输变电工程数字设计与信息管理一体化平台研究

王 法，崔 力，朱岚康

（国网浙江省电力公司 嘉兴供电公司，浙江 嘉兴 314033）

0 引 言

随着电网负荷不断增长，电网结构日益复杂，城市空间资源日趋紧张，在电网建设中，传统的勘察、规划、设计方式已经无法适应现在电网建设和发展的要求，信息资源共建共享不畅、勘察设计粗放等问题亟待解决。

根据国网数字化新基建战略内容，建立纵向贯穿规划、设计、施工、运行全生命周期，横向贯通网架信息、地理信息以及用户信息的一体化平台，提升电网数字化感知能力和智能化处理能力成为重要研究方向。因此，有必要融合构建地下、地表、地上三维空间信息，统筹优化城市可利用空间；同时，需要根据多元融合高弹性电网建设需要，匹配用户电力资源信息，建立电网-用户融合数据库，做到一张蓝图绘到底，提升规划设计的交互性，唤醒沉睡资源，并服务于电网建设运行的全过程。

1 以GIS 为基础的“电网一张图”

地理信息系统（Geographic Information System，GIS）基于数据库管理技术和计算机辅助设计技术，利用计算机进行地理信息的采集、存储、管理分析以及表达。随着云计算、大数据、物联网、人工智能、移动互联、三维可视化等新一代信息技术快速增长与渗透，传统的GIS 技术正在向网络化、智能化发展，人机交互手段也在不断进步，以GIS 为基础，融入电网设备、网架结构、规划设计等数据，能够做到四维时空信息可视化的“电网一张图”[1]。

目前，对于“电网一张图”的需求主要体现在拓扑融合和数据融合2 个方面。拓扑融合主要集中在静态数据，包括电网GIS 中的拓扑位置信息、电力生产管理系统（Production Management System，PMS）中的设备模型连接关系以及电网调度自动化系统（调控云）中的电网公共信息模型（Common Information Model，CIM）数据等[2]。数据融合主要来自发电管理系统、能量管理系统（Energy Management System，EMS）、分布式电源管理系统（Distributed Energy Resource Management System，DERMS）、用户信息系统以及BIM。数据包括输变电工程建设信息、一次能源管理的信息、变电站及线路电能监测与设备运行信息、电网设备台账信息、设备资产信息、设备缺陷/故障信息、设备检修信息、电网实时与历史运行数据、数据采集与监视控制系统（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）数据等带有时间标识的数据，以及企业外部相关信息。

2 电网数字设计与信息管理一体化平台架构

2.1 建设目标

项目依托嘉兴恒创电力设计研究院数智设计中心建设，立足于电力工程设计提质增效的需要，利用信息化可视化智能化技术，对电网工程的规划、勘察、设计、仿真、移交、共享等进行全过程数字化孵化管理，服务于基建、生产、营销等多领域的数字化全息电网建设，促进数据资源贯通共享，实现嘉兴城市电网过去、现在、未来的全时空、多维度仿真计算分析，有力支撑数字电网的建设[3]。

2.2 体系架构

电网数字设计与信息管理一体化平台部署环境由应用服务器、数据库服务器、多源数据接入设备构成，平台体系架构如图1 所示。数据库与设备间通过局域网高速网络互联，授权用户通过互联网或局域网访问平台功能和数据。

图1 体系架构

3 电网数字设计与信息管理一体化平台架构

本项目基于电力学、计算机图形学、GIS、机器学习、大数据、空间数据建模以及分析等理论方法与技术，开展城市电网数字设计与信息管理一体化平台关键技术研究[4]。总体技术原理如图2 所示。

图2 总体技术原理

3.1 多源空间数据建模与整合建库技术

3.1.1 多源空间数据的三维建模

研究地下、地表、地上多元空间数据的建模方法，包括：基于钻孔数据的三维地质体模型构建方法，研究特殊地质现象和复杂地质体建模的优化方法，设计实现虚拟钻孔柱、剖面获取、隧道漫游等算法；基于激光雷达、倾斜摄影等技术的输变电场景地面地物的建模方法；基于遥感影像的语义分割模型，实现端到端的地物分类以及重点目标识别与提取，实现对勘测场景的三维建模；采用道亨软件建立输变电设备三维模型，实现电网设备建模和属性定义[5]。

3.1.2 多源空间数据整合建库

研究地下、地表、地上空间实体集成的数据模型，结合嘉兴地质体、地质结构、地质现象和地质过程本身的特点，建立符合地质体空间特性的三维地质模型与地下设施的多模式表达及三维数据结构[6]。针对点云、遥感影像、倾斜摄影、地下廊道、设备模型及电网运行实时信息等多源异构数据，研发集成和无缝整合工具，构建用于数据管理、调度的标准化数据库，最终实现海量空间数据的快速加载和浏览。

3.2 智慧辅助规划研究

输变电线路智慧规划需要融合多源信息，考虑不同数据的特点，采用多因子关联分析法规划选线路径，建立与用户需求匹配的系统模型，研究输变电线路规划优化方法。

（1）建立系统资源与用户需求高效匹配的模型，融合用户信息和现有线路项目信息，基于用户需求和系统已有资源，通过算法和规则经验构建匹配模型，为后续的线路规划服务，满足高弹性电网的未来需求。

（2）研究输变电线路规划优化方法，基于基础地理信息、三维模型场景数据和电力设计业务数据等多源数据，在多因子关联分析法下，综合考虑物料运输、环境污染、建设成本、地形地貌特征等因素，实现交互式的可视线路规划，支持选站选线结果的实时展示与多方案的对比分析。

（3）通过将各部门、各类型电网数据进行清洗、格式转换等，利用GIS 技术，实现嘉兴电力数据一张图系统，展示嘉兴电网架构、走向，为线路勘测、规划等提供信息支撑。

3.3 大规模输变电线路复杂场景自适应可视化技术研究

输变电线路场景具有跨度大、场景复杂等特点，数据难以快速读取、显示。本项目从多源空间实体的化简和多分辨率表示、多源空间信息的无缝集成可视化技术和内外存一体化的动态调度机制来实现大规模输变电线路场景的实时可视化，主要包括以下几点。

（1）针对地下、地表、地上空间实体的不同表达特点，研究连续性和离散性空间实体的多分辨率表示方法；研究便于用户感知的空间实体简化技术，重点解决空间实体的感知测度、纹理的自适应简化方法以及感知驱动的模型简化方法。

（2）研究地下、地表、地上多源空间实体的统一表达模型；针对大场景实时绘制的需要，研究适合于图形处理器（Graphics Processing Unit，GPU）软硬件架构的空间实体数据结构；研究地下、地表、地上多源空间实体的特殊效果无缝集成显示技术；研究地下管网、地质体透视、复杂地质构造、地质分析结果的可视化表现方法。

（3）根据场景复杂性及系统性能差异，对场景数据调度及绘制流水线进行自适应地优化配置，保证系统流畅性；研究内外存一体化的海量空间信息实时可视化技术，能够根据场景的空间局部性关系和多分辨率关系来优化场景在显存、内存以及外存中的结构，调整不同存储器之间数据的调度策略[7]。

3.4 输变电线路智慧勘测平台研发

输变电线路智慧勘测可视化规划平台主要由智慧勘测数据管理、输变电线路场景空间分析和智慧电子交桩等子系统组成，具体包含以下几点。

（1）通过对多源空间数据进行整合，构建智慧勘测数据库，包括地下、地表、地上多源异构空间数据的集成建模、格式转换、坐标配准、空间属性匹配、数据化简、数据入库、索引构建、数据更新与维护等功能，同时提供数据接口供上层组件调用。利用无人机和单兵设备，实现踏勘路径规划、踏勘数据（视频、图片）实时回传、踏勘信息保存与追溯、电子交桩等功能，为项目设计、施工等提供基础信息支撑[8]。

（2）根据线路规划的需要，提供地下、地表、地上多源空间分析，提供虚拟钻孔、剖面、拓扑分析、二三维空间缓冲分析、二三维叠置分析等功能，为输变电线路规划提供支持。

4 平台主要特点

本平台整合多源异构电力数据，实现嘉兴电力数据一张网系统，实现整个电网数据的数字化、空间化、可视化，主要特点有以下几点。

（1）面向输变电线路规划的地下三维空间建模。该平台以钻孔数据为三维地质建模的主要数据来源，改进特殊地质现象、复杂地质体的建模策略，显著提高模型的精度和算法效率，并通过可视化表达生成准确详实的三维地质模型，更直观地展现地层的厚度、地质结构、岩性、空间形态等属性。同时，平台整合嘉兴地下管廊数据资源，为专业人员分析地质构造、管线排布等提供准确信息，从而为地下空间开发利用和线路规划决策提供可靠的依据。

（2）智慧勘测。以地下、地表、地上勘测数据库为基础，以三维可视化引擎为支撑，通过语义分割进行端到端的像素分类，实现高分辨率遥感图像辨识，包含道路、水源、建筑、树木、农作物、车辆、行人等地物目标类别丰富的细节信息。利用点云、5G技术、大数据智能感知挖掘技术、无人机飞控、单兵装备等软硬件，实现与勘测现场实时信息交互、行动指挥、增强现实（Augmented Reality，AR）现场定桩，实现多空间、各领域、各要素达到信息实时互动。

（3）数字化选线。建立了系统资源与用户需求的合理匹配模型，基于地下、地表、地上多维一体的多源数据，在多因子关联分析的设置下，自动优化杆塔和线路。同时，依据历史造价工程以及工程对应的参数值，结合各参数与工程量的对应关系，建立工程造价概算数学模型，将选线成果作为输入条件，计算科学合理的线路方案报价，获得最优的输变电选线方案。

（4）GIS 应用整体集成与共享。基于电网一张图的理念，开发多层次、多尺度细节的模型展现与场景调度功能，不仅从宏观层面展现矢量化的电网架构，而且采用三维模型精细化展现大规模输变电线路涉及的地下、地表以及地上空间，并集成输变电三维设计、智慧勘测、工程数字化移交、设备状态查询等功能，实现输变电工程规划、设计以及移交运行的整体优化绘制与共享应用。

5 结 论

文章的城市电网数字设计与信息管理一体化平台基于“电网一张图”的理念，以地下、地表、地上三维地理信息数据为内核，整合嘉兴110 kV 及以上电网信息资源，集成智慧勘测、三维数字化设计、工程数字化移交、设备状态查询等功能，实现电网数据统一管理、规划设计智能高效、信息共享直观全面，既提高了电网建设运行管理的集约化、精细化水平，又为嘉兴城市统筹规划提供了科学的辅助决策手段。