基于需求驱动的输变电工程多尺度场景建模

2023-03-27施晓勇蓝贵文陈看端木星慧张乐坦

科学技术与工程 2023年5期

施晓勇，蓝贵文*，陈看，端木星慧，张乐坦

(1.桂林理工大学测绘地理信息学院，桂林 541004； 2.广西空间信息与测绘重点实验室，桂林 541004)

输变电工程是电力系统的关键组成部分，具有运输电能和升降电压的重要作用，是输电线路建设和变电工程的统称[1]，其主要包括架空电力线路和变电站两大实体对象。随着数字电网建设的推进，三维数字化技术已经应用在输变电工程建设中，且对于提高工程的设计质量效果显著[2]。当前对于输变电工程三维建模的研究主要集中在输电线路三维场景模型构建[3-4]、变电站虚拟现实仿真[5-6]、厂站三维展示[7]以及输电杆塔精细化建模[8]等方面，目前的研究中更多关注的是模型的精细化构建和场景的沉浸感，较少考虑因实际应用管理的维度不同造成所需的模型尺度级别不同这一客观条件。在输变电工程中，所处的工程生命周期不同，其对应的管理维度也就不同，所需要用到的数据尺度也不同。如，在工程周期的规划设计阶段只需使用当地的三维地形数据或简易的模型数据，而不需过多关注电力设备的模型精度，而在工程运维阶段则需使用到精细化的三维模型数据。此外，变电站数据通常可达几十千兆字节[9]，往往会给计算资源造成较大的压力，在不同管理维度采用适合的尺度模型能大大提高计算机的运行效率，有效减少计算资源的浪费。因此采取尺度相关的数据建模方法在输变电工程三维模型数据管理中是非常有必要的。

目前已有许多三维空间数据多尺度表达方面的研究。文献[10]参照城市地理标记语言(city geography markup language，CityGML)标准规范进行了城市三维模型的多尺度不规则三角网(triangulated irregular network，TIN)构建；文献[11]采用符号化建模及建筑信息模型(building information modeling，BIM)等建模方式构建了不同细节层次的排水管网要素，并构建了层次细节(levels of details，LOD)为LOD0～LOD4层次的排水管网场景；文献[12]参照CityGML多细节层次分级标准构建了4个尺度级别的城市综合管廊空间数据模型，并研究各尺度工业基础类标准(industry foundation classes, IFC)模型与CityGML模型之间的映射规则。在电力领域，文献[13]设计并构建了输电网络的多尺度空间数据模型，研究了传统三维模型到地理信息系统(geographic information system，GIS)三维模型的集成可视化应用；文献[14]把输电设备模型划分成4个LOD等级，提出各级模型的塌陷方法，提高了模型的加载效率；文献[15]总结归纳了国家电网输变电工程设计规范中电网三维模型3种不同尺度模型的定义及应用阶段。上述文献研究了空间数据的多种多尺度表达方法，但是较少具体从各尺度应用需求出发来构建空间数据模型。现将输电线路和变电站作为一个整体进行考虑，从工程应用需求的角度出发，提出输变电工程的多尺度分级方法，并运用建模软件和GIS软件实现输变电工程LOD0～LOD3多尺度场景的构建，以期满足输变电工程的数据应用需求，为输变电工程的各个建设阶段提供借鉴。

1 输变电工程组成要素分析与多细节层次模型

1.1 输变电工程组成要素分析

输变电工程包括输电线路和变电站两部分，其结构复杂，涉及要素繁多。构建输变电工程的多细节层次模型，需要全面梳理输变电工程涉及的众多要素并梳理各要素的语义信息以及要素之间的关系[16]。如图1所示，输变电工程主要包含架空电力线路和变电站两大空间实体对象。

图1 输变电工程组成要素UML图Fig.1 UML diagram of components of power transmission and transformation engineering

架空电力线路是运送和分配电能的重要工具和通道，其利用杆塔支撑导线使之距地面有一定的高度。架空电力线路主要由杆塔、架空导线、杆塔基础、金具、绝缘子、拉线等设备聚合而成。输电杆塔按照其在线路上的作用可分为耐张杆塔、转角杆塔、直线杆塔等。金具是起连接作用的金属附件，分为支持金具、保护金具、拉线金具、连接金具等。拉线按其形式可分为普通拉线、弓形拉线、水平拉线、共同拉线等。

变电站接受输电线路输送过来的电能并对电压和电流进行变换，其组成结构较为复杂，主要由电气一次设备、二次设备、变电站建筑物和机电设施组成。电气一次设备是直接用于生产、输送、分配电能的高压电气设备，包括变压器、开关设备、断路器、组合电器(gas insulated switchgear，GIS/hybrid insulated switchgear，HGIS)、电抗器、避雷器、母线等，其中组合电器(GIS/HGIS)由断路器、开关设备、电流互感器、电压互感器、避雷器、母线等聚合而成。一次设备之间通过母线来连接。火灾报警系统、屏柜及装置、安防系统、自动化系统、蓄电池组等对一次设备进行监测、控制、调节、保护的低压电气设备组成变电站中的电气二次设备。电气一次设备和电气二次设备之间为关联关系。此外，除了变电站主接线涉及的各种电气设备之外，变电站建筑物和机电设施也是变电站的重要组成部分。建筑物包括建筑构件、结构构件以及辅助构件等，机电设施主要含给排水系统、强弱电系统和暖通系统等。

1.2 输变电工程多细节层次模型

在地理信息领域，尺度可以理解为空间细节层次，多尺度建模的关键问题在于如何对空间对象进行尺度划分[10]。空间数据的多尺度性与对空间数据的认知层次有关，输变电工程的不同阶段即对应了对输变电工程空间数据模型的不同认知层次。从输变电工程在规划、设计、施工、运营4个阶段的应用管理需求出发，依次构建输变电工程LOD0～LOD3共4个层级的空间数据模型。但在实际建模过程中往往会因为在一个工程阶段用到多种尺度数据从而导致模型信息交叉，因此为避免数据模型冗余以及尺度分级模糊，在对输变电工程空间对象进行尺度划分时，几何细度和属性细度均应遵循由粗到细的原则。具体的尺度划分方法如下。

LOD0级别主要应用于输变电工程的规划阶段，用以辅助规划输变电工程。在规划阶段主要关注工程的整体分布情况，具体内容主要有杆塔位置确定、输电线路走向、变电站选址等。此外输变电工程的实际规划要基于该区域对应的真实地形，传统的电力选线采用二维的小比例地形图，但二维地形图不够直观且图中信息不具现势性，影响了电力选线工作的效率。随着三维技术的发展，三维地形可给予有效的辅助作用，如坡度坡向分析、通视分析、等值线分析等三维分析操作，可有效地提高输电线路选线效率以及便于变电站选址。在LOD0层次，将输电杆塔、输电线路和变电站分别抽象为点、线、面要素，根据初步规划结果构建相应的矢量数据，将三维地形叠加矢量数据集，以此作为输变电工程三维模型的最粗尺度。

LOD1级别主要应用于输变电工程的初步设计阶段。在对输变电工程完成整体规划之后，变电站、杆塔等空间位置已经初步确定，接下来考虑的是变电站内建筑物和大型电气设备的初步设计。如何优化电力设备之间的联系及布局，使变电站的整体性更强，空间利用率更高是设计阶段的重点内容[17]。因此在LOD1级别主要表达一次电气设备和变电站内的主要建筑物。由于是处于初步设计阶段，只需设计好电气设备和建筑物的最大占位分布，因此在该尺度级别下参考CityGML定义下LOD1层次的表达方式，用较粗尺度的块状体或参数化的图形符号对各类电力设备和变电站建筑物的三维轮廓进行描述，以满足初步设计的应用需求。此外，在该层级下根据线路选线规划的结果可初步确定线路走向从而确定杆塔朝向。

LOD2级别主要应用于输变电工程的施工建造阶段或者施工图设计阶段。多尺度建模方法围绕工程周期应用需求，是面向流程设计的正向建模，施工图设计阶段构建的模型即用于辅助指导施工建造。在完成初步设计之后，接下来要对一次设备和变电站建筑物进行精化设计以达到辅助施工的要求，在初步设计的基础上体现具体的安装、接口等信息，构建重要的室内建筑结构，该级别中表达的空间对象应具有清晰的外部细节。

LOD3级别主要应用于输变电工程的运营维护阶段。该级别在LOD2的基础上添加二次设备，如室内屏柜及装置、蓄电池组等；对大型电气设备的建模达到部件级，如变压器的重要部件套管、油枕、绕组、接线端子板等应达到精细建模的标准；同时完善各设备及部件的属性信息为运维阶段提供数据支撑。此外，一次设备和二次设备之间的连接关系以及它们与建筑物的穿越关系本应在LOD2层级进行表达以便更好地辅助施工建造，为避免数据冗余和使尺度分级逻辑更加清晰，将其置于LOD3层级表达。

输变电工程三维模型尺度分级的基本准则如表1所示，实际工程应用中可进一步根据实际需求进行迭代分析，获得最终的数据对象分级组织和可视化方案。

表1 需求驱动的输变电工程数据模型尺度划分Table 1 Demand-driven power transmission and transformation engineering data model scale division

2 输变电工程多尺度场景建模

为验证上述输变电工程的多尺度分级方法，对输变电工程场景进行多尺度建模，实现多尺度输变电工程场景的可视化表达。分别采用符号化建模和基于面向对象思想的数字化建模方式完成输电杆塔和变电站模型的构建，进而将电力设备三维模型和三维虚拟地理环境在SuperMap中无缝集成，实现完整的输变电工程场景的构建。

2.1 输电杆塔多尺度符号化建模

为实现多尺度场景的可视化表达，将SketchUp中构建好的模型导出为.FBX格式的模型文件，并在3DS Max中构建LOD1～LOD3三个层次的杆塔模型。按照以下方法构建不同层次的杆塔模型：根据杆塔的计算机辅助设计(computer aided design，CAD)图纸构建最细层次的输电杆塔模型，并赋予真实的纹理材质，以此作为LOD3级别的杆塔模型；LOD2级别的模型具有详细的几何表达，且该层次模型不赋予纹理贴图；在3DS Max中使用Multires命令降低LOD2模型的顶点百分比以此作为LOD1级别的模型，设置顶点百分比的原则是模型降精度处理后能保持基本的形状结构。LOD1～LOD3层次的杆塔效果如图2所示。

图2 LOD1～LOD3层次杆塔Fig.2 LOD1～LOD3 level tower

杆塔模型构建完成之后需导入SuperMap中构建杆塔三维模型符号库。首先采用插件将在3DS Max中构建的模型导出为.SGM格式的模型；然后在SuperMap点资源符号库中导入.SGM格式的模型并依次构建LOD1～LOD3级别的杆塔模型符号库；最后将不同LOD层次的杆塔模型符号导出为.SYM格式的杆塔模型专用符号总库，后期可快速加载和重复使用。如图3所示为构建的220KV输电线路三维杆塔模型符号库。

图3 输电杆塔模型符号库Fig.3 Model symbol library of transmission tower

2.2 基于面向对象的变电站多尺度建模

变电站模型不仅有房屋建筑而且包括复杂的电力设施，导致其建模难度更高。为处理GIS中复杂的三维对象，Shi等[18]提出了面向对象的三维数据模型，证明了该模型在提高可视化速度方面的有效性，且郭磊等[19]已将其应用在电力设施三维建模领域。因此，基于面向对象的思想来设计构建某地220 kV变电站LOD1～LOD3层级的三维模型。

因任意复杂的三维体对象都可以由若干的简单几何体对象聚合而成，由此将复杂的电力设备拆分成若干部件，而部件又是由若干基本体元通过几何变换和布尔运算等操作构建而成。以变压器设备为例，其可细分为本体、套管、油枕、安装底座、绕组、邮箱、接线端子板等部件，不同的部件可进一步细化为不同的基本几何体，如长方体、球体、圆柱体、锥体等，且在建模过程中一个部件往往对应着多个基本几何体。如图4为基于面向对象思想的设备建模层级结构。

图4 基于面向对象思想的设备建模层级Fig.4 Object-oriented equipment model hierarchy

根据电力设备及变电站建筑设计图纸在3DS Max中构建变电站三维模型，构建电力设备常用的建模方法有挤出建模、布尔建模、车削建模、放样建模等。完成各个部件模型的构建之后，通过旋转、平移命令根据设备图纸进行拼接，将各个部件构成组，构建完整的电力设备单体模型，并将各单体模型汇集整理成模型库以便于在其他变电站数字化建模工程中直接调用。构建完成的变电站模型采用SuperMap提供的插件导出为GIS数据模型，以便导入GIS软件中进行集成分析。

2.3 输变电工程模型多尺度集成可视化

为构建完整的输变电工程多尺度场景，在SuperMap软件中对输电杆塔和变电站模型与三维地形环境进行集成可视化。输变电工程多尺度场景建模流程如图5所示，主要有3个部分：将工程区域的数字高程模型和对应的影像数据通过纹理映射生成真实的三维地形环境；将变电站GIS数据集导入SuperMap中，将相应尺度的输电杆塔模型通过符号匹配快速加载；通过调整输电杆塔和变电站模型的空间坐标实现与三维地形的无缝集成，构建完整的多尺度输变电工程场景。

图5 输变电工程多尺度场景建模流程Fig.5 Multi-scale scene modeling process of power transmission and transformation engineering

采用的高程数据是中国科学院地理空间数据云发布的30 m数字高程模型(digital elevation model，DEM)数据。将DEM数据导入SuperMap中，建立影像金字塔以便于地形场景的快速渲染，同时导入对应工程区域的影像图完成三维虚拟地形环境的构建。在实际应用中可根据工程需求采用更高精度的数字高程模型和高分辨率影像图，以保证工程规划设计具有高精度的地形数据支撑。

在LOD0层级，输电杆塔、输电线路和变电站分别抽象为点、线、面要素，设计制作二维点、线、面矢量数据集来表示杆塔分布、输电线路走向以及变电站的规划地址，将数据集的坐标系均设置为球体坐标系，并将数据集叠加至三维地形表面[图6(a)]，以此来辅助输变电工程的规划设计工作。在LOD1～LOD3层次，对输电杆塔采用符号化建模的方式，在不同的层次中分别匹配杆塔模型符号库中对应尺度的杆塔符号，并且通过扩充杆塔矢量数据的属性字段，包括模型符号ID、模型沿X、Y、Z轴旋转角度、缩放比例，来匹配不同LOD层次的杆塔模型符号以及控制杆塔的朝向和缩放比例。

此外，在LOD1～LOD3场景中分别导入对应尺度的变电站模型数据集以构建完整的输变电工程场景。在LOD1层次，构建块状模型来表达变电站一次设备和建筑物的最大占位分布[图6(b)]，同时给各块状物体赋予属性信息；在LOD2层次，主要对电气一次设备和建筑物精细建模，并给模型赋予纹理贴图[图6(c)]，变电站设备的大小、安装信息可直接从模型中测量；在LOD3层次，该层次在LOD2的基础上添加二次设备，电气设备之间以及设备与建筑物之间通过母线连接[图6(d)]，并在该层次中完善各设备构件的属性信息，以满足运维阶段的应用需求。最后，通过坐标定位将变电站模型与输电杆塔匹配连接，并通过调整变电站和杆塔模型的高程坐标实现与三维地形的无缝集成，至此完成整个输变电工程的多尺度场景构建。