基于三维GIS的变电站辅助决策平台设计与研究

  陈俣, 张子谦, 张艳燕 南瑞集团有限公司（国网电力科学研究院有限公司）,江苏 南京 211000

0 引言

变电站信息化系统建设是智能电网建设中的重要组成部分,也是实现智能电网自动化特征的主要体现。GIS作为基础电网资源管理平台,为变电站信息化的建设提供了重要的技术支撑^[1]。目前,GIS已广泛应用在电网资源的统一结构化管理和可视化展现方面^[2],随着大数据、云计算等技术的迅速发展,电网GIS应用也在高并发访问、可弹性扩展等性能上有了进一步提升^[3-4]。近年来,国家电网公司也对信息化、数字化、自动化和互动化为特征的智能电网建设提出了更高的要求,现有二维GIS系统已逐渐难以适应和满足日益增长的动态、可视化的管理需求^[5]。而三维GIS技术以其直观可交互性及空间分析的可行性逐渐成为运营监控、运行检修等业务部门关注的新热点。

三维GIS作为电网资源基础平台,可提供电网三维空间信息的管理与应用服务。利用三维GIS实现电网三维地形数据、电网资源三维模型等基础信息数据采集、存储和分析,达到对电网设备空间和属性数据的管理同步进行。三维GIS不仅能够描述空间对象间的平面关系,同时能够表达空间对象之间的垂直关系、空间关系、面积范围和可视范围,为用户提供电网的三维环境特征及三维空间信息。近年来,通过基于GIS的电网多系统集成^[6],各省公司及直属单位已经逐步开展了输变电三维数字化设计^[7]及三维场景视频监控^[8]等多项三维GIS专题研究,取得了一定的成果。对于变电站信息化系统建设而言,本文通过设计一种基于三维GIS技术的变电站资源管理和辅助决策管理平台,以达到提高管理可视化水平、降低人工现场作业成本的目的。

本文在研究过程中引入了三维激光建模技术,通过对变电站全场景的扫描,获得变电站点云图数据。经过点云图的切割、拼接和噪声点消除,可获得与真实世界近乎一致的完整变电站实景复制点云图^[9],在此基础上可自动生成精准的变电站三维数据模型。该方法突破了传统的单点测量方法,具有高效率、高精度的独特优势^[10],可以用于获取高精度、高分辨率的数字模型^[11-12]。通过将三维激光建模技术与三维GIS技术相结合,有效保证信息化系统中三维场景的精度,缩短建模时间,提升模型的参考价值,同时构建了三维变电站辅助决策平台,为变电站智能化管理及辅助决策提供有效支持。

 1 关键技术

1.1 变电站数据采集与三维建模

目前,变电站三维场景建模方法主要是虚拟现实建模语言（Virtual Reality Modeling Language, VRML）建模、几何造型建模以及地面激光扫描建模^[13]。为了确保变电站模型精准度,系统采用了三维激光扫描仪对变电站进行数据采集。三维激光扫描优势在于不仅测绘效率高,且精准也远超过单电测量技术。通过对目标物体进行扫描,对采集到的变电站点云数据进行预处理,包括点云拼接、影像匹配、点云裁剪和点云输出等。其中,点云拼接是把不同的扫描站点进行拼接,使得这些扫描站点的数据能够统一到一个数据集中。最后运用软件的建模功能对点云进行模型建立, 就可以构建目标物体的高精度、高分辨率三维模型。三维激光扫描技术和单点测量技术的区别在于,单点测量技术是对单点进行测量,而三维激光扫描技术是对大量的点进行测量,大量密集的点就相当于是面,所以三维激光扫描技术是从点到面的技术突破。因此,基于激光扫描建立的变电站模型在精度及直观性等方面有很大的优势,与实际场景吻合度极高,可用于更好地支撑设备距离监测分析、作业方案仿真预演及虚拟仿真培训等高级可视化应用。

1.2 三维可视化渲染

由于通过三维激光扫描建立的模型具有精度高、数据量大等特点,为了实现高精度变电站设备模型在三维GIS平台中的高效渲染和场景交互,对模型渲染速度和渲染效率有了较高的要求^[14]。系统依据三维电力设备模型的特点,在浏览变电站场景不同区域或设备关注点时,将三维模型数据通过细节层次（Levels of Detail,LOD）模型技术重新进行分层组织,以应对不同分辨率的数字高程模型数据和影像纹理数据访问需求。LOD技术基本原理是,在不影响整体视觉感官和画面效果的条件下,通过逐次简化景物的表面细节来尽可能的减少场景的几何复杂性,从而提高绘制算法的效率^[15]。在绘制时,由于相较于具有全部细节元素的原模型,LOD每个模型均保留了一定层次的细节。因此可以根据不同的使用需求,在不影响模型视觉效果的前提条件下,通过逐次简化模型的表面细节来减少当前场景下的几何复杂性,以适应模型所在的不同视域范围和距离视点的高度下的最佳浏览效果,从而提高模型的渲染速度和渲染效率,尽可能地减少内存消耗,提升系统的整体性能。

1.3 海量数据传输

由于三维模型数据的特性,对于同样描述一个变电站场景而言,其对数据传输和存储的要求要远远大于二维图元数据。为了保证海量的变电站三维数据浏览和交互的流畅性,在数据传输效率和系统访问效率上较二维GIS系统有了更高的要求。传统的场景加载方式是全要素加载,即在启动系统时把变电站所有数据加载之后才能显示场景。其优点是在使用系统进行三维场景浏览时,所有模型已全部加载完毕,无需等待模型加载显示过程,可以随时正常浏览和交互。缺点是启动系统时下载和等待加载模型时间长,并且浪费存储资源。因此该方式通常适用于变电站数据量较小的情况。

为了尽可能地降低三维GIS平台加载模型时的内存占用率,同时减少启动系统时模型加载的等待时间,通常会采用流加载模式进行访问。该方法原理是根据请求发送数据块,按浏览时视野范围所见区域对模型进行实时加载,当离开视野范围时,不进行加载^[16]。在传输前,先将模型数据处理为结构数据和几何数据,在客户端访问初始时显示模型的基本轮廓;当近距离浏览模型时,利用相应的模型恢复算法将接收到的数据添加到已显示的模型中,达到精细模型渐进化显示的效果。利用流式传输技术能在满足用户对视觉和精度的前提下,大幅减少三维模型下载延时现象,保证系统流畅运行。

 2 系统结构设计

2.1 总体架构

变电站辅助决策平台的总体结构如图1所示,从逻辑上分为3个层次：数据层、服务层、应用层。

图1 变电站辅助决策平台总体架构Fig.1 Overall architecture of substation auxiliary decision platform based on 3D GIS

应用层主要是指平台用户侧的交互部分,用户通过C/S或B/S方式访问系统,调用相关操作进行变电站三维可视化管理。主要包含数字模型管理、多源数据融合、电力业务数据、变电站数字化展示分析、变电站预案仿真、变电站虚拟现实全景动态仿真、一体化管理指挥应用决策分析、智能电网日常应用业务管理等8个功能模块,是平台与用户交互的窗口。

服务层包括接口服务及应用服务2个部分。应用服务主要是为平台的三维GIS应用功能提供支撑,地形数据包括正射影像、数据高程模型和矢量数据等,通常该部分数据容量较大。为了提高数据传输效率,在系统设计时需要优先考虑在网络数据传输优化后,再进行三维地形数据的网络实时在线发布。该应用服务采用LOD模型技术,确保客户端接收到低分辨率的影像数据即可,不必等待所有数据传送完毕就能正常在三维GIS环境中调用相应的数据服务,不受网络连接的反应时间或中断影响。接口服务指变电站辅助决策平台与外部系统的数据集成接口部分,主要用于平台与外部系统的业务数据获取及共享。

数据层包括数据获取、数据处理、数据管理及外部数据接入等4个部分。通过采集和预处理后的数据,按格式分,包括矢量、栅格、模型、文档、图件等,按数据类型分,包括基础地理信息、遥感影像数据、DEM、设备模型数据等。针对海量数据管理应用,系统对各种数据进行集成管理和发布,以提高数据的利用效率。外部数据获取主要通过PMS2.0等业务系统设计相关接口,向平台进行数据推送。通过信息系统集成及数据共享优化技术,高效整合数据资源,并完成按文件类型的分类存储和数据备份。

2.2 技术架构

变电站辅助决策平台技术架构如图2所示,主要分为结构化数据中心、数据源、业务应用和三维精准数字模型应用4部分。

图2 变电站辅助决策平台技术架构Fig.2 Technical architecture of substation auxiliary decision platform based on 3D GIS

2.2.1 结构化数据中心

1）结构化数据中心是变电站辅助决策平台外部电力业务系统的数据存储与管理中心。

2）以接口的方式与变电站辅助决策平台实现集成关系。

3）与平台间的集成关系是单向的,即：仅支持结构化数据中心向平台共享数据。

2.2.2 数据源

数据源是变电站辅助决策平台的数据存放区域,主要包含4类数据：电力业务数据（PMS2.0）、设备检修状态策略数据、应急预案数据以及三维精准数字模型数据。

1）电力业务数据（PMS2.0）是外部数据库,属于电力业务系