城网三维可视化管理系统的研究与应用
徐秋凤2 罗建平2 陈 辉1 王传宝1
1 北京奥德安图电力科技有限公司 北京市 101300 2 北京奥德威特电力科技股份有限公司 北京市 101300
摘要：本文简要介绍四川省电力公司资阳公司简阳供电局城网三维可视化管理系统的开发和应用技术。该系统在城区三维地理场景上对架空线路、地下电缆(光缆)、各类室内外电力设施进行直观、精细的三维展示，并融合SCADA及各类监测系统的实时运行数据与历史数据，实现可视化监测和可视化操作，进一步支持配网的资产管理、配电管理、营销管理、规划管理等，形成高效、综合的运营平台，提升运行管理和服务水平。
关键词：城市配电网络;三维;可视化;信息系统;接口
1 引言
在城市配网领域，信息化进程起步较早且发展速度较快，各地方公司已普遍建立了电网能量管理系统SCADA/EMS、配电管理系统DMS、电网地理信息系统GIS及管理信息系统MIS等高层次应用系统，但高压、超高压电网的规划、运行、调度等工作已经开始应用和推广三维可视化的技术手段，面向城市配网的三维可视化应用则基本上处于起步阶段。
图1 系统总体结构图
为改善城区配网线路的运行水平、规范电缆走廊的建设和管理，更好管理管线资源，提高电网线路运行的安全稳定性，四川省电力公司安排在资阳公司简阳供电局选择部分试点线路和区域，结合三维可视化技术的最新发展，开发一套城网三维可视化管理系统。
本文对该系统开发和应用过程中的一些关键问题进行了探讨，如城市配电网络三维场景的快速构建方案、模型系统的动态维护方案、SCADA等多个系统间的接口和信息融合方案、城网信息的三维可视化方案等。
2 总体设计
2.1 系统建设目标
简阳供电局城网可视化管理系统的总体建设目标是为城区配电网络的运行管理提供一种基于二、三维一体可视化的配网管理系统。
2.2系统总体结构
系统总体结构如图1所示。其中，数据层部署在服务器端，可视化展示平台则以C/S桌面应用、组件、RIA B/S客户端三种方式分别提供应用，并集成或融入各类配网管理应用系统。C/S桌面应用主要用于三维场景和数据配置、维护，B/S应用提供配网管理系统的主体功能，组件方式则支持将三维可视化模块嵌入到原有或新建的各类应用中，最大限度地适应实际情况、发挥可视化管理系统的价值。
2.3 数据的组织方式
2.3.1 三维地景的金字塔层级结构
三维地景通常也称作三维地形地貌模型，主要是利用数字高程模型(DEM)和数字正射影像(DOM)，建立地面的三维场景，作为三维可视化应用的基础背景。
三维地景建立在数字地球基础上，从整个地球表面开始，根据地面影像和DEM数据的分辨率，不断按照空间四叉树的模式分级分块，也就是每一块都根据是否存在更高分辨率的影像和DEM数据而决定是否继续细分，从而建立起整个三维地景金字塔。
2.3.2 城市建筑及其它部件的三维模型
目前很多大中城市已经开展了三维数字城市的建设，在这些地方可以利用已有的三维城市模型，否则应当根据城市配网设施的覆盖范围和工作需要而组织重点区域的三维城市建模，非重点区域则根据地形图自动生成简化模型。
根据行业标准《城市三维建模技术规范》，城市模型除了地形模型外，还包括建筑模型、交通设施模型、管线模型、植被模型、以及其它模型，并划分为四个精度级别或细节层次，即体块、基础、标准、精细。
2.3.3 二维矢量数据
矢量数据如道路、水系等继续按GIS空间数据库或数据文件的方式组织，系统可以通过OGC WFS (Web Feature Service)或直接访问数据库，将它们叠加到三维地景上。
2.3.4 配网设施的参数化三维模型和运行构建
配网设施的三维可视化对象包括变电站(所)及站内各种建构筑物和设备设施、架空线路、地下电缆等实体设施和各种数据可视化对象模型。
配电设备的分类和参数均按照国网公司的统一标准执行。
参数化模型主要是针对各种系列化工业标准设施，例如杆塔，在普通三维建模(例如采用3DMAX或 SketchUp)和基本三维实体的基础上，利用程序实现的扩展模型对象，这些参数化模型连同非参数化的常规标准设备模型都存储在系统的模型元件库中，用户可以选取并提供相应的参数，然后摆放到三维场景中，完成可视化装配或变更。
通过对模型元件库的参数化引用和运行时构建，能够减少设施模型的雷同数据冗余，同时为用户提供快速构建城网可视化场景和动态更新维护的技术手段。
2.3.5 可视化对象
为了在三维场景中可视化展现各类数据，可以使用标牌、仪表盘、柱状图、饼图等对象，它们也是一种特殊的参数化三维模型，其参数可以建立绑定关系，对应于运行时的输入数据，例如SCADA量值，或者多个量值的组合公式。
3.三维场景的快速构建和动态维护
3.1 配电网资源管理系统
配电网资源管理系统是针对三维可视化展示系统，专门开发的一套三维场景维护工具，方便用户快速搭建三维场景，添加配电设备、电线、电缆等模型，包括参数化模型、可视化对象的配置、数据绑定等操作，并提供在三维场景中制作和播放工艺流程、三维动画等动态效果的工具。
3.2 三维城市模型的快速构建
如果能获得三维数字城市的模型，将是最快捷的方式。但目前大多数城市还不具备这个条件，则可以利用FME等工具，建立GIS语义转换模型，从地形数据库快速生成三维模型。例如，提取房屋范围线(多边形)及其层数或高度属性，利用通用数据转换软件FME中的Extruder函数批量地自动生成三维模型。也可以在这一个过程中自动贴图或设置材质。
3.3 配电设施模型
各种配电设施、地面线路和地下线缆需要利用本系统的参数化模型库和交互摆放或批量导入工具。除了非标准件外，基本不需要建模，但应当收集齐全图纸资料，保证位置数据的准确性。
3.4配电设施台账数据库
主要包括以下内容：
数字化档案：线路、变电站/所等设施在设计和施工过程中的各种图纸、资料、图表、空间数据、现场照片等的数字化形式。
设备台帐：设备材料设计单位、施工单位、运行单位、生产厂家等。
照片：线路运行后在现场实拍的照片。
全景影像：在设施所在地点拍摄、并经过后期制作的360度全景影像。在系统中可交互旋转、观看现场任意角度的场景，由于是实景拍摄，与三维场景系统形成一定程度的补充效果。
已经录入数据库或表格的资料，通过FME进行转换、导入、或者挂接。
4.可视化功能及其应用模式
4.1变电站/所室内外设施可视化
通过对变电站、变电所、配电房等区域三维仿真建模，系统可以方便地在三维场景中直观展示室内、室外空间位置关系，如图2所示。
图2 可视化变电站
4.2地下电缆可视化
系统提供了快速制作电缆沟、电缆模型的工具，只要确定电缆沟的宽度、深度等参数，并结合地面高程，可快速制作出不同长度的电缆沟，并可选择是否安装侧挂，添加电缆、开关控制等。如图3所示。
图3 可视化电缆沟
4.3线路及杆塔可视化
系统在使用数字高程数据、影像数据、矢量电子地图数据制作地形三维，还原现场真实地形地貌的基础上，提供批量导入杆塔及自动摆放的算法，使得杆塔导入以后，根据地形的高程自动调整杆塔的高度;根据杆塔的类型、距离、位置，自动计算出杆塔之间的方位以及杆塔之间导线的弧垂度，并将线路分ABC三相用不同颜色增强显示。如图4所示。
图4 可视化线路
4.4数据可视化
所有三维对象的图形属性都可以通过接口操纵，例如改变颜色、尺寸、显隐等。利用“业务数据绑定”的功能，就能实现实时数据的可视化。例如将电压监测数据转换为模型的颜色或温度计的读数，数据超限则触发模型开始高亮闪烁等。
4.6 动画可视化
系统提供动画脚本配置工具，可以在三维全景变电站的基础上，对变电站潮流走向、标准化作业、安全演练培训等进行全过程动画仿真。使用户的培训、演练不再受时间、场地、设备、天气的限制，不影响正常生产的开展，不仅提高了培训和演练的效果，还为企业节约了大量的物力、人力以及时间成本。
5.城市配网管理应用
5.1城网可视化资产管理
建立设备、资产的位置台账及设备从属关系，可以动态自定义资产的属性结构、资产数据动态录入等，并通过与三维模型的绑定，实现业务数据与三维模型的双向检索、定位，进一步支持可视化的维修维护管理，如图5所示。
图5 城网可视化资产管理
5.2与SCADA接口
系统提供标准的DL/T634.5101、DL/T634.5104协议接口，实现SCADA实时数据、历史数据与二、三维设施对象的绑定和可视化展现，提供可视化平台上对SCADA实时数据的监视、分析功能，进一步支持可视化平台上的SCADA操作方案，如图6、图7所示。
图6 实时数据可视化
图7实时遥信变位展示
6 结语
简阳供电局在建立城网三维场景模拟的基础上，接入原有的SCADA实时数据以及资产台帐与照片数据、巡检与维修维护数据，实现了实体设施和运营数据的三维动态可视化，有利于推动城网管理信息化及其在提高管理精细化程度中的应用。
通过该项目的实践，在如何快速高效地构建城网可视化管理系统、如何有效地应用于各类业务工作、如何长效地动态维护这套系统等三个方面做出了有益的探索，形成了一整套的解决方案，为可视化平台在智能电网建设中的推广打下了良好的基础。
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