完整，繆偉，衛(wèi)志農(nóng)，唐利鋒，鄧鵬

(1.蕪湖市供電公司，安徽蕪湖241000；2.河海大學能源與電氣學院，江蘇南京210098)

配電網(wǎng)是連接輸電系統(tǒng)與用戶的重要環(huán)節(jié)。近年來，隨著全國農(nóng)村配電網(wǎng)升級改造的推進以及城市配電網(wǎng)的發(fā)展，配電系統(tǒng)愈發(fā)龐大而復雜。同時，由于缺乏系統(tǒng)所處地理特征、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、電力設備屬性等信息之間的相互聯(lián)系分析以及直觀的虛擬呈現(xiàn)，給電力部門在實際工作中，開展電力資源設備運行管理、電網(wǎng)的合理升級規(guī)劃以及電力線路巡檢等工作帶來一定的困難[1-6]。隨著計算機軟、硬件技術(shù)的發(fā)展與普及，操作可視化以及數(shù)據(jù)共享是當前電力系統(tǒng)發(fā)展趨勢與追求的目標[7]。

配電網(wǎng)的可視化是對現(xiàn)實設備的虛擬展現(xiàn)，其研究也逐步從傳統(tǒng)的二維發(fā)展到三維立體模擬。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)(Virtual-Reality，VR)[8]實現(xiàn)配電系統(tǒng)的管理與設計成為了“數(shù)字電力”的發(fā)展方向。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是近十多年來發(fā)展起來的高新技術(shù)，涉及計算機圖形學、人機交互技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能等領域，是仿真技術(shù)的高級發(fā)展與突破，可實現(xiàn)在虛擬環(huán)境中的信息交互和控制功能。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應用可以幫助工程技術(shù)人員、管理決策人員在虛擬環(huán)境中對所管理的系統(tǒng)進行觀察、設計、修改、決策、調(diào)度或重組，提高工作效率與效益[9]。

隨著計算機技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)和大規(guī)模存儲技術(shù)的發(fā)展，三維可視化技術(shù)已經(jīng)逐步應用于電力系統(tǒng)，在變電站仿真培訓、電力器件的模擬操作與電力人員技能考核等方面發(fā)揮了極大的作用[10-12]。隨著配電網(wǎng)的信息化與智能化，三維虛擬可視技術(shù)在配電系統(tǒng)中的應用是一個新的且充滿前景的研究課題。

本文首先分析了建模的數(shù)據(jù)來源和實施方案，由此利用三維虛擬可視技術(shù)搭建了配電網(wǎng)三維可視化平臺。討論了該平臺對配電網(wǎng)規(guī)劃、配電信息管理及其他一些高級應用的數(shù)據(jù)支持及影響，并通過對某一實際配電網(wǎng)規(guī)劃方案的分析，顯示了該系統(tǒng)能有效地提高電力部門電網(wǎng)規(guī)劃效率，降低規(guī)劃成本。

1 配電網(wǎng)三維虛擬建模

配電設施具有明顯的地理特征，特別在一些以農(nóng)網(wǎng)為主要形式的地區(qū)，在進行農(nóng)網(wǎng)改城網(wǎng)的升級規(guī)劃中，迫切需要對線路的走向、跨度，桿塔，變電所的位置，線路所經(jīng)地形等與地理要素密切相關(guān)的信息進行科學有效的管理。目前應用于電力系統(tǒng)的三維GIS與傳統(tǒng)的二維GIS相比，具有極大的優(yōu)越性，它能虛擬真實場景，真實反映線路、桿塔等電力設備周圍的地形地貌，為線路巡檢、設備維護人員提供一個真實的功能環(huán)境信息[13-14]。本文探討了配電網(wǎng)三維可視化建模方法，通過Google SketchUp實現(xiàn)對配電網(wǎng)的組件化建模，并應用于蕪湖市供電公司，取得了較為滿意的效果。

Google Sketch Up是Google公司專門用于三維建模的一款軟件，有著很強的實景仿真功能。它面向設計過程，簡單易用，完全避免了其他設計軟件的復雜性；提供了紋理和材質(zhì)設計工具，增強模型的真實感；能夠免費利用Google Earth的地形和影響數(shù)據(jù)等。由于上述優(yōu)勢，Sketch Up被廣泛應用于城市三維建模、校園環(huán)境建模、水壩單位立體建模等，取得了很好的效果[15-17]。

要建立真實的三維場景，需要準確的幾何建模，對于配電系統(tǒng)而言，地形建模、建筑及配電設備建模是實現(xiàn)配電系統(tǒng)虛擬可視的關(guān)鍵。

1.1 地形建模

為了構(gòu)造所研究區(qū)域的實際地表，營造逼真的三維可視化場景，需對地形進行建模。目前的方法有：1）引入已有的等高線，通過Sketch Up中的擴展工具欄——沙盒，創(chuàng)建平滑的地形；2）添加地表的數(shù)字高程模型（DEM）制作。DEM獲取的方式主要有：利用現(xiàn)有地形圖掃描數(shù)字化等高線，獲取高程數(shù)據(jù)生成；通過數(shù)字測量系統(tǒng)或機載掃描儀系統(tǒng)直接掃描來獲得；航空攝影與航天遙感[18]。

1.2 建筑物及配電設備建模

根據(jù)Google Earth中的二維矢量圖層，定位所需建模的地物坐標。由于現(xiàn)有二維GIS中缺乏直接完整的第三維信息，其數(shù)據(jù)可采用三角測量、GPS測量等外業(yè)測量方法獲得。值得指出的是，對于配電網(wǎng)供電走廊所處區(qū)域的一些地物或配電設備，例如樹木、桿塔等，由于其外型基本一致，可將模型組件化，以便于調(diào)用、布局。并且，根據(jù)實際需要，可以對一些地標建筑建模時適當進行簡化，例如使用規(guī)則幾何體來加以描述，以降低文件大小，避免影響運行速度。

在建筑物與配電設備的三維立體初步成型后，為使模型更加逼真，很重要的工作即是進行紋理貼圖。SketchUp提供的貼圖功能主要有3種：普通貼圖，包裹貼圖，投影貼圖。其紋理圖片主要來源于：1）地物紋理照片和地面影像，并通過photoshop進行加工處理；2）采用SketchUp軟件本身提供的紋理和材質(zhì)設計工具。當采集建筑物或配電設備整體紋理出現(xiàn)困難時，通過局部使用真實紋理，其他位置采用軟件自帶的紋理和材質(zhì)，也有不錯的效果[19]。

利用上述方法，針對蕪湖市某變電所構(gòu)建的三維立體模型如圖1所示。

圖1 110 kV變電所的三維可視化圖

1.3 構(gòu)建流程

利用Google SketchUp平臺進行配電網(wǎng)三維虛擬可視系統(tǒng)的構(gòu)建，首先通過Google Earth來獲取地形與影像數(shù)據(jù)，或者手工構(gòu)建所研究區(qū)域的比例尺AUTOCAD地形圖，并刪除不必要的圖層，僅保留已有配電線路、建筑物、道路及水系等圖層；然后，通過Google SketchUp對配電設備以及其他地物進行三維建模；接著，再將數(shù)字高程模型整合到平臺中；最后通過添加屬性數(shù)據(jù)實現(xiàn)配電網(wǎng)三維可視化系統(tǒng)。其流程如圖2所示。

圖2 構(gòu)建流程圖

以蕪湖市某110 kV變電所為例，CAD原圖如圖3所示。此變電所共有7條10 kV出線。采用本文所述方法對此110 kV變電所進行三維虛擬可視化后,結(jié)果見圖4。需要指出的是，此圖中一些地標性建筑用規(guī)則幾何體對原對象予以了簡化。

圖3 110 kV變電所CAD出線圖

圖4 110 kV變電所三維可視化圖

2 配電網(wǎng)三維虛擬可視化平臺應用

2.1 配電網(wǎng)規(guī)劃

配電網(wǎng)規(guī)劃是配電系統(tǒng)研究領域中的重要環(huán)節(jié)，得到了專家學者的重視，發(fā)展出了一系列的規(guī)劃方法[20-22]。目前配電網(wǎng)規(guī)劃缺乏三維地理信息的支持，規(guī)劃人員無法根據(jù)地形地貌等三維空間信息進行定性的分析。受地形坡度、土壤類型、水系分布、道路走向、房屋設施等地理條件的影響，不同配電走廊建設投資有所差別[23]。在城市擴建與發(fā)展的過程中，變電站及配電走廊征地難度越來越大，同時原材料的上漲，使得地理環(huán)境對配電網(wǎng)規(guī)劃的影響越來越明顯。因此，配電網(wǎng)規(guī)劃工作有必要進一步研究環(huán)境因素所帶來的額外成本。

建成的配電網(wǎng)三維虛擬可視化平臺具有豐富的配電網(wǎng)數(shù)據(jù)以及地理信息，通過建立準確的配網(wǎng)模型，采用科學的方法可以實現(xiàn)配電網(wǎng)輔助規(guī)劃設計。在變電站選址、配電線路走廊規(guī)劃預留等方面可以發(fā)揮較大的作用。

2.2 配電信息管理

在新的環(huán)境下，電力線路要求交互性可視化的信息管理，主要依賴于手工的傳統(tǒng)管理方式已經(jīng)不能適應這一要求，而現(xiàn)有的基于二維地理信息系統(tǒng)的配電線路管理系統(tǒng)又因不能提供足夠真實的可視化場景、完善的人機交互和缺乏一些重要的分析功能，難以更有效地提高配電網(wǎng)的管理水平。

由于傳統(tǒng)的三維模型可視化工具，包括Sketch Up在內(nèi)，一般沒有相應的空間分析以及二維數(shù)據(jù)的聯(lián)合分析功能，所以根據(jù)實際要求，可實現(xiàn)Sketch Up與Arc GIS的聯(lián)合建模，充分利用Arc GIS強大的空間分析功能，實現(xiàn)相關(guān)高級GIS操作，包括屬性表的查詢、分析，空間位置的查詢等等[24]。

2.3 其他高級應用

在上述聯(lián)合建模的平臺上，結(jié)合SCADA系統(tǒng)、MIS系統(tǒng)，還可以實現(xiàn)故障檢修與隔離、配電網(wǎng)重構(gòu)、線損分析與電壓調(diào)整、調(diào)度操作票系統(tǒng)等[14]。

3 算例分析

以蕪湖市某110 kV電壓等級變電站為例，為適應該區(qū)域負荷的快速增長，對原有變電站進行了擴建，擬新出一回配電線路，并實現(xiàn)對原有線路的適量負荷轉(zhuǎn)接，以分擔原有負荷較重線路的供電壓力。該新規(guī)劃線路擬帶負荷點58個，通過建成的三維可視化系統(tǒng)，規(guī)劃人員獲取了該區(qū)域預留的配電線路走廊、建筑物、道路、河流等坐標數(shù)據(jù)和相應高程數(shù)據(jù)，結(jié)合蕪湖當?shù)嘏潆娫O施施工造價，就考慮規(guī)劃區(qū)域?qū)嶋H三維地理信息和不考慮三維信息的規(guī)劃方案，結(jié)果比較如表1所示。

表1 規(guī)劃方案比較

從表中可以看到，當考慮地理信息時，實際規(guī)劃的線路總長度要比不考慮地理信息時長約2.4 km,這是由于考慮到與地理環(huán)境相關(guān)的施工難度及與之相關(guān)的附加額外成本，配電線路對一些地理環(huán)境復雜地段采取遷繞方式敷設，這樣雖然增加了線路總長度，但降低了相關(guān)建設難度，節(jié)約了與之相對應的額外建設成本。

4 結(jié)語

本文采用配電網(wǎng)三維可視化方法構(gòu)建的系統(tǒng)可靠性高，適用范圍廣，具備地圖和設備的采集和顯示，三維展示配網(wǎng)設備運行狀況，指導配網(wǎng)規(guī)劃等功能；解決了目前二維GIS系統(tǒng)幾何圖形簡單，標準形式不能真正反映線路、桿塔等電力設備設施周圍的地形地貌，不能為巡視、操作及檢修人員提供一個真實系統(tǒng)環(huán)境，無法直觀地顯示設備本身的結(jié)構(gòu)和相互間的關(guān)聯(lián)等問題。該系統(tǒng)讓電力人員更加直觀、形象地認識和理解地理和設備信息，展示出配電設備和線路走向的真實自然面貌，具有可視化程度高，交互性好和開放性強等特點，能配合電力部門實現(xiàn)可靠的配電信息管理，有效地提高配電部門的生產(chǎn)效率，降低配網(wǎng)規(guī)劃成本。

[1] 張英，李紅蕾，崔琪，等.西安配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)升級改造建設的研究[J].陜西電力，2011，39（2）：61-64.

[2] 杭大建,王擁軍,羅定志.基于CIM的配電網(wǎng)綜合采集應用平臺[J].電網(wǎng)與清潔能源,2009,25(10):17-20.

[3] 陳文婕，劉晉，周云海，等.考慮負荷轉(zhuǎn)移限制的配電網(wǎng)可靠性評估[J].陜西電力，2010，38（11）：24-27.

[4] 余貽鑫.新形勢下的智能配電網(wǎng)[J].電網(wǎng)與清潔能源,2009,25(7):1-3.

[5] 韓軍林.城市配電網(wǎng)若干問題的分析探討[J].陜西電力，2010，38（11）：98-100.

[6] 李家全.配電網(wǎng)通信系統(tǒng)綜合性能評價體系研究[J].陜西電力，2010，38（5）：61-65.

[7] 王麗麗，艾欣，白文光，等.配電網(wǎng)可視化供電能力計算軟件的開發(fā)及應用[J].現(xiàn)代電力，2006,23(2):84-87.

[8] 曾芬芳.虛擬現(xiàn)實技術(shù)[M].上海：上海交通大學出版社，1997.

[9] 黃斐.面向?qū)ο蟮奶摂M現(xiàn)實模擬研究[J].計算機科學，2008，35(2):216-219.

[10] 侯俊，李蔚清，林昌年.變電站三維交互場景仿真關(guān)鍵技術(shù)研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2005,29(9):70-75.

[11] 龔慶武，姜芳芳，陳義飛.基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的變電站仿真培訓系統(tǒng)[J].電網(wǎng)技術(shù)，2005,29(24):74-77.

[12] 凌志勇，柏吉寬.電力系統(tǒng)虛擬環(huán)境的研究及應用[J].廣東電力，2003,16(6):38-41.

[13] 唐隴軍，邱家駒.基于三維地理信息系統(tǒng)的輸電線路管理系統(tǒng)[J].電網(wǎng)技術(shù)，2003,27(10):43-47.

[14] 樸在林，張曉明，趙雪瑩.三維配電網(wǎng)地理信息系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2010,26(4):227-230

[15] 許捍衛(wèi)，范小虎，任家勇，等.基于Sketch Up和Arc GIS的城市三維可視化研究[J].測繪通報，2010(3):52-54.

[16] 邱堋星.Google Sketch Up與IMAGIS在校園三維可視化建模中的應用[J].測繪工程，2008,17(2)：59-61.

[17] 曾巧，李曉磊，文恒，等.基于Sketch Up的三維實體參數(shù)化建?！l三維實體建模程序的實現(xiàn)[J].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學學報，2009,30(1)：384-387.

[18] 李志林，朱慶.數(shù)字高程模型[M].武漢：武漢大學出版社，2000.

[19] 黃華坤.基于GIS的三維城市模型構(gòu)建[J].GIS開發(fā)者，2005(6):43-46.

[20] 唐利鋒，衛(wèi)志農(nóng)，王成亮，等.基于公共信息模型的配電網(wǎng)網(wǎng)架優(yōu)化規(guī)劃[J].電力系統(tǒng)自動化，2010，34(16):43-49.

[21] 沙偉燕,史哲.基于改進小生境遺傳算法的配電網(wǎng)規(guī)劃[J].電網(wǎng)與清潔能源，2010，26(7):63-67.

[22] 李瑤，潘江蒙，姚李孝，等.考慮通道規(guī)劃的城市中壓配電網(wǎng)絡規(guī)劃[J].電網(wǎng)與清潔能源，2010,26(3):58-62.

[23] 楊萌，張粒子，舒雋.輸電規(guī)劃中計入環(huán)境因素的路徑?jīng)Q策[J].電力系統(tǒng)自動化，2008，32(15):31-35.

[24] 單楠，況明生，李營剛.基于Sketch Up和Arc GIS的三維開發(fā)技術(shù)研究[J].鐵路計算機應用，2009,18(4):14-17.