基于CIM的配电网三维可视化关键技术研究与实现

杨成顺，黄 淮，戴宇辰，黄宵宁

(南京工程学院 电力学院，江苏 南京 211167)

基于CIM的配电网三维可视化关键技术研究与实现

杨成顺，黄 淮，戴宇辰，黄宵宁

(南京工程学院 电力学院，江苏 南京 211167)

为满足配电网三维可视化系统对资产数据来源的需求，通过构建核心包、拓扑包中各类数据模型的静态关系，建立了配电网三维可视化系统的CIM模型，并根据空间几何属性将模型的三维信息转化为数据结构，实现了与现有配电管理系统间的信息交互。并针对系统在还原CIM三维模型实际空间位置时精度较低的问题，提出了一种基于模拟退火算法的坐标转换最优参数选择方法，通过对比三种方法的转换误差结果证明了方法的可行性和有效性。最后结合实例展示了配电网三维可视化系统的实际效果和应用功能。

配电网；三维可视化；公共信息模型；坐标转换；模拟退火

0 引言

随着计算机图形学的发展和硬件性能的成倍提高，三维可视化技术日益完善，为电力系统的运行管理、教学培训与规划建设等工作提供了更为直观、真实的表现方式，已经成为电力系统可视化发展的趋势[1-2]。文献[3]利用全景图像技术构建了变电站的三维仿真平台，支持虚拟场景浏览和故障操作功能。文献[4]通过激光扫描获取输电线路走廊的地形数据，运用LOD和区域四叉树结构进行动态调用和操作，开发了输电线路的三维可视化系统。文献[5]论述了电力系统主要的数据类型和图形化表达方式，设计并实现了电网实时监控的三维可视化系统。

长期以来，配电网的三维可视化是一项非常复杂的系统工程。文献[6]分析了三维虚拟可视化的建模对象和系统构建流程，为实现配电网的高级应用功能提供了三维基础平台。文献[7]进一步提出了可视化系统的体系结构和数据库设计方案，并在配电管理系统中进行了应用和展示。然而，随着城镇化进程的加快发展和居民生活水平的提高，配电网络规模不断扩大，各类设备资产及相互间连接方式日趋复杂，采用人工方式搭建虚拟配电线路已无法满足三维可视化系统的需求，如何借助配电管理系统的数据信息还原真实网络拓扑结构成为当前三维可视化工作的主要瓶颈。

CIM采用面向对象的方式描述电力系统中的设备结构，是各管理系统之间信息兼容和交互的重要应用工具[8]。本文研究了基于CIM模型构建配电网三维可视化系统的方法，以满足配电线路设计和运维工作的实际需要。同时，针对当前坐标转换算法容易导致设备三维模型位置偏移的问题，提出一种基于模拟退火算法的最优参数选择方法。

1 基于CIM的配电网三维模型

为了便于管理和分析各种应用范围，CIM将电力系统的模型元件划分为一组包，每个包中含有多个真实设备类，并通过统一建模语言实现了相关描述[9-10]。为解决可视化系统对配电网资产数据来源的需求，本文通过构建核心包、拓扑包中各类数据模型的静态关系，建立了配电网三维可视化系统的CIM模型，分为设备资产、设备容器资产和建筑物支撑资产三类，并对其三维模型进行表述，将虚拟场景的三维信息转化为数据结构。

1.1 设备资产

设备资产指在配电网中的一次和二次设备。以核心包中的设备类作为配电网的基类，所有设备资产继承公共特征和属性，如图1所示。

图1 设备资产模型

1.2 设备容器资产

设备容器资产指配电网中各种设备资产的组织关系。CIM模型将核心包中的变电站、电压等级、间隔和复合开关共同组成了一个设备容器，并与设备模型建立了聚合关系。在原有模型的基础上，将配电网中的开闭所和环网柜作为设备容器资产的子类，并继承相关属性，如图2所示。

图2 设备容器资产模型

1.3 建筑物支撑资产

杆塔、电缆沟等基础设施作为配电线路的支撑物，是配电网的重要组成部分。通过拆分杆塔和电缆沟的组成结构，定义了建筑物支撑资产的模型，如图3所示。

图3 建筑物支撑资产模型

1.4 三维模型表述

虚拟场景的三维模型是实现配电网可视化的重要基础。与原有基于可缩放矢量图形(SVG)的二维模型相比，三维模型具有清楚直观、高度仿真的特点，能够充分展示各类设备元件模型和网络拓扑结构。因此，本文对CIM中的各类资产模型进行三维表述，流程如图4所示。

图4 配电设备三维表述流程

概念模型是在实际模型的基础上，通过相关规则来描述实际模型的结构、位置、参数等信息。将配电设备的实际模型拆分为若干组成部分，确定各部分的几何特征和属性特征，建立配电设备的概念模型。

在此基础上，为了便于分析和管理概念模型，以三维空间的节点、线段和三角形为子类，定义各组成部分的聚合关系和约束条件，得出三维模型的空间层次关系，如图5所示。

图5 空间层次关系

形式化描述是指对三维模型进行抽象的数学表述。根据所建立的空间层次关系，将配电设备的概念模型转化为三维数据结构，关联资产模型中的设备属性信息，通过统一建模语言完成形式化描述，实现配电设备的三维表述。

以CIM设备资产中的电力变压器为例，其实际模型主要由为分接头、套管和线圈三部分组成。分析各部分的几何特征，同时关联资产模型中的设备属性信息，建立电力变压器的概念模型。按照上文所述的空间层次关系，完成电力变压器的形式化描述。

Transformer={Tap changer, Winding, Bushing}

Tap changer={Vol_1, Vol_2… Vol_n}

Vol_i={Sur_1, Sur_2… Sur_n}

Sur_i={Tri_1, Tri_2…Tri_n}

Tri_i={Node_1, Node_2, Node_3}

Seg_i={Node_1, Node_2}

2 基于模拟退火算法的最优参数选择

为在三维空间中进行配电网定位，需要将实际坐标转换为可视化系统采用的空间直角坐标。受转换函数和求解方式的影响，目前的坐标转换算法容易产生较大精度误差，导致CIM中各类资产设备的三维模型偏离实际位置，降低了可视化系统的真实度和沉浸感[11]。因此，本文提出一种基于模拟退火算法的坐标转换最优参数选择方法。

2.1 问题分析

布尔沙模型作为空间直角坐标转换的常用模型[12]，其表达式为：

(1)

式中：X2、Y2、Z2为转换后坐标；X1、Y1、Z1为原坐标系坐标；ΔX、ΔY、ΔZ为坐标偏移量；k为比例因子；εx、εy、εz为坐标轴间的夹角。转换精度的控制参数为坐标偏移量、比例因子和坐标轴夹角，分别对应坐标系的平移变换、旋转变换和尺度变换。

以公共点的坐标值为基础，通常采用最小二乘法进行控制参数的求解。公共点的坐标精度直接影响布尔沙模型的转换结果。若公共点的坐标精度存在偏差，最小二乘法计算结果将导致可视化系统的坐标定位偏离实际位置。

2.2 算法描述

模拟退火算法是利用固体物质的退火原理和组合优化问题之间的相似性寻找目标函数的最优解[13]。从较高的初始温度开始随机搜索，引入适应度函数进行判断，随着温度的不断下降最终获得目标函数的全局最优解，基本流程如图6所示。

图6 模拟退火算法流程

利用模拟退火算法求解坐标转换的最优参数问题，建立控制参数的目标函数为：

(2)

步骤一：设定初始温度t0和迭代次数L，选定初始坐标点建立方程组，计算布尔沙模型的控制参数和初始点的适应度函数值f(X，Y，Z)，计算公式为：

(3)

式中：X、Y、Z为坐标的计算值；X2、Y2、Z2为坐标的实际值。

步骤二：取k=1到L，执行步骤三至步骤五。

步骤三：随机产生扰动，得到新的坐标点，通过当前控制参数求解新点的转换值和适应度函数，计算两点的适应度差值Δf=f1-f2。

步骤四：若Δf<0，则接受新点，否则根据概率exp(-Δf/T)选择是否接受，更新所列方程组，求出控制参数的新解。

步骤五：连续若干个温度状态下没有新解被接受，结束程序并输出当前解为控制参数的最优解。

步骤六：温度逐渐下降，转步骤二。冷却公式为：

(4)

2.3 实验验证与结果分析

本文以新疆某地区为试验对象，获取地理信息和三维空间中100个重合点坐标值，分别采用模拟退火算法、最小二乘法和解耦法求解坐标转换的最优控制参数[14]。在此基础上，计算样本内各点转换值和实际值之间的误差，如图7所示。

图7 三种方法误差统计

结果表明：利用模拟退火算法求解坐标转换的目标函数，在一定的温度下随机搜索坐标点，通过适应度函数进行筛选，随着温度的不断下降得出控制参数的最优解，避免最小二乘法和解耦法进行矩阵求逆运算产生的误差，有效提高了坐标转换的精度。

3 系统实例

以新疆某地区为试验对象，在该地区三维可视化模型的基础上，采集配电GIS系统中线路和设备的相关信息，主要包括杆塔位置、杆塔型号、金具连接和配电设备四类，通过本系统实现配电网的快速搭建和展示功能，输出路径走向、杆塔位置与关联设备的三维信息，如图8所示。

图8 三维配电线路

系统建立包围盒进行线路三维空间分析，用来判断与周边建筑物、环境的电气安全距离，如图9所示。同时，计算线路末端的电压降，为原有配电线路的优化与建设工作提供技术支持。

图9 廊道校验

4 结论

本文以电力系统CIM模型为基础，开展了配电网三维可视化系统的研究与实现。建立了三维可视化系统的CIM模型，阐述了如何将模型的三维信息转化为数据结构，解决了可视化系统对配电网资产数据来源的需求。同时，针对三维模型的坐标精度问题提出一种基于模拟退火算法的坐标转换最优参数选择方法，通过对比三种方法的转换误差结果证明了本方法的有效性。

借助三维可视化技术进行配电网的构建，为运维部门开展管理工作提供了更加直观有效的平台化工具，对提高日常技术工作的效率和保证电力企业的健康发展具有非常重要的意义。

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Research and Implementation of Key Technologies for 3D Visualization of Distribution Network Based on CIM

YANG Chengshun, HUANG Huai, DAI Yuchen, HUANG Xiaoning

(School of Electric Power Engineering, Nanjing Institute of Technology, Nanjing 211167, China)

In order to meet the demands of the three-dimensional visualization system, the CIM model of three-dimensional visualization system for distribution network is established by constructing a static relationship between various data models in the core package and topological package. According to the geometric properties of the space, the 3D information of the model is transformed into the structure data. Therefore, the information exchange between the existing distribution management systems is realized. Moreover, aiming at the problem of low precision of the system in restoring the spatial position of the 3D model for the CIM component, an optimal parameter selection method based on a simulated annealing algorithm is proposed. The feasibility and effectiveness are proved by comparing the different three methods. Finally, an example is given to show the actual effect and applicability of the three-dimensional visualization system.

distribution network; 3D visualization; CIM; coordinate transformation; simulated annealing

刘建(1990-)，男，硕士研究生，研究方向为异步电机三电平变频调速。

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.05.002

2017-03-06。

南京工程学院高层次引进人才科研启动基金项目(YKJ201412)。

TM72

A

1672-0792(2017)05-0006-05