基于三維GIS的輸電線路在線監(jiān)測技術(shù)

【摘要】隨著電網(wǎng)規(guī)模擴(kuò)大及可靠性要求提高，如何應(yīng)對日益頻繁的極端天氣影響，有效降低高壓輸電線路的維護(hù)費用，提高管理的信息化水平，已成為電網(wǎng)安全運行的重大課題。為突破傳統(tǒng)以人工巡視為主的線路管理方式，南方電網(wǎng)超高壓輸電公司于2009年正式啟動了“輸電線路三維GIS運行管理系統(tǒng)”建設(shè)項目，借助激光雷達(dá)掃描、全球定位、衛(wèi)星遙感、在線監(jiān)測等技術(shù)，著力打造了集三維展示、路徑巡航、狀態(tài)監(jiān)測、線路模擬等多功能于一體的，國內(nèi)首個大規(guī)模廣域輸電線路綜合管理及在線監(jiān)測平臺。

作為電力系統(tǒng)的重要組成部分，輸電線路長期暴露在自然環(huán)境中，不僅要承受正常機(jī)械載荷和電力負(fù)荷的內(nèi)部壓力，還要經(jīng)受污穢、雷擊、強(qiáng)風(fēng)、覆冰等外界因素的侵害，若不及時發(fā)現(xiàn)和消除潛在隱患，極易引發(fā)故障甚至事故，對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行構(gòu)成威脅。但輸電線路的運行維護(hù)目前仍以傳統(tǒng)的人工巡視為主，不僅耗費較大的人力及時間成本，且在重大自然災(zāi)害發(fā)生時幾乎無法發(fā)揮作用。因此，如何提高在線監(jiān)測水平，特別是高壓輸電線路，成為電網(wǎng)應(yīng)用研究領(lǐng)域的重要課題。

隨著地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，GIS)技術(shù)的飛速發(fā)展及其在道路交通、城市規(guī)劃、礦產(chǎn)開發(fā)等領(lǐng)域的成功應(yīng)用，電力系統(tǒng)逐漸將GIS技術(shù)引入其中，并產(chǎn)生了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。但過去采用的是二維坐標(biāo)的GIS系統(tǒng)，即在不同的層中以點、線、面等符號表征不同類型的實際物體，基于GIS的輸電線路管理一直處于較為簡單、原始的階段，無法真正地反映線路、桿塔等電力設(shè)備設(shè)施周圍的地形地貌，不能為巡視、操作及檢修人員提供一個真實的環(huán)境信息。

為突破輸電線路管理的技術(shù)瓶頸，超高壓公司于2009年正式啟動了“輸電線路三維GIS運行管理系統(tǒng)”(以下簡稱三維GIS系統(tǒng))建設(shè)項目，借助直升機(jī)搭載激光雷達(dá)掃描設(shè)備對所轄近15000多公里的輸電線路及其走廊環(huán)境進(jìn)行了數(shù)據(jù)掃描與處理，并融合全球定位、衛(wèi)星遙感、在線監(jiān)測、雷電定位等多項技術(shù)，著力打造了集三維展示、路徑巡航、狀態(tài)監(jiān)測、線路模擬等功能于一體的，國內(nèi)首個大規(guī)模廣域輸電線路綜合管理平臺。

1 輸電線路三維GIS數(shù)據(jù)

雖然關(guān)于GIS的定義有許多不同，但幾乎都公認(rèn)GIS是一個以空間數(shù)據(jù)(信息)為中心的系統(tǒng)，這一點從美國攝影測量與遙感學(xué)會給出的定義即可見一般：“GIS是一個對地球空間信息進(jìn)行編碼、存儲、轉(zhuǎn)換、分析和顯示的信息系統(tǒng)”。數(shù)據(jù)是GIS的血液，構(gòu)造三維GIS平臺的基礎(chǔ)就是獲得相應(yīng)的矢量數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)以及影像數(shù)據(jù)。

超高壓公司三維GIS系統(tǒng)數(shù)據(jù)掃描采用機(jī)載激光雷達(dá)掃描技術(shù)，對輸電線路及走廊環(huán)境(寬度約100m)的信息進(jìn)行采集，對采集結(jié)果進(jìn)行分析和處理，產(chǎn)生輸電線路/環(huán)境的三維點陣數(shù)據(jù)，并依照數(shù)據(jù)庫要求進(jìn)行數(shù)據(jù)再處理，包括三維空間數(shù)據(jù)對象分類提取、矢量化、屬性匹配等。處理后的航飛軌跡精度可達(dá)：平面位置≤5cm，高程≤10cm;空間點精度可達(dá)：水平誤差≤50cm，垂直誤差≤20cm，影像分辨率≤50cm。

2 輸電線路三維GIS運行管理系統(tǒng)研制路線

2.1 以關(guān)系數(shù)據(jù)庫為中心進(jìn)行多媒體數(shù)據(jù)管理

為了實現(xiàn)關(guān)系數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，同時考慮海量的數(shù)據(jù)管理及性能問題，系統(tǒng)選用大型數(shù)據(jù)庫Oracle作為數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，以解決空間數(shù)據(jù)與非空間數(shù)據(jù)的管理問題。同時實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成存儲、網(wǎng)絡(luò)共享、分布式處理。

2.2 影像處理合成

將數(shù)字正射影像圖(DOM)在系統(tǒng)中與數(shù)字高程模型(DEM)進(jìn)行三維融合，生成skyline平臺獨有的三維地形文件，完成包括遙感影像，高程數(shù)據(jù)和適量數(shù)據(jù)的影像處理合成。

2.3 系統(tǒng)開發(fā)

Skyline平臺的TerraExplorer Pro是強(qiáng)大的三維建模工具，也是一個強(qiáng)大的分析工具，它支持WFS/WMS和ArcSDE，可以很好的與電力系統(tǒng)現(xiàn)存的二維系統(tǒng)聯(lián)動。同時，Skyline平臺的Developer提供了COM接口。利用該接口，可以實現(xiàn)用戶自定義開發(fā)，從而和數(shù)據(jù)庫做到完美的結(jié)合，充分利用外部資源，滿足用戶的需求。

2.4 數(shù)據(jù)發(fā)布

地理信息數(shù)據(jù)的一大特點就是海量數(shù)據(jù)。以前，制約三維GIS發(fā)展的一大瓶頸就是海量數(shù)據(jù)的發(fā)布，尤其是三維地理信息系統(tǒng)平臺。而Skyline平臺的TerraGate很好的解決了這一問題，TerraGate利用全新的技術(shù)使用戶可以沒有限制、沒有阻礙、相對流暢的瀏覽海量數(shù)據(jù)。

3 基于三維GIS的輸電線路在線監(jiān)測與狀態(tài)模擬

目前，三維GIS系統(tǒng)已形成以生產(chǎn)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)、輸電線路走廊高精度三維立體數(shù)據(jù)為依托，集輸電線路在線監(jiān)測、狀態(tài)模擬等功能為一體的綜合應(yīng)用平臺。其基本功能包括：三維瀏覽、線路及桿塔定位、三維空間數(shù)據(jù)分析、線路交叉跨越管理等;另外，在此基礎(chǔ)上，本系統(tǒng)實現(xiàn)了輸電線路覆冰、雷電等多種監(jiān)測類型在三維空間中的發(fā)布與展示、查詢與統(tǒng)計等功能。

3.1 雷電監(jiān)測

可根據(jù)選擇的線路，輸入的線路走廊半徑、開始時間和結(jié)束時間來查詢雷電的信息，以輸電線路微地形自然環(huán)境作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)區(qū)域落雷強(qiáng)度分析統(tǒng)計、區(qū)域落雷密度查詢、落雷密度線分析等功能，并為防雷改造提供數(shù)據(jù)支撐。

圖1 基于三維GIS的雷電監(jiān)測

3.2 覆冰監(jiān)測

對選定線路的氣象環(huán)境、導(dǎo)/地線拉力、傾角、溫度變化量、絕緣子泄露電流等進(jìn)行查詢與統(tǒng)計，監(jiān)測覆冰情況。

圖2 基于三維GIS的覆冰監(jiān)測

3.3 風(fēng)偏校核

具備塔頭間隙的風(fēng)偏校核功能，并進(jìn)行分析與展示。

圖3 基于三維GIS的風(fēng)偏校核

3.4 污穢校核

運用GIS校核線路所處污區(qū)的絕緣配置，為線路大修技改提供依據(jù)，利用已有的污穢區(qū)域分布圖、絕緣子型號、結(jié)構(gòu)高度、爬距等參數(shù)信息，自動統(tǒng)計所有桿塔所處的污區(qū)信息及該桿塔的絕緣配置情況，從而分析出該桿塔是否滿足絕緣配置的要求。

圖4 基于三維GIS的污穢校核

3.5 耐雷水平校核

運用GIS校核線路所處污區(qū)的絕緣配置，為線路大修技改提供依據(jù);利用已有的污穢區(qū)域分布圖、絕緣子型號、結(jié)構(gòu)高度、爬距等參數(shù)信息，自動統(tǒng)計所有桿塔所處的污區(qū)信息及該桿塔的絕緣配置情況，從而分析出該桿塔是否滿足絕緣配置的要求。

圖5 基于三維GIS的耐雷水平校核

3.6 風(fēng)偏弧垂模擬

根據(jù)不同的輸入?yún)?shù)，模擬分析不同條件下的風(fēng)偏、弧垂?fàn)顟B(tài)。

圖6 基于三維GIS的風(fēng)偏弧垂模擬

4 下一步研究方向

4.1 完善輸電線路在線監(jiān)測數(shù)據(jù)三維可視化顯示

目前，三維GIS系統(tǒng)完成了輸電線路在線監(jiān)測數(shù)據(jù)、地理信息數(shù)據(jù)的獲取與建模，具備了線路綜合管理的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。但由于輸電線路三維可視化管理仍處于研究階段，本系統(tǒng)現(xiàn)有功能仍以簡單的三維展示為主，尚不能充分發(fā)揮現(xiàn)有數(shù)據(jù)平臺的優(yōu)勢。因此，為更好的服務(wù)實際生產(chǎn)工作，真正做到實時在線監(jiān)測數(shù)據(jù)與地理信息數(shù)據(jù)的高度融合與統(tǒng)一，需加大基于三維GIS的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)三維可視化研究。例如，借助微氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)，自動在三維場景中模擬實時天氣情況;借助覆冰監(jiān)測數(shù)據(jù)，自動在輸電線路上模擬覆冰厚度與分布;借助風(fēng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)，自動模擬導(dǎo)線的弧垂風(fēng)偏等。

4.2 研究基于三維GIS的輸電線路狀態(tài)評估與專家系統(tǒng)

借助現(xiàn)有三維GIS系統(tǒng)，開展輸電線路狀態(tài)評估與專家系統(tǒng)應(yīng)用研究，設(shè)計開發(fā)評估、分析、模擬、協(xié)助指揮等高級應(yīng)用功能。一方面借助在線監(jiān)測設(shè)備，通過數(shù)據(jù)比對與深層分析，實現(xiàn)對輸電線路走廊及其周邊環(huán)境的實時監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)潛在地質(zhì)災(zāi)害(如通過監(jiān)測桿塔位移發(fā)現(xiàn)地表塌陷等)，發(fā)布極端天氣預(yù)警(如通過監(jiān)測風(fēng)力風(fēng)速發(fā)出大風(fēng)預(yù)警);實現(xiàn)對輸電設(shè)備的狀態(tài)評估與風(fēng)險預(yù)警，提前預(yù)判設(shè)備故障，發(fā)現(xiàn)設(shè)備家族缺陷。另一方面，本系統(tǒng)還可以根據(jù)內(nèi)置專家決策模塊，通過數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)與專家介入機(jī)制，實現(xiàn)自然災(zāi)害時應(yīng)急搶險策略制定，合理調(diào)配人員、車輛、設(shè)備等資源;實現(xiàn)設(shè)備的檢修策略制定，指導(dǎo)檢修人員開展檢修工作。

5 結(jié)論

超高壓公司輸電線路三維GIS運行管理系統(tǒng)為電力線路的在線監(jiān)測與運行管理引入了一個全新的概念，有效滿足了線路巡視檢修、設(shè)計施工、應(yīng)急搶險等方面的需求，將線路管理水平提高到了一個新的層次，實現(xiàn)了線路運行管理的電子化、信息化、精細(xì)化，從而最終保證電網(wǎng)高效率、低故障的安全穩(wěn)定運行。

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