三维激光扫描技术凭借其数据采集速度快、精度高、全天候等优良特性, 为人们提供了一种方便、快捷、高效的三维数据获取手段, 它通过主动式激光来获取地理实体的表面特征信息^{[1, 2]}, 经由一系列的后处理操作, 可精确而完整地测量出输电线路和变电站的设备数据, 建立相应的三维仿真模型, 解决传统测量仪器与测量方法在变电站这种特殊领域应用中存在的一些问题^[3]。随着电网管理水平的不断提升, 电力企业对于可视化、仿真化、精细化电网信息的需求日趋迫切。这就需要建立一体化的多维信息展示平台, 实现三维虚拟变电站可视化交互模式, 从而支持变电站的各项运行管理工作^[4]。

本项目采用三维激光扫描技术对天津高压电网的2座500 kV变电站、3条500 kV及3条220 kV线路铁塔进行三维数据采集, 其中输电线路全长共计110 km。数据采集完成后, 建立电网三维模型, 开发三维数字电网平台, 并通过数据中心实现该平台与天津电力PMS之间的对接, 对天津500 kV电网进行三维可视化管理, 并达到实用化程度。天津500 kV三维数字电网构建项目主要分为两大部分内容: 电网三维数据的采集建模工作以及平台的研发实施工作。

\天津高压三维数字电网平台数据类型包括基础地理空间数据、电网资源空间数据和电网资源属性数据等。基础地理空间数据主要是提供地理空间参照, 相对于电网资源空间数据, 主要作为背景底图进行使用；基础地理空间数据包含矢量数据、影像数据、数字高程模型数据等；电网资源空间数据是变电站、输电线路的三维空间坐标数据, 电网资源属性数据是在图形展示或设备查询时需要用到的属性数据, 例如设备名称、电压等级、运行单位、维护班组等。

针对输电线路和变电站的数据采集工作, 采用三维激光雷达扫描方式获取。在安全作业范围内, 测站的布设原则需遵循用尽可能少的测站获得尽可能全面的输电线路和变电站的表面特征信息；在此基础上, 还要考虑减少外界环境对三维激光扫描采样过程的影响, 如表面遮挡、相邻电线和电气设备的重叠等。由于变电站设备比较多, 内部结构复杂, 导致变电站内各物体之间相互遮挡, 不可能在一个测站获取变电站的整体信息, 因此必须采取分块多站的方式进行扫描。

在对输电杆塔和变电站扫描过程中, 利用标靶与场景特征点都可以完成拼接任务, 不过为了拼接精度更高、后期内业数据处理更加方便, 就需要在拼接的两站之间放置至少3个同名标靶^[5]。标靶布设遵循以下两条原则: 保证3个标靶点不在同一条线, 4个或以上标靶点不在同一个平面；每一个有效标靶布设的位置至少在两站扫描数据中有采集记录。遵循上述布设原则, 分成一个近似圆形来环绕着杆塔, 这样保证采集输电杆塔的扫描测站数据能够完成拼接任务。变电站数据采集采用自由设站的方式, 站间距离不大于50 m, 共测了58站。对输电杆塔和变电站设备进行扫描的同时, 用配备的相机同步获取对应类型的输电杆塔和站内设备相关影像数据, 包括塔头、塔身、塔基、导线分裂形式、绝缘子、防震锤、所属编号等细节影像数据, 获取的影像数据用来作为后期模型的纹理信息。

外业采集回来的电网数据需要进行内业处理及建模的工作, 对于三维激光扫描的点云数据配准一直是研究的重点和难点, 因为配准的精度直接影响后期的成果精度。对于扫描仪来说, 各测站数据分别隶属于不同的坐标系, 数据配准就是要找出测站间的空间坐标转换关系, 将不同站点的空间数据统一到一个坐标系下, 形成一个整体。目前, 广泛应用的空间直角坐标转换模型主要为小角度旋转模型, 如布尔沙模型、莫洛金斯基模型和武测模型等^[6]。而本项目空间数据配准采用迭代最近点法(ICP算法)^[7], 该算法对于工业设备及其模具等具有光滑自由曲面的表面, 可以取得很好的效果^{[8, 9]}。

获取变电站和输电线路的三维点云数据模型后, 结合其设计与制造图纸, 即可进行三维模型的构建。本项目建模采用CYCLONE后处理软件, 利用系统提供的自动分段处理工具从扫描的点云图中抽取部分点云, 共同组成一个物体或物体的部件, 然后进行自动匹配处理^[10]。如高压绝缘子、变压器等采用软件的曲面自动延伸的功能, 生成中间有孔洞的环片, 然后组合。结合使用参数化的造型库, 对于同类的设备或设备部件, 就能快速地建立其三维模型。最后利用3D MAX软件或SKYLINE软件将外业数码相机拍摄的图片通过程序命令及参数的调节后直接指定给仿真模型, 如图 1、图 2所示。

图 1(Figure 1)

图 1 输电杆塔三维模型 Figure 1 3D Model of Power Transmission Tower

图 2(Figure 2)

图 2 变电站三维模型 Figure 2 3D Model of Transformer Substation

天津高压三维数字电网平台设计工作主要包括服务策略设计、模型管理设计、三维场景配置设计、数据库设计和平台功能设计5个部分。对于服务策略设计, 主要为切片服务、模型获取服务、客户端缓存等几方面的设计；对于模型管理设计, 主要为模型存取方案的设计；对于数据库设计, 主要为平台系统数据结构、输电线路和变电站设备数据结构、用户与权限数据结构的设计；对于平台功能设计, 主要为界面的规划与设计、三维数字电网平台(B/S)和平台资源管理工具(C/S)的设计。系统操作界面如图 3所示。

图 3(Figure 3)

图 3 系统操作界面 Figure 3 Operation Interface of the System

天津高压三维数字电网平台的总体功能架构可划分为三维数字电网平台和平台资源管理工具。其中, 三维数字电网平台采用Web形式(简称B/S)访问三维数字电网服务器数据, 主要功能为三维场景的展现及高级分析；而平台资源管理工具采用客户端形式(简称C/S)支撑三维数字电网平台, 维护三维数字电网服务器数据, 主要功能为电网数据及模型的维护、场景及模型的导入以及平台设置。系统功能结构如图 4所示。

图 4(Figure 4)

图 4 系统功能结构 Figure 4 Functional Structure of the System

1) 三维模型的浏览功能, 能够对场景或单个设备进行漫游操作, 实现在三维模型上的行走、环顾、缩放、平移、环绕、飞行等功能, 通过浏览三维模型, 用户可以很方便地定位到需要检视或操作的组件。

2) 测量分析, 实现一般地理测算分析功能, 如空间距离测量、水平距离测量、垂直距离测量、地表距离测量、投影面积测量、地表面积测量、危险域分析、路径搜索分析。

3) 场景展示, 实现变电站虚拟漫游和线路走廊展示、走廊设备模拟、弧垂及相序模拟、动态标注现实模拟、雨雪、火焰等特效的展现等, 可反映天气情况以及各种事故状态的场景模拟。

4) 高级分析应用与巡视模拟, 实现对设备断开、闭合的模拟, 分析拓扑设备的带电状态, 在三维场景中实现模拟巡视功能, 路径设置、路径导入导出、前进控制、速度视角等参数设置。

5) 在三维数字电网平台中实现设备快速定位, 通过输入经纬度坐标, 在三维场景中进行空间定位, 实现属性查询统计、空间几何查询统计, 并提供查看该设备各种信息的能力, 包括设备台账、检修记录、缺陷记录、更换记录、事故记录等。

6) 平台设置: 实现平台各服务的地址配置；对各设备图层标记的显示内容及字体颜色配置；对组织机构、角色、权限、用户的管理及分配。

平台部署阶段的主要工作包括平台硬件部署和平台软件部署。对于平台硬件部署, 其主要工作是各类服务器、存储设备、负载均衡设备、网络设备、用户客户端等硬件的安装、配置、调试；对于平台软件部署可分为平台基础支撑软件和平台的部署, 工作内容主要是软件、配置文件、用户手册、帮助文档的收集、打包、安装、配置和发布。与生产管理系统(PMS)的集成主要工作内容包括集成接口的部署、联调测试、运行验证。应用集成涉及到三维平台和PMS系统协同工作, 需要验证系统间的数据处理、业务流程、数据传递是否正确等。

通过与PMS生产管理系统的松耦合集成, 保障三维数字电网平台中的电网设备台账信息与实际生产相一致。在平台中, 选择设备模型属性查询统计, 即可以查看该设备的所有台账信息, 单击台账中的杆塔或附属设备, 系统可实现自动定位。在三维可视化环境中, 可以清晰地查看杆塔与附属设备之间的空间关系, 以及整条输电线路走廊的地理环境, 并在此基础上进行多种空间分析。在电力设备管理与设备巡视方面, 三维数字电网平台可以实景模拟变电站和站内设备, 能够直观地查看设备的分布情况、结构、参数及属性信息, 实现变电站资产全数字三维可视化管理。后期与输电在线监测系统集成, 还可以实现电网设备在线监测、应急指挥辅助决策、三维巡检管理、抢修路径分析等高级应用。

实验证明, 利用三维激光扫描仪采集输电线路和变电站的点云数据, 可以有效、快速地实现其三维模型的建立, 并且设备总体结构的完整性保持非常好, 解决了传统的测量仪器与方法在电力特殊领域应用的不足。同时, 基于精细的电力设备模型, 依靠高效的三维数字电网平台以及与生产、管理、培训等工作紧密结合, 实现对天津500 kV电网的三维数字化、网络化及动态可视化管理。变电站的操作和检修人员、管理人员和负责人可以更直观地以三维模型的方式进行信息的查询和浏览, 完成电力设备管理、设备巡视、生产培训、安全教学等工作任务, 提升管理效率和水平, 最终达到三维数字电网平台实用化的目的。