能和数据来看，重视设计功能的实现，忽视综合数据的挖掘和分析；（3）从操作便捷性和自动化来看，缺乏有效的互动机制。

1 平台架构研究

1.1 平台目标

1.1.1 建立输电线路设计数据库。输电线路数据库包括基础地理数据、前期专题数据、电源电网数据、勘测成果数据、三维模型数据、线路成果数据和工程项目数据。根据业务流程对数据进行整合，方便设计人员完成输电线路设计，实现不同数据之间的协同操作，并形成设计成品的数字化。

1.1.2 进行输电线路三维数字化设计系统建设。通过项目的建设，完整的梳理输电线路三维数字化设计信息管理流程，完成包括项目管理、基础地理数据管理、勘测成果管理、电网数据管理、线路设计成果管理、模型库管理、空间分析、优化选线、杆塔排位、铁塔与基础配置管理、辅助设计、工程成果查询统计、线路路径分析以及系统管理等多个功能模块。

1.1.3 进行专业设计平台集成。对现有专业设计平台进行集成，使输电线路设计相关的专业数据资料信息化、数字化，在统一的平台上集成管理、显示、分析应用。

1.2 平台架构设计

GIS技术和计算机网络技术是平台的基本技术保障，利用海量数据技术和软件框架搭建方法，实现数据库建设和系统建设。平台围绕电网设计具体业务，遵循可扩展性原则设计。平台分六个层次，分别是基础设施层、数据管理层、基础软件层、通用组件层、业务服务层、用户表现层。其中数据管理层、通用组件层、业务层和用户表现层分离，便于扩展系统。

2 主要功能

根据输电线路设计流程，提供线路设计全生命周期规划、设计、分析统计、方案优化等业务相关功能。利用卫星图片、航测照片、卫星定位和全方位地形测量等手段开展线路路径优化、杆塔排位优化以及基础、杆塔、导地线、金具绝缘子的可视化设计及优化，使线路设计更加形象直观。

2.1 基础配置功能

基本功能包括二维基本功能、三维基本功能和系统配置管理模块。二维基本功能包括二维图层管理、地图定位、地图量测、地图编辑、坐标转换、制图输出等功能模块；三维基本功能包括视图浏览、三维量算分析、自然特效、要素标绘、空间分析、截屏和录像等功能；系统配置管理模块为用户管理、权限管理、角色管理、日志管理、系统管理等方面的内容。

2.2 数据管理

数据管理主要包括勘测、线路、结构等不同专业在工程实施的过程中的设计成果资料的管理，作为基础数据的矢量数据、栅格数据、地形图和影像数据的管理，还包括对输电线路三维业务设计过程中的杆塔模型、基础模型、金具绝缘子串等通用模型库的管理。

2.3 三维业务设计

三维业务设计部分包括工程项目管理、路径分析、电气设计和结构设计四大业务模块。实现了线路勘测、路径优化、杆塔定位、断面校验、交叉跨越校核等功能，完成二维立体选线与平断面导出功能，完成线路工程设计各阶段相关功能，完成各阶段内的地理信息资料信息化、路径选择优化、选线成果分析统计、杆塔规划及分类统计、杆塔绝缘子串及其他金具统计、杆塔接地装置分析统计、经济指标估算等功能。

路径（选线）设计实现基于二、三维联动的输电线路选线，主要进行线路路径选择和外业调绘资料录入，输出结果是路径图、平断面图、路径统计分析报告等。本功能主要包括路径方案管理、地理信息抽取、气象资料抽取、重要控制点设置、自动方案初选、调查标绘、路径编辑、路径穿越区域统计、工程量计算、技经提资单输出、路径方案及平断面图导出。

电气设计主要实现杆塔规划、优化排位、电气校验等功能。（1）利用系统数据库中建立的杆塔库、导地线库，并结合路径设计的资料成果，电气专业可以开展杆塔规划和导地线选型，提出符合工程实际塔型规划表，选定所需导地线型号、分裂数和各项参数；（2）开展优化排位，电气设计功能提供了手工排位和自动优化排位两类操作方法，两种排位方式都可将排位结果进行线路三维模拟；（3）电气设计还提供了丰富的电气计算和电气参数校验功能，如导地线张力弧垂表、导地线张力架线弧垂系数表等，这些数字化成果将通过系统直接为结构专业提资。

结构设计主要实现杆塔结构生成、基础结构生成、塔基地形图、塔基断面图等功能。结构设计功能集成TTA等主流杆塔结构计算软件，开展杆塔结构计算和设计，并将计算结果自动转换为三维杆塔结构。结合电气资料、地形地貌资料开展基础设计，并生成塔基地形图和塔基断面图。结构设计向电气专业提供数字化结构设计成果，供电气专业更新绘制平断面图和进行电气校验。

3 主要难点

3.1 多源海量数据存储、管理机制

输电线路设计需要大量的空间数据和属性数据，数据复杂多样。众多的“信息孤岛”一方面使得资源得不到充分利用、日常维护量大；另一方面难以保证数据的一致性、准确性和实时性。由于缺乏有效的数据存储管理机制，因此结合现有的数据库技术、GIS技术和开发平台等，构建一种相对高效的数据存储管理机制，具有相当重要的意义。

3.2 基于工况的三维间隙校验方法研究

平台电气校验的过程中，在三维场景下，根据线路工况、气象环境、导线型号及相关属性等参数，真实模拟线路的弧垂以及导地线风偏，分别对“导线对地”“导线对地物”“跳线对塔窗”“导地线间”“极限档距”及“安全间隙”进行校验。

3.3 虚拟现实与数字化仿真应用

平台在三维场景中真实再现工程线路的架设情况，包括线路沿线的地形地貌信息、铁塔、基础、绝缘子串等模型情况。通过线路巡检、飞行漫游等功能，直观地对整个工程线路及线路沿线周边的环境进行浏览查看。应用电磁环境展示功能，展示输电线路对环境敏感源的电磁环境参数衰减曲线，直观反映电磁环境指标是否达标。

4 创新点

4.1 电磁环境展示

导线周围的电磁环境和输电线路的电压等级、回路数、相序等条件息息相关，在进行输电线路设计时，需要考虑输电线路附近的电磁环境对周围居民建筑物的影响。研究了电磁环境在三维数字化设计平台中的计算原理方法，结合“输电线路电磁环境综合计算程序”对系统采用的电磁环境计算方法进行了验证，并分析了当输电线路任意点的磁场在三维中的应用场景以及当输电线路周围有建筑物时如何进行电磁环境的校验及预警。

4.2 三维杆塔模型自动创建方法研究

根据TTA文件参数自动生成三维模型成为本项目的关键技术之一。TTA文件是自立式铁塔内力分析软件的计算成果文件，文件内记录了铁塔上所有的节点，及节点之间的连接关系、对称关系等，还记录了铁塔的受力情况及铁塔上杆件的一些基本信息。将TTA文件内的这些信息读取出来并进行组织，建立起铁塔的三维模型，是输电线路三维建模与设计的关键一步。

为此，本系统开发了TTA解析的功能，系统读取TTA铁塔设计软件的计算成果文件以及塔材文件（DATA.INI），自动创建铁塔三维模型，可以直观地观察解析结果，并将解析结果进行保存与导出，导出后的杆塔三维模型可以直接使用。

4.3 交互式高低腿配置方法

根据实际工作中高低腿配置流程，利用塔基地形测量数据、铁塔高低腿数据和基础模型库数据，按照设计院高低腿配置规则计算边坡保护距，自动化或人工干预相交互保证了高低腿配置功能的准确性和高效性。

5 效益分析

5.1 经济效益

在平台的应用过程中，通过对相关业务工作效率与决策科学性的提升，不仅能够显著降低输电线路设计及运行成本，还能有效增加输电线路运营收益。主要表现在两个方面：（1）人工成本的降低，通过平台所集成的丰富数据资源及所具备的高效辅助决策能力，可显著减少线路、结构、勘测等专业的现场工作量，并节约同等工作量下的人员配置，减少差旅和薪酬支出；（2）提高输电线路设计效率所带来的收益增加，通过平台辅助规划设计等板块功能应用，能有效缩短输电工程从规划布点到建成投运的实施周期。

5.2 社会效益

（1）社会资源节约方面，通过平台应用，进一步提输电线路建设环节中决策科学性，减少资源占用。在站址和线路路径方案优选方面，可有效减少线路设施对农田、林地等社会资源的不合理占用，促进输电线路与经济社会的协调发展；（2）社会发展保障方面，利用平台对输电线路运行环境及运行工况进行密切跟踪，快速科学应对输电线路突发事件；（3）产业集聚区方面，基于地理空间布局，可以直观查看全省当前输电线路分部情况，科学指导全省电网建设，为政府部门研判集聚区经济增长形势、制定相关政策提供科学依据。

参考文献

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[5] 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].电力系统及其自动化学报，2003，（1）.

作者简介：彭伟，男，中国能源建设集团甘肃省电力设计院有限公司信息系统项目管理师，工学硕士，研究方向：网络与信息安全。

（责任编辑：黄银芳）