配电网三维虚拟可视化平台的研究与应用

完整，缪伟，卫志农，唐利锋，邓鹏

(1.芜湖市供电公司，安徽芜湖241000；2.河海大学能源与电气学院，江苏南京210098)

配电网是连接输电系统与用户的重要环节。近年来，随着全国农村配电网升级改造的推进以及城市配电网的发展，配电系统愈发庞大而复杂。同时，由于缺乏系统所处地理特征、网架结构、电力设备属性等信息之间的相互联系分析以及直观的虚拟呈现，给电力部门在实际工作中，开展电力资源设备运行管理、电网的合理升级规划以及电力线路巡检等工作带来一定的困难[1-6]。随着计算机软、硬件技术的发展与普及，操作可视化以及数据共享是当前电力系统发展趋势与追求的目标[7]。

配电网的可视化是对现实设备的虚拟展现，其研究也逐步从传统的二维发展到三维立体模拟。利用虚拟现实技术(Virtual-Reality，VR)[8]实现配电系统的管理与设计成为了“数字电力”的发展方向。虚拟现实技术是近十多年来发展起来的高新技术，涉及计算机图形学、人机交互技术、传感技术、人工智能等领域，是仿真技术的高级发展与突破，可实现在虚拟环境中的信息交互和控制功能。虚拟现实技术的应用可以帮助工程技术人员、管理决策人员在虚拟环境中对所管理的系统进行观察、设计、修改、决策、调度或重组，提高工作效率与效益[9]。

随着计算机技术、虚拟现实技术和大规模存储技术的发展，三维可视化技术已经逐步应用于电力系统，在变电站仿真培训、电力器件的模拟操作与电力人员技能考核等方面发挥了极大的作用[10-12]。随着配电网的信息化与智能化，三维虚拟可视技术在配电系统中的应用是一个新的且充满前景的研究课题。

本文首先分析了建模的数据来源和实施方案，由此利用三维虚拟可视技术搭建了配电网三维可视化平台。讨论了该平台对配电网规划、配电信息管理及其他一些高级应用的数据支持及影响，并通过对某一实际配电网规划方案的分析，显示了该系统能有效地提高电力部门电网规划效率，降低规划成本。

1 配电网三维虚拟建模

配电设施具有明显的地理特征，特别在一些以农网为主要形式的地区，在进行农网改城网的升级规划中，迫切需要对线路的走向、跨度，杆塔，变电所的位置，线路所经地形等与地理要素密切相关的信息进行科学有效的管理。目前应用于电力系统的三维GIS与传统的二维GIS相比，具有极大的优越性，它能虚拟真实场景，真实反映线路、杆塔等电力设备周围的地形地貌，为线路巡检、设备维护人员提供一个真实的功能环境信息[13-14]。本文探讨了配电网三维可视化建模方法，通过Google SketchUp实现对配电网的组件化建模，并应用于芜湖市供电公司，取得了较为满意的效果。

Google Sketch Up是Google公司专门用于三维建模的一款软件，有着很强的实景仿真功能。它面向设计过程，简单易用，完全避免了其他设计软件的复杂性；提供了纹理和材质设计工具，增强模型的真实感；能够免费利用Google Earth的地形和影响数据等。由于上述优势，Sketch Up被广泛应用于城市三维建模、校园环境建模、水坝单位立体建模等，取得了很好的效果[15-17]。

要建立真实的三维场景，需要准确的几何建模，对于配电系统而言，地形建模、建筑及配电设备建模是实现配电系统虚拟可视的关键。

1.1 地形建模

为了构造所研究区域的实际地表，营造逼真的三维可视化场景，需对地形进行建模。目前的方法有：1）引入已有的等高线，通过Sketch Up中的扩展工具栏——沙盒，创建平滑的地形；2）添加地表的数字高程模型（DEM）制作。DEM获取的方式主要有：利用现有地形图扫描数字化等高线，获取高程数据生成；通过数字测量系统或机载扫描仪系统直接扫描来获得；航空摄影与航天遥感[18]。

1.2 建筑物及配电设备建模

根据Google Earth中的二维矢量图层，定位所需建模的地物坐标。由于现有二维GIS中缺乏直接完整的第三维信息，其数据可采用三角测量、GPS测量等外业测量方法获得。值得指出的是，对于配电网供电走廊所处区域的一些地物或配电设备，例如树木、杆塔等，由于其外型基本一致，可将模型组件化，以便于调用、布局。并且，根据实际需要，可以对一些地标建筑建模时适当进行简化，例如使用规则几何体来加以描述，以降低文件大小，避免影响运行速度。

在建筑物与配电设备的三维立体初步成型后，为使模型更加逼真，很重要的工作即是进行纹理贴图。SketchUp提供的贴图功能主要有3种：普通贴图，包裹贴图，投影贴图。其纹理图片主要来源于：1）地物纹理照片和地面影像，并通过photoshop进行加工处理；2）采用SketchUp软件本身提供的纹理和材质设计工具。当采集建筑物或配电设备整体纹理出现困难时，通过局部使用真实纹理，其他位置采用软件自带的纹理和材质，也有不错的效果[19]。

利用上述方法，针对芜湖市某变电所构建的三维立体模型如图1所示。

图1 110 kV变电所的三维可视化图

1.3 构建流程

利用Google SketchUp平台进行配电网三维虚拟可视系统的构建，首先通过Google Earth来获取地形与影像数据，或者手工构建所研究区域的比例尺AUTOCAD地形图，并删除不必要的图层，仅保留已有配电线路、建筑物、道路及水系等图层；然后，通过Google SketchUp对配电设备以及其他地物进行三维建模；接着，再将数字高程模型整合到平台中；最后通过添加属性数据实现配电网三维可视化系统。其流程如图2所示。

图2 构建流程图

以芜湖市某110 kV变电所为例，CAD原图如图3所示。此变电所共有7条10 kV出线。采用本文所述方法对此110 kV变电所进行三维虚拟可视化后,结果见图4。需要指出的是，此图中一些地标性建筑用规则几何体对原对象予以了简化。

图3 110 kV变电所CAD出线图

图4 110 kV变电所三维可视化图

2 配电网三维虚拟可视化平台应用

2.1 配电网规划

配电网规划是配电系统研究领域中的重要环节，得到了专家学者的重视，发展出了一系列的规划方法[20-22]。目前配电网规划缺乏三维地理信息的支持，规划人员无法根据地形地貌等三维空间信息进行定性的分析。受地形坡度、土壤类型、水系分布、道路走向、房屋设施等地理条件的影响，不同配电走廊建设投资有所差别[23]。在城市扩建与发展的过程中，变电站及配电走廊征地难度越来越大，同时原材料的上涨，使得地理环境对配电网规划的影响越来越明显。因此，配电网规划工作有必要进一步研究环境因素所带来的额外成本。

建成的配电网三维虚拟可视化平台具有丰富的配电网数据以及地理信息，通过建立准确的配网模型，采用科学的方法可以实现配电网辅助规划设计。在变电站选址、配电线路走廊规划预留等方面可以发挥较大的作用。

2.2 配电信息管理

在新的环境下，电力线路要求交互性可视化的信息管理，主要依赖于手工的传统管理方式已经不能适应这一要求，而现有的基于二维地理信息系统的配电线路管理系统又因不能提供足够真实的可视化场景、完善的人机交互和缺乏一些重要的分析功能，难以更有效地提高配电网的管理水平。

由于传统的三维模型可视化工具，包括Sketch Up在内，一般没有相应的空间分析以及二维数据的联合分析功能，所以根据实际要求，可实现Sketch Up与Arc GIS的联合建模，充分利用Arc GIS强大的空间分析功能，实现相关高级GIS操作，包括属性表的查询、分析，空间位置的查询等等[24]。

2.3 其他高级应用

在上述联合建模的平台上，结合SCADA系统、MIS系统，还可以实现故障检修与隔离、配电网重构、线损分析与电压调整、调度操作票系统等[14]。

3 算例分析

以芜湖市某110 kV电压等级变电站为例，为适应该区域负荷的快速增长，对原有变电站进行了扩建，拟新出一回配电线路，并实现对原有线路的适量负荷转接，以分担原有负荷较重线路的供电压力。该新规划线路拟带负荷点58个，通过建成的三维可视化系统，规划人员获取了该区域预留的配电线路走廊、建筑物、道路、河流等坐标数据和相应高程数据，结合芜湖当地配电设施施工造价，就考虑规划区域实际三维地理信息和不考虑三维信息的规划方案，结果比较如表1所示。

表1 规划方案比较

从表中可以看到，当考虑地理信息时，实际规划的线路总长度要比不考虑地理信息时长约2.4 km,这是由于考虑到与地理环境相关的施工难度及与之相关的附加额外成本，配电线路对一些地理环境复杂地段采取迁绕方式敷设，这样虽然增加了线路总长度，但降低了相关建设难度，节约了与之相对应的额外建设成本。

4 结语

本文采用配电网三维可视化方法构建的系统可靠性高，适用范围广，具备地图和设备的采集和显示，三维展示配网设备运行状况，指导配网规划等功能；解决了目前二维GIS系统几何图形简单，标准形式不能真正反映线路、杆塔等电力设备设施周围的地形地貌，不能为巡视、操作及检修人员提供一个真实系统环境，无法直观地显示设备本身的结构和相互间的关联等问题。该系统让电力人员更加直观、形象地认识和理解地理和设备信息，展示出配电设备和线路走向的真实自然面貌，具有可视化程度高，交互性好和开放性强等特点，能配合电力部门实现可靠的配电信息管理，有效地提高配电部门的生产效率，降低配网规划成本。

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