电力线路三维重建与可视化研究及实践

谢君洋，文 兵，陈 辰，叶 蕾，杨 鑫，曾 涛

（1.成都理工大学 地球科学学院，四川 成都 610059）

电力数据具有规模大、多样性、复杂性等特点，应用计算机仿真技术对电力线路数据进行三维展示，可使人们更直观地感受电力线路，从而为电路相关决策提供支持。电网具有丰富的数据资源和天然的地理空间分布特性，因此电网空间信息的表达及其可视化展现成为电网大数据和智能电网建设的一项重要课题[1]。电网工程设计专业多、技术复杂、协调工作量大[2]，采用三维数字化设计具有显著意义[3]。运用分析挖掘手段对电力大数据进行可视化能快速发现数据隐藏的信息并转化知识，便于数据价值传递与知识分享[4]。在电力领域，利用数据挖掘技术对电力线路进行三维场景仿真的数据可视化模式是当前研究的重点问题[5]。对电力数据进行三维重建，可直观表现电力数据在三维场景中的真实情景，使数据与空间的关系一目了然，从而改善电力数据在展示方式上的局限性，为电力系统的安全运行、检修运维以及规划设计提供创新性的支撑[6-9]。

随着地理信息系统（GIS）的发展，其被大量应用于电力研究中[10-12]，使电力线路可视化和地理分析功能迈上了新台阶。在应用需求以及计算机技术、图形图像处理技术等相关技术发展的多重推动下，GIS从二维逐步向三维发展[13]。三维GIS以立体造型技术为用户展现地理空间现象，不仅能表达空间对象间的平面关系，而且能描述和表达它们之间的垂向关系[14]。从功能上来看，三维GIS不仅继承了二维GIS的优点，而且在空间信息展示方面更加直观，还具有海量空间数据管理和空间分析能力[15]。三维GIS能为电力线路运维提供新的方法，可应用于线路走道风险等高线检验、线路走道地质构造变化检测以及输电线路用电剖析等研究中，使相关领域的研究变得更加高效直观。然而，目前电力建设的各阶段大多仍以二维图纸或单独三维模型为依据，缺乏真实地理环境，无法直观表达信息，因此在真实地理场景中利用三维GIS对电力线路数据进行直观展示是电力数据可视化表达的一个重要手段。

目前电力线路三维模型的描述文件均以XML文件形式存储，虽包括杆塔、绝缘子等电力线路各设备的详尽信息描述，但不能对三维电力线路进行直观表达。鉴于此，本文以某特高压输电电力线路为研究对象，首先对三维模型描述文件进行解析和地理编码，生成该电力线路的地理实体；然后通过地理实体与电力模型的挂接，实现电力线路的三维重建与可视化。

1 电力线路数据说明与解析

1.1 电力线路数据

原始电力数据是对电力线路进行三维重建的基础，是已存储的数字化成果；是对线路的整体描述，以文本的方式存储在XML文件中。该文件包括线路名称、杆塔信息、绝缘子信息、连接点信息和塔基信息等线路的基本信息。这些文件通过特定的关键字描述电力设备之间的关系，如图1所示。本文以某特高压输电电力线路的一个标段数据为例，对XML文件所包含的部件和信息进行简要说明。

图1 原始电力数据解析关系图

1）杆塔信息。杆塔在XML文件中以＜Tower＞＜/Tower＞标签进行标识，包含三维重建和模型挂接信息（图2），其中＜Position/＞存放杆塔的地理位置信息；＜TowerRot/＞表示杆塔的转角，是杆塔在空间中旋转的角度。上述两个子标签一起确定杆塔实体在三维空间的实际情景。

图2 原始杆塔部分数据示例

2）绝缘子串信息。绝缘子串在XML文件中以＜Insulator＞＜/Insulator＞标签进行标识，包含三维重建和模型挂接信息（图3），其中＜Offset/＞表示绝缘子串相对于所属杆塔投影坐标的偏移量，根据偏移量值和所属杆塔的投影坐标即可确定每个绝缘子串的空间位置；＜Rotation/＞表示绝缘子串的转角，是绝缘子串在空间中旋转的角度。上述两个子标签一起确定绝缘子串实体在三维空间的实际情景。

图3 原始绝缘子串部分数据示例

3）连接点信息。连接点在XML文件中以＜Wire-FittingPoint＞＜/WireFittingPoint＞标签进行标识，包含三维重建信息（图4）。3种类型绝缘子串中均有各自的连接点，其中耐张串和跳线串的连接点有16个，悬垂串的连接点只有8个。＜ConductorFitting/＞表示连接点需使用的所有信息，其中OffsetX、OffsetY和OffsetZ分别表示连接点相对于所属绝缘子串在空间X、Y、Z方向的偏移量。根据偏移量值和所属绝缘子串的空间投影坐标确定每个连接点的空间位置。

图4 原始连接点部分数据示例

4）塔基信息。塔基在XML文件中以＜Foundation＞＜/Foundation＞标签进行标识，包含三维重建和模型挂接信息（图5），其中＜Offset/＞表示塔基相对于所属杆塔投影坐标的偏移量。根据偏移量值和所属杆塔的投影坐标即可确定每个塔基的空间位置。

图5 原始塔基部分数据示例

1.2 电力线路地理实体生成与修正

电力设备地理实体与电力线路的生成过程是对XML文件进行解析，并通过电力数据地理编码生成线路数据地理实体。该过程的关键点在于通过地理编码生成地理实体数据和修正线路杆塔。

1.2.1 地理实体的生成

地理编码是指将坐标对、地址或地名等位置描述转换为地球表面上某位置的过程。地理编码时，可每次只输入一个位置描述也可以表的形式一次提供多个描述。在原始电力数据中，只有杆塔给出了实际的三维坐标值（经度、纬度和高程值），绝缘子串、连接点和塔基均只给出了X、Y、Z方向的偏移量，其中绝缘子串和塔基是相对于杆塔的偏移量，连接点是相对于绝缘子串的偏移量。具体结构如图6所示。

图6 杆塔地理实体生成结构图

将杆塔的地理坐标转换为投影坐标后，首先根据杆塔投影坐标和绝缘子串相对于杆塔坐标位置的偏移量计算得到绝缘子串的空间实际坐标位置；再根据杆塔投影坐标和塔基相对于杆塔坐标位置的偏移量计算得到塔基的实际空间坐标位置；然后根据绝缘子串空间坐标与连接点相对于绝缘子串坐标位置的偏移量计算得到各连接点的实际空间坐标；最后对各结构的坐标值进行地理编码，即可生成相应的实体对象。

1.2.2 电力线路杆塔的修正

电力线路杆塔的修正主要是修正杆塔的实际高程和朝向，以确保其空间位置在现实场景中的正确性。修正前为确保高程数据的精确性，需进行线路走廊平滑，主要是针对数据缝隙修正或数据更新。在具体数据中，不同区域的DEM数据分辨率有所不同，而较高分辨率的DEM数据对杆塔的高程修正更准确，因此当有高分辨率DEM数据时，需将其嵌入到低分辨率DEM数据中。此外，还有区域的DEM数据不止一幅的情况，需将多幅DEM数据镶嵌为一幅DEM数据。

1）高程修正。在XML文件中，读取的杆塔高程数据与杆塔实际高程值不一致，因此为确保其真实性，需进行高程修正。利用杆塔的X、Y坐标获取在DEM数据中该位置的DEM值，并将其作为杆塔的实际高程值进行修正。

2）方向修正。在现实场景中，杆塔的朝向有一定的规则。为了使生成的导线数据更贴合实际，需进行杆塔方向的修正。从第一个杆塔开始，读取其后两个转角塔，并计算3个转角塔中的第二个塔与其两边杆塔所形成的夹角；再将中间杆塔的朝向修正为夹角角平分线的垂直方向；然后计算杆塔需要旋转（顺时针方向）的角度。以此类推，计算所有转角塔、转角直线塔需要旋转的角度。然而，直线塔的朝向是所在两个转角塔间形成的直线的垂直方向，直线塔本身的旋转角度为0°，因此直线塔需旋转的角度是两个转角塔形成的角度。计算得到所有杆塔需要旋转的角度后，根据各角度对整体杆塔进行方向修正。

1.3 电力导线的生成

对杆塔、绝缘子串、连接点和塔基等实体对象进行高程修正和方向修正后，再根据相关逻辑关系，利用连接点实体对象中的所有属性信息生成电力线路导线，进而得到电力线路实体对象（线实体对象）。

1.3.1 连线逻辑

生成电力线路导线时，若没有连线逻辑，则生成的导线将杂乱无章，与实际情况不符。因此，导线连接需要相应的逻辑关系。连线逻辑主要分为杆塔之间的连线和塔内部连线（主要针对转角塔）两种情况。

1）杆塔之间的连线逻辑。根据原始数据，首先读取每个点对应的杆塔绝缘子串的回路（“Loop”信息）、层数位置（“Phase”信息）以及绝缘子串的前后位置（“BF”信息）；再读取连接点的序号（“No”信息）进行连线。具体连接关系为“Loop”和“Phase”信息相同的点对应。“BF”和“No”信息的对应情况包括：悬垂串“B”到悬垂串“B”，编号对应；悬垂串“B”到耐张串“F”，编号为“1～8”的悬垂串与编号为“21～28”的耐张串对应；耐张串“B”到悬垂串“B”，编号为“21～28”的耐张串与编号为“1～8”的悬垂串对应；耐张串“B”到耐张串“F”，编号“21～28”的8个点对应。

2）杆塔内部连线逻辑。杆塔内部连线即转角塔内部连线。“BF”和“No”信息的对应关系包括：耐张串“F”到跳线串“F”，耐张串的“1～8”号点与跳线串的“1～8”号点对应；跳线串“F”到耐张串“B”，跳线串的“21～28”号点与耐张串的“1～8”号点对应。其余“Loop”和“Phase”信息与杆塔之间的对应情况相同。

1.3.2 生成导线的弧度设定

在实际的电力线路中，为逼真表现输电线路的真实形态，必须建立输电线的三维弧垂模型，即生成的电力导线需要有一定的弧度。根据连线逻辑对需连线的点进行两两分组，计算每组两个连接点之间的直线距离，再将连接点之间分成很多段，得到每个点的平面坐标值，然后根据连接点之间的距离计算杆塔之间生成的导线最低点（连接点连线的中点）高度。若杆塔之间距离大于杆塔高度，则连线最低点高度为杆塔的3/4；若杆塔之间距离小于杆塔高度，则连线最低点高度可以是一个适合的固定值（根据实际效果来确定），这样即可保证每段导线的弧度大致相同，从而构建出与现实场景中导线弧度一致的情景。

1.4 电力模型挂接

对XML文件进行解析后，生成的杆塔、绝缘子串、连接点和塔基的实体数据是点对象，而电力导线实体数据为线对象。为使它们在三维场景中更贴合实际情景，需对各自的三维模型进行挂接。在解析XML文件时，杆塔、绝缘子串和塔基数据中的“Guid”关键字信息即为它们各自模型的指向，因此将生成的杆塔、绝缘子串和塔基地理实体数据中的“Guid”字段信息与模型数据进行匹配，再利用各自的坐标信息进行定位，最后将杆塔、绝缘子串和塔基的三维模型挂接到正确的空间位置。对于导线模型的挂接，通过生成电力导线的连接点进行定位，电力导线两端点坐标值确定电力导线三维模型的位置。具体流程如图7所示。

图7 电力模型挂接与展示过程图

2 结果展示与分析

2.1 电力设备地理实体与电力线路的生成

2.1.1 地理实体的生成

解析XML文件后，通过地理编码得到各地理实体如图8所示，可以看出，在线路三维情境中添加影像后，可清楚看到影像上存在杆塔图像，且构建的三维杆塔位置正好与实际影像中的杆塔位置一致，说明构建的杆塔位置正确；各结构模型挂接后，杆塔整体结构完整，各部分连接吻合，地理实体对象生成正确。

图8 杆塔实体生成

2.1.2 杆塔修正与展示

1）高程修正。杆塔高程修正前后的效果对比如图9所示，可以看出，高程修正前杆塔整体最低点在DEM下方，杆塔陷入地下；高程修正后杆塔整体最低点与DEM贴合，杆塔立于地面，与实际情景相符。

图9 高程修正前后对比图

2）方向修正。杆塔方向修正前后比对如图10所示，修正前后电力导线的连接情况如图11所示，可以看出，方向修正前部分转角塔与它们之间的直线塔的朝向几乎是同一个方向，这就会使它们生成的电力导线在一条直线上，导致电力导线出现交叉（图11a），使生成的电力导线不符合实际；方向修正后生成的电力导线（图11b）井然有序，可明显地看出两个回路的电力导线，无导线连接的交叉情况，因此杆塔方向修正后电力线路更符合实际情况。

图10 方向修正前后对比图

图11 方向修正前后连线对比图

2.2 电力导线生成

生成的电力导线如图12所示，可以看出，每段电力导线都具有一定的弧度，且每段之间的弧度大致相同，与实际电力导线情况一致。

图12 导线连接图

2.3 电力模型挂接

对杆塔结构中各模型进行挂接，效果如图13所示。由转角塔和直线塔挂接后的位置、形态可知，构成杆塔整体的各模型位置正确，导线的端点与绝缘子串模型的连接点一一对应，杆塔朝向正确。电力线路模型挂接后的效果如图14所示，可以看出，模型挂接后导线具有一定弧度，生成的导线没有交叉，绝缘子串上连接导线的部位与生成的导线连接部位一一吻合，说明生成的绝缘子串和连接点ShapeFile数据位置正确，模型挂接后的场景更贴合实际情景。

图13 杆塔模型挂接整体展示

图14 线路连接的情况

3 结语

本文以某特高压输电电力线路为研究对象，首先对三维模型描述文件进行解析和地理编码，生成该电力线路的地理实体；然后通过地理实体与电力模型的挂接，实现了电力线路的三维重建与可视化。由三维展示结果可知，在三维重建的输电电力线路中，杆塔位置与实际相匹配，杆塔结构部分和导线连接位置正确，生成的导线与实际一致，整体输电电力线路三维重建效果良好。

随着计算机技术的深入发展，国家电网工程也逐步走向信息化、智能化，其中电力线路的三维可视化是热点问题。为了更直观地展示电力线路，使电力数据与空间关系一目了然，从而为电力线路的运行、维护和规划设计提供更好的决策支持，电力线路的三维重建十分必要。目前，电力线路的三维重建在人才、技术等方面还存在一些问题，但随着时间的推移和相关支撑技术的不断发展完善，这些问题将被逐一击破。