基于三维电网模型的运检管控应用

方润 王奕 温晋玲

（1.上海欣能信息科技发展有限公司 2.国网上海市电力公司）

基于三维电网模型的运检管控应用

方润1王奕2温晋玲1

（1.上海欣能信息科技发展有限公司 2.国网上海市电力公司）

随着经济的高速发展，社会用电需求迅速增长，电网设备的数量和规模变得越来越庞大。借助先进的计算机技术，对电网设备进行可视化管理成为一种趋势。本文介绍了电网运检管理的发展现状，对电网的主要设备进行了三维建模，并详细描述了电网三维模型在电网管控中的应用实例，最后对基于三维模型的运检管控系统的应用现状进行了总结与展望。

三维电网模型；运检管理；智能运检

0 引言

近年来，以互联网技术为核心、以德国“工业4.0”和美国“工业互联网”为代表的新一轮科技变革正在深刻影响传统产业发展。我国于2015年7月提出包含智慧能源在内的11项“互联网+”行动计划，并将行动计划上升至国家战略层面。国家电网公司顺应潮流，从2015年下半年起大力推进 “互联网+”与运维检修等公司核心业务深度融合，大力提倡并发展智能运检的理念，通过基于三维技术的智能管控平台对智能运检业务的开展付诸实践活动。

1 运检管理发展现状

随着电网规模的不断扩大，电网设备数量与电网检修人员数量的配置比在逐步扩大，电网规模增长与运检人员配置的矛盾日益突出；特高压骨干网的快速发展，“强直弱交”的电网结构给安全运行带来巨大压力。输电线路跨越高速铁路、高速公路、重要线路等事关公共安全和电网安全大计，在特高压长距离输电通道沿途，雷电、覆冰、大风、山火、泥石流等自然灾害和外力破坏引发大面积停电的风险因素将长期存在；设备状态感知仍以停电检修、离线试验为主；在线监测、带电检测、机器人、无人机等先进手段及数据利用率不高。

针对这些现状，积极探索智能运检技术，提升人员素质，提高技术水平，抓住“互联网+”的时代机遇，是电网运检专业发展的必由之路。将三维技术、虚拟现实及计算机信息集成技术应用到电网运检业务中，对电网设备，包括变电站、输电走廊及地下电缆管网等进行三维扫描建模；通过集成现有的生产管理系统、调度管理系统、运维监控系统，并且引进气象数值，接入雷、冰、风、火等专业系统数据，实现环境预警数据、立体巡检数据、不停电检测数据、设备评价大数据的深度融合分析；提高运检效益，保障电网设备安全运行成为了运检业务的主流发展方向。

2 三维电网模型技术

2.1 电网设备建模需求

电网系统主要由输电设备、变电设备及配电设备组成，输变配为一个不可分割的整体。针对电网系统的建模，首先覆盖范围要全面，不仅要覆盖输变配三大类电网设备，而且也要覆盖到电网设备的通道环境。其次设备的建模需要有针对性，三大类设备及其通道有其共有的相同属性，也分别有个性化的建模需求，在建模时需要分别进行考虑。

基于三维技术的电网建模需要考虑如下共性的基本需求。首先要具备设备的可视化展示功能，包括变电站及站内设备、输电走廊、地下管线等电网设备；要具备设备的全景展示功能，对电网构架、潮流进行实时展示；要具备电网检测预警信息展示功能，实时展示设备运行状态的预警信息。其次要对通道进行可视化展示，主要是输电通道和电缆通道，能够展示通道图像/视频、隧道井盖监控、隧道环境监测、振动、防火监测、通道形变、海缆通道、通道内氧气含量、有毒气体含量、照明、水位等环境监控等信息，同时具备信息的三维GIS同步展示功能。

2.2 变电站内部建模

目前，现有的电力生产管理系统对变电站设备管理停留在基于GIS的平面图形管理层面，只能通过平面图形方式对电站及站内设备进行图形绘制与展示，能够显示设备之间的逻辑路由关系，但是不能展示设备物理布局情况。对电站的实时监控，则以摄像机监视为主，一方面清晰度不高，不能对站内所有设备细节进行呈现，另一方面对视频监控系统的依赖度过高[1]。

随着三维技术的发展，应用三维技术对变电站及内部设备进行建模成为了可能。通过三维技术对电站及站内设备进行建模，将电站及站内设备的逻辑拓扑关系信息、站内设备的基本技术参数信息、站内设备运行参数、地理空间信息、周边自然环境信息、站内设备基本参数进行了集成。针对具体的电站及设备，能够查看其设备台帐信息、设备照片信息、设备缺陷记录、巡视检修记录及设备的实时运行状态。采用三维效果展示电站及站内设备的外貌及设备布置情况。变电站之间及站内设备间采用箭头流动方式对电流的潮流及投运情况进行展示。在客户端采用缓存技术，提高三维图形浏览的速度。对于运检人员来说，通过一套系统即可全方位地实现设备的管理与管控，提高了设备操作管理与设备分析控制的效率。

2.3 输电走廊

电力架空线路是目前普遍使用的输电线路之一。输电线路具有十分明显的地理特征，如输电线路的纵向、跨度、经过地区的自然状况（地形、地貌、地质、气候条件等）、线路跨越区情况等。总体来讲，架空输电线路的特点是呈带状分布[2]，沿线有树木、建筑物等设备，这些树木、建筑物对线路的安全运行来说是极大的隐患。目前线路的巡视、监控等还停留在以人工作业为主，监控系统为辅的阶段，作业效率低下，作业成本很高。通过人工对线路进行维护已经是一件不易的事情，对建筑物、树木数据采集测量与管理更是非常困难。因此对输电线路及周边树木、建筑物进行三维管控也是近年来一个热点话题。

基于此，以GIS为基础平台，结合三维技术及可视化技术，对架空走廊进行三维建模，将架空线路及其设备、沿途建筑物及树木的基础信息与空间信息相结合，实现了架空输电走廊的三维信息管理与监控。通过该三维模型，能够浏览输电线路的真实走向，能够对线路设备的运行情况、沿途树木等进行监控。通过阈值设定，当运行数据或者树木生长情况异常或者对线路运行有影响时，能够提醒线路运行人员及时进行线路巡视、检修及隐患排查。对架空走廊的地理信息、空间信息及其他技术参数进行集成管理与展示，实现输电走廊的科学的信息化管理，为线路的安全运行提供了强有力的技术支撑。

2.4 地下管网

随着城市现代化进程的推进，城市电网基础设施逐步从地上转入地下进行建设，从以往以架空线路为主转变为以地下电缆线路为主。随着电网规模的扩大，地下电缆线路的数量逐年增加，结构也愈加复杂。且因其自身的特殊性，导致管理者对地下管线设备的进行空间排列与分布问题时困难重重[3]。提高管线运维管理技术手段，提升地下管线信息化水平，实现对地下管线的可视化管理成了一个必然的需求和发展趋势。

通过对地下电缆、电缆段、电缆接头、电缆沟、管道、工井等地下设备进行三维建模，借助先进的传感器技术，实现对地下管线网络的实时监控与管理。通过与GIS结合，与现有电缆资源管理系统进行数据共享，实现地下管线系统空间信息与基础信息的集成展示。通过批量导入三维测点数据的方式，结合必要的人工补充，能够精确定位地下设备的地理位置。同时，通过对地下管道的建模及必要的信息维护，能够直观地展示该管道中的线路信息。电缆设备主人可以直观监控电缆的运行状态，并且可以快速调取相关的信息，极大提高了地下管线的管理水平。

3 三维模型在电网管控中的应用

基于三维电网设备模型的智能管控平台的建立，一方面提高了电网设备的可视化管理水平，另一方面通过与其他现有系统进行数据集成与数据共享，实现了各专业系统的互联互通及数据融合应用，促进运检工作信息化、智能化，提高运检工作效率，提升驾驭现代化大电网的能力。该智能管控平台，通过大数据分析，实现设备状态监测、状态评价、风险预警、故障研判等运行状态管控功能。

下面将介绍基于三维模型的智能管控平台的四种典型应用场景。

3.1 电网运行状态及预警信息的直观展示

基于三维技术的智能运检管控平台能够以三维方式展示电网的设备及电网运行状态，以动态箭头方式直观展示电网潮流方向。对于基层作业人员，可以通过系统实时监控设备的运行状态，保证设备的正常运行。

智能管控平台能够提供主要电网设备的预警信息。通过设置报警条件及报警阈值，当设备状态发生变化时，能够通过语音及弹出列表的方式提示并通知设备业主。设备业主收到预警信息后，通过管控平台调取相应的详细信息及报警原因，结合自身的实践经验，采取相应的处理。目前智能管控平台提供的预警信息主要有以下几类：输电状态监测信息；电缆状态监测信息；变电状态监测信息；电网气象实况监测信息；电网覆冰、山火、舞动、大风、雷电等监测及预警信息。

对于电网管理人员，基于三维的智能管控平台能够提供全网信息统计，能够对电网设备台帐、运行状态（运行、冷备用、热备用、检修）、状态评价（正常、注意、异常、严重）、设备故障、缺陷等信息进行多维度统计；管控平台可以展示电网系统构架历史变化情况。按时间轴在电子地图、电气主接线图上展示不同历史时期的电网系统构架，为运检管理人员制定检修计划及电网规划提供了决策依据。

3.2 现场作业预判分析

电网的可靠运行事关所有用电的千家万户，但是随着电网规模的扩大，电网设备的正常检修及故障处理还是无法彻底避免。电网设备的现场作业，首先要考虑的就是人员的安全问题。为了保障现场作业人员的人身安全，除了按照标准的作业规范进行作业外，如果能够进行可视化操作，那么安全系数就会大大提高。基于三维技术的智能管控系统正好满足了此项需求。

三维立体设备建模，能够完全模拟设备的结构及运行状态，能够按照设备构造分部件调试设备的运行情况。在现场作业前，作业人员可以通过系统浏览查看设备的构造及检修部位相关信息，制定合适的作业指导书。在现场作业过程中，通过设备三维图示的辅助信息，能够快速、高效地完成设备的检修作业。设备检修结果后，填写检修的详细过程及检修结果，为下一次的设备检修提供参考信息。

3.3 故障定位分析及修复

当电网发生故障时，首先是对用户的正常用电造成影响而引起用户报修。电力维修人员收到故障报修后，迅速判断故障地点并隔离故障区域，及时转移负荷，恢复供电，是电网正常运行最重要的功能之一。它对保证用户供电可靠性、提高供电质量具有重要意义。

基于三维技术的智能管控平台，建立了基于GIS的电网络模型，并在此基础上实现电网的网络分析功能，主要有：电源点追溯、供电/停电范围分析、缓冲区分析以及刀闸模拟操作等。为以后进行故障定位分析和抢修流程管理提供了良好的基础。

当电网故障发生时，通过网络分析功能快速进行故障点定位，并通过模拟操作确定影响范围。通过分析备品备件储备情况、抢修装备配置、抢修人员与应急车辆情况，结合应急预案库，针对故障类型、故障情况、故障点分布、交通状况、天气情况等提出抢修内容、抢修方式、抢修资源需求、最优抢修路径等的建议。然后分配抢修班组进行作业派发，完成抢修任务。在抢修过程中，可以对抢修车辆、抢修人员进行实时定位。抢修完成后，及时更新抢修单的信息并同步展示至图形页面。

3.4 其他应用

除此之外，基于三维技术的运检管控平台可以快速直观地了解高压输电线路的走向情况。输电线路距离长，通道的地理环境复杂，通过该系统打破了线路巡视人员的视野局限，能够对输电线路、电网建设区域进行航行浏览，自定义巡视路线，把握输电区域的总体情况，大幅度减少了运行人员户外巡视的作业量。

管控系统实现二/三维地理信息、输变电设备精细化三维模型、高清视频监控、无人机和机器人巡视画面等的无缝融合，能够真实展现现场场景，便于查看设备细节及周边环境。

基于三维技术的智能运检管控平台集成了输、变电力设备的监控、自动化信息，将监控、自动化等信息在平台上集中展示将这些分散的信息有机地组织在一起。当有自然灾害发生时，在应急指挥过程中，指挥人员能够了解、查看各方面的信息，方便了应急指挥领导小组对信息的查阅和使用，便于决策。

4 结束语

目前基于三维技术的电网运检智能化分析管控系统已成功上线，系统实现了二维、三维GIS的深度融合应用，引进气象数值预报，融合接入雷、冰、风、火等专业系统数据实现分层预警；系统实现了运检工作“看得见、摸得着、管得透”，有效降低了设备风险，保障了人身安全，大幅提升了设备运行水平，保障了安全、可靠供电，具有深远的社会效益。

[1] 胡常胜，黄昊，黄晓婧，等． 基于WebGIS的三维全景变电站远程监控系统设计与应用[J]．科技创新导报，2016，11（3）：6-7．

[2] 殷万玲，胡庆武．基于SMART的三维电网走廊高程平滑方法[J]． 南方电网技术， 2013，7（6）：118-121．

[3] 陈晓．基于三维 BC： 地下电力管线管理系统设计和实现研究[J]． 自动化与仪器仪表，2017（3）：69-73．