基于三维可视化的GIS局放在线监测系统应用

海南电网海南输变电检修分公司 李晓洋 梁盛乐 杨杰

1 引言

GIS（Gas Insulated Switchgear）是一种气体绝缘全封闭组合开关电器，局部放电是导致GIS设备绝缘劣化的主要原因之一，同时也是描述GIS绝缘老化的重要特征。GIS局部放电在线监测系统是运用特高频、超声传感器技术实时监测GIS内部的局放信号，通过后台的数据分析软件和智能诊断系统，对局放信号进行分析和处理，评估GIS的绝缘状态，判断缺陷类型和缺陷的大致位置，并给出维护建议。

随着三维建模等技术的发展和应用，三维可视化技术以其直观可交互性及空间分析的可行性逐渐成为运营监控、运维检修等业务部门关注的新热点。本文着重研究对比了不同三维建模技术的优缺点，研究选择了适合变电站GIS局放在线监测系统的快速建模方法，开发了GIS在线监测系统的三维可视化功能，实现了GIS局放监测信息、异常告警信息在三维场景中的融合展示，并具有内部结构透视功能，有助于专家诊断定位局放类型。

2 三维建模技术对比

三维建模是信息化平台实现三维可视化展示效果的关键技术之一。目前主流的三维建模方法有软件建模、倾斜摄影建模和激光扫描建模三种，下面对几种三维建模技术进行分析和对比。

2.1 软件建模

依据变电站数码图片、设计图纸和厂家设备图纸，利用AutoCAD、3dMax、Maya等专业建模软件，按照一定比例采用立方体、圆柱体、圆锥体、圆环等建立变电站各种电气设备的三维模型，然后设置模型贴图与材质，拼接电气设备模型完成变电站三维场景建模，该建模方法获取的模型主要有三种：线框模型、表面模型与实体模型。

传统的三维建模方法无法保证三维模型的尺寸、位置关系等符合真实场景，存在建模过程耗时长、操作复杂、效率低或者建模方法对环境要求过高等缺陷，尤其对于变电站这种复杂场景，无法满足对大型复杂环境三维建模精度和效率的要求。此方式适合小范围或针对部分设备进行建模。

2.2 倾斜摄影建模

倾斜影像是指由一定倾斜角度的航摄相机所获取的影像。倾斜摄影技术是国际测绘遥感领域近年发展起来的一项高新技术，通过在同一飞行平台上搭载多台传感器，同时从垂直、倾斜等不同的角度采集影像，获取地面物体更为完整准确的信息。

常用的倾斜摄影技术主要有三相机和五相机组合，目前主流方案采用五相机(也有少数采用双相机或单相机的方案，但通常以采集效率降低为代价)。在一般倾斜摄影的五相机方案中，一台获取垂直影像，另外四台从前后左右四个方向同时获取地物的侧视影像。相机倾斜角度在40度到60度之间，因此可以较为完整的获取地物侧面的轮廓和纹理信息。倾斜摄影系统可以搭载在有人飞机或无人机上，快速获取地物三维模型且成像效果好，是大场景三维建模重要选择之一。

倾斜摄影可以获取具有真实纹理的三维数据，适合做大范围的城市三维建模、输电线路通道建模和一些对精度要求稍低的三维工程测量应用。由于倾斜摄影技术采用可见光测量，对天气要求较高，并对植被下的地形、细小物体（电塔、电力线）等建模能力不足。

2.3 激光扫描建模

激光扫描建模是利用激光雷达设备完整保存记录对象信息的点云数据，并用于精细三维建模的方式。

激光雷达（LiDAR）是一种集激光扫描与定位定姿系统于一身的测量装备，可以高度准确的定位激光束打在物体上的光斑。LiDAR系统包括激光器和一个接收系统。激光器产生并发射一束光脉冲，打在物体上并反射回来，最终被接收器接收；接收器准确的测量光脉冲从发射到被反射回的传播时间，根据光速计算出传播时间，再转化为对距离的测量。结合激光器的高度、扫描的角度就可以准确的计算出每一个地面光斑的单位坐标。激光雷达有机载、车载、地面固定站和手持等适合不同应用场景的设备类型。

激光雷达具有穿透植被的能力，可以测量植被覆盖的地形。同时，激光雷达获取的高精度点云数据测量精度很高，适合做高精度的地形测量和工程勘测、输电线路及通道三维测量与建模。激光雷达目前仍存在设备较昂贵的问题。

利用地面激光雷达扫描变电站，获取密集的三维点云数据，将变电站点云数据与CCD相机采集的现场图片进行融合后得到彩色点云数据，其包含物体的尺寸、结构、材质等信息，使三维点云数据的场景具有较强真实感，为变电站点云数据的分类提供了有效依据，并可提高变电站三维建模的效率和准确性。

2.4 对比小结

对软件建模、倾斜摄影建模、激光扫描建模的对比分析如表1所示。

表1 不同三维可视化建模方法对比

3 GIS局放在线监测系统架构

GIS局放在线监测系统组成包括局部放电信号接收传感器、就地采集单元、综合监测主机和主站状态监测诊断平台。系统架构图如图1所示。

该系统中，局部放电信号接收传感器为无源传感器，支持特高频传感器、超声传感器两种，且特高频传感器根据GIS结构可选择设置外置型和内置型两种类型。就地采集单元用于对多路传感器输出信号进行调理、采集、数字化，每个传感器输出信号采用独立采样通道，并具备同步采集控制功能，每个采集单元的采集通道最大可扩展至10通道。

综合监测主机每座变电站配置1台，具备GIS局放数据预处理与参数调节控制等功能，并用于将全站的GIS局放监测数据汇总上传至主站状态监测诊断平台。主站状态监测诊断平台提供多个变电站的GIS局放监测数据接入、诊断分析和可视化展示等功能，根据需要主站状态监测诊断平台能够实时显示每个监测点的PRPS三维谱图、PRPD累计谱图，显示每个监测点局部放电信号的幅值（最大放电量、平均放电量）的历史趋势图，并能够根据监测数据准确判断GIS内部自由金属颗粒放电、悬浮电位放电、沿面放电、绝缘件裂痕及内部气隙放电、金属尖端等典型放电类型，并用统计的方式明确给出各种放电类型发生的概率，放电类型识别准确率不低于80%。

图1 GIS局放在线监测系统总体架构

4 三维可视化监测诊断平台

4.1 平台架构

基于三维可视化的GIS局放在线监测诊断平台采用开放式可扩展的架构设计，系统架构按照数据层、服务层、应用层三层基本架构设计，如图2所示。

应用层提供可视化的操作界面，包含信息查询、数据展示、监测报警、结构透视、系统登录、系统配置等界面功能。应用层的设备状态监测功能包含检测数据查看分析、设备状态横纵向对比分析、监测设备管理与配置操作页面以及三维可视化的相关功能等。

图2 三维可视化监测诊断平台架构

数据层以服务的方式独立部署，采用标准模型库，使用数据的读写分离设计，使数据访问层能够持续提供高效、稳定的服务。基于可扩展数据层，设计统一数据模型，建立设备档案、在线监测数据、预警信息等组成的业务数据库和三维建模数据形成的三维模型库，根据数据访问服务开发规则，开发适合业务需要的数据访问服务，供服务层的高级微服务提供数据访问基础。

服务层为微服务架构，具备颗粒微型化、责任单一化、运行隔离化、管理自动化等特点。使用Spring Cloud技术框架，在服务层开发高级微服务，并进行服务注册。系统实现包括设备状态信息穿透可视化、综合统计分析、感知层管理与配置、监测设备管理与配置、基于深度学习的局放类型诊断等高级微服务。

应用层提供可视化的操作界面，包含信息查询、数据展示、监测报警、结构透视、系统登录、系统配置等界面功能。应用层的设备状态监测功能包含检测数据查看分析、设备状态横纵向对比分析、监测设备管理与配置操作页面以及三维可视化的相关功能等。

4.2 功能实现与应用

4.2.1 全站三维场景引导漫游

通过三维建模技术和可视化渲染技术，构建变电站场景、设备的三维数字模型场景，包括变电站设备、安装的传感器及站内环境关键要素，如地面、天空、围墙、房屋、通道、消防设施、标识等，真实反映变电站设施设备细节和特征、空间关系，实现三维场景浏览、引导漫游及相关操作功能，可以360度任意三维互操作，呈现出真实场景，让管理人员和技术人员直观的了解变电站设施设备的具体情况。构建的变电站GIS室三维场景如图3所示。

图3 变电站GIS室三维场景效果图

场景浏览及引导漫游提供两种快捷定位导航方式，一种是文本定位导航，通过点击页面左侧目的地清单里的目的地可快速定位至相应地点；二是图片定位导航，通过点击典型的场景缩略图可快速定位至目的地位置。

4.2.2 监测数据融合展示

三维可视化的GIS局放监测诊断平台的重要功能是实现局放监测数据与报警信息在三维场景中的融合展示，这是相比于传统二维展示界面的特色所在，能够让监控人员更加直观的了解设备运行状态和详细信息。

三维场景中可融合展示的数据包括设备属性信息、传感器属性信息、传感器的实时监测数据、历史数据、监测诊断告警信息、设备运行状态、实时天气信息等。部分信息已直接融合于三维场景展示画面中，还有一部分详情信息需要点击三维场景中设置的兴趣点可打开会话窗来获取相关信息。

GIS局放在线监测的三维可视化界面中融合展示了传感器状态、设备状态、报警信息等，设备状态包括设备是否带电、有无故障、设备检修状态等。有报警发生时，在三维场景中和列表里同时高亮显示报警数据，点击列表中报警数据，自动定位到场景中报警设备位置；根据报警等级不同，使用不同的颜色表示报警状态。可视化效果如图4所示。

图4 设备状态三维可视化效果图

在三维场景中，点击传感器兴趣点可弹窗显示传感器相关信息，包含传感器台账信息、监测图谱信息（如图5所示）、趋势分析图、报警信息等；点击间隔设备元件，在弹出的信息框中关联显示该元件的相关信息；其他设备信息显示设备台账。

图5 局放监测图谱三维可视化效果

4.2.3 关键设备内部结构透视

通过对关键设备的组成部件单独建模，构建关键设备内部结构模型，通过部件的空间关系和拆装顺序，能够在三维场景中模拟操作设备的拆装，让用户可以快速、直观查看设备内部结构，有助于专家用户在出现局放数据异常情况下结合设备内部结构进行局放类型诊断分析。

如图6所示，在设备详情会话窗，点击“设备拆分”和“一键还原”按钮可实现对设备的拆分与组装；点击拆分后的设备元件，可查看当前选中元件的名称。

图6 关键设备内部结构透视效果图

4.2.4 平台上线应用

经开发调试和优化，基于三维可视化的GIS局放在线监测系统已应用于南网某变电站，监测诊断平台已部署上线使用，并连续稳定运行7个多月。监测诊断平台的数据刷新频率为5分钟一次，三维场景可视化结果同步刷新，满足GIS局放在线监测的要求。

5 结束语

本文对比分析了当前主流三维建模技术的优缺点，并在此基础上选择激光扫描建模方式构建变电站三维场景建模，提出了基于三维可视化的GIS局放在线监测系统及诊断平台的架构设计，开发实现了GIS局放在线监测诊断平台的三维可视化功能，并将该系统应用于某变电站，该系统已连续稳定运行7个多月，其性能满足GIS局放在线监测的要求并大大改善了后台监控用户的视觉体验。