基于三維可視化的GIS局放在線監(jiān)測系統(tǒng)應用

海南電網海南輸變電檢修分公司 李曉洋 梁盛樂 楊杰

摘要：提出構建基于三維可視化的GIS局放在線監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)GIS局放監(jiān)測信息、異常告警信息與三維場景融合展示，并具有內部結構透視功能，有助于專家診斷定位局放類型。

關鍵詞：三維可視化;GIS在線監(jiān)測;局放診斷定位

1引言

GIS( Gas Insulated Switchgear)是一種氣體絕緣全封閉組合開關電器，局部放電是導致GIS設備絕緣劣化的主要原因之一，同時也是描述GIS絕緣老化的重要特征。GIS局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)是運用特高頻、超聲傳感器技術實時監(jiān)測GIS內部的局放信號，通過后臺的數(shù)據(jù)分析軟件和智能診斷系統(tǒng)，對局放信號進行分析和處理，評估GIS的絕緣狀態(tài)，判斷缺陷類型和缺陷的大致位置，并給出維護建議。

隨著三維建模等技術的發(fā)展和應用，三維可視化技術以其直觀可交互性及空間分析的可行性逐漸成為運營監(jiān)控、運維檢修等業(yè)務部門關注的新熱點。本文著重研究對比了不同三維建模技術的優(yōu)缺點，研究選擇了適合變電站GIS局放在線監(jiān)測系統(tǒng)的快速建模方法，開發(fā)了GIS在線監(jiān)測系統(tǒng)的三維可視化功能，竇現(xiàn)了GIS局放監(jiān)測信息、異常告警信息在三維場景中的融合展示，并具有內部結構透視功能，有助于專家診斷定位局放類型。

2三維建模技術對比

三維建模是信息化平臺實現(xiàn)三維可視化展示效果的關鍵技術之一。目前主流的三維建模方法有軟件建模、傾斜攝影建模和激光掃描建模三種，下面對幾種三維建模技術進行分析和對比。

2.1軟件建模

依據(jù)變電站數(shù)碼圖片、設計圖紙和廠家設備圖紙，利用AutoCAD、3dMax、Maya等專業(yè)建模軟件，按照一定比例采用立方體、圓柱體、圓錐體、圓環(huán)等建立變電站各種電氣設備的三維模型，然后設置模型貼圖與材質，拼接電氣設備模型完成變電站三維場景建模，該建模方法獲取的模型主要有三種：線框模型、表面模型與實體模型。

傳統(tǒng)的三維建模方法無法保證三維模型的尺寸、位置關系等符合真實場景，存在建模過程耗時長、操作復雜、效率低或者建模方法對環(huán)境要求過高等缺陷，尤其對于變電站這種復雜場景，無法滿足對大型復雜環(huán)境三維建模精度和效率的要求。此方式適合小范圍或針對部分設備進行建模。

2.2傾斜攝影建模

傾斜影像是指由一定傾斜角度的航攝相機所獲取的影像。傾斜攝影技術是國際測繪遙感領域近年發(fā)展起來的一項高新技術，通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從垂直、傾斜等不同的角度采集影像，獲取地面物體更為完整準確的信息。

常用的傾斜攝影技術主要有三相機和五相機組合，目前主流方案采用五相機(也有少數(shù)采用雙相機或單相機的方案，但通常以采集效率降低為代價)。在一般傾斜攝影的五相機方案中，一臺獲取垂直影像，另外四臺從前后左右四個方向同時獲取地物的側視影像。相機傾斜角度在40度到60度之間，因此可以較為完整的獲取地物側面的輪廓和紋理信息。傾斜攝影系統(tǒng)可以搭載在有人飛機或無人機上，快速獲取地物三維模型且成像效果好，是大場景三維建模重要選擇之一。

傾斜攝影可以獲取具有真實紋理的三維數(shù)據(jù)，適合做大范圍的城市三維建模、輸電線路通道建模和一些對精度要求稍低的三維工程測量應用。由于傾斜攝影技術采用可見光測量，對天氣要求較高，并對植被下的地形、細小物體(電塔、電力線)等建模能力不足。

2.3激光掃描建模

激光掃描建模是利用激光雷達設備完整保存記錄對象信息的點云數(shù)據(jù)，并用于精細三維建模的方式。

激光雷達( LiDAR)是一種集激光掃描與定位定姿系統(tǒng)于一身的測量裝備，可以高度準確的定位激光束打在物體上的光斑。LiDAR系統(tǒng)包括激光器和一個接收系統(tǒng)。激光器產生并發(fā)射一束光脈沖，打在物體上并反射回來，最終被接收器接收;接收器準確的測量光脈沖從發(fā)射到被反射回的傳播時間，根據(jù)光速計算出傳播時間，再轉化為對距離的測量。結合激光器的高度、掃描的角度就可以準確的計算出每一個地面光斑的單位坐標。激光雷達有機載、車載、地面固定站和手持等適合不同應用場景的設備類型。

激光雷達具有穿透植被的能力，可以測量植被覆蓋的地形。同時，激光雷達獲取的高精度點云數(shù)據(jù)測量精度很高，適合做高精度的地形測量和工程勘測、輸電線路及通道三維測量與建模。激光雷達目前仍存在設備較昂貴的問題。

利用地面激光雷達掃描變電站，獲取密集的三維點云數(shù)據(jù)，將變屯站點云數(shù)據(jù)與CCD相機采集的現(xiàn)場圖片進行融合后得到彩色點云數(shù)據(jù)，其包含物體的尺寸、結構、材質等信息，使三維點云數(shù)據(jù)的場景具有較強真實感，為變電站點云數(shù)據(jù)的分類提供了有效依據(jù)，并可提高變電站三維建模的效率和準確性。

2.4對比小結

對軟件建模、傾斜攝影建模、激光掃描建模的對比分析如表1所示。

3 GIS局放在線監(jiān)測系統(tǒng)架構

GIS局放在線監(jiān)測系統(tǒng)組成包括局部放電信號接收傳感器、就地采集單元、綜合監(jiān)測主機和主站狀態(tài)監(jiān)測診斷平臺。系統(tǒng)架構圖如圖1所示。

該系統(tǒng)中，局部放電信號接收傳感器為無源傳感器，支持特高頻傳感器、超聲傳感器兩種，且特高頻傳感器根據(jù)GIS結構可選擇設置外置型和內置型兩種類型。就地采集單元用于對多路傳感器輸出信號進行調理、采集、數(shù)字化，每個傳感器輸出信號采用獨立采樣通道，并具備同步采集控制功能，每個采集單元的采集通道最大可擴展至10通道。

綜合監(jiān)測主機每座變電站配置1臺，具備GIS局放數(shù)據(jù)預處理與參數(shù)調節(jié)控制等功能，并用于將全站的GIS局放監(jiān)測數(shù)據(jù)匯總上傳至主站狀態(tài)監(jiān)測診斷平臺。主站狀態(tài)監(jiān)測診斷平臺提供多個變電站的GIS局放監(jiān)測數(shù)據(jù)接入、診斷分析和可視化展示等功能，根據(jù)需要主站狀態(tài)監(jiān)測診斷平臺能夠實時顯示每個監(jiān)測點的PRPS三維譜圖、PRPD累計譜圖，顯示每個監(jiān)測點局部放電信號的幅值(最大放電量、平均放電量)的歷史趨勢圖，并能夠根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)準確判斷GIS內部自由金屬顆粒放電、懸浮電位放電、沿面放電、絕緣件裂痕及內部氣隙放電、金屬尖端等典型放電類型，并用統(tǒng)計的方式明確給出各種放電類型發(fā)生的概率，放電類型識別準確率不低于80%。

4三維可視化監(jiān)測診斷平臺

4.1平臺架構

基于三維可視化的GIS局放在線監(jiān)測診斷平臺采用開放式可擴展的架構設計，系統(tǒng)架構按照數(shù)據(jù)層、服務層、應用層三層基本架構設計，如圖2所示。

應用層提供可視化的操作界面，包含信息查詢、數(shù)據(jù)展示、監(jiān)測報警、結構透視、系統(tǒng)登錄、系統(tǒng)配置等界面功能。應用層的設備狀態(tài)監(jiān)測功能包含檢測數(shù)據(jù)查看分析、設備狀態(tài)橫縱向對比分析、監(jiān)測設備管理與配置操作頁面以及三維可視化的相關功能等。

數(shù)據(jù)層以服務的方式獨立部署，采用標準模型庫，使用數(shù)據(jù)的讀寫分離設計，使數(shù)據(jù)訪問層能夠持續(xù)提供高效、穩(wěn)定的服務。基于可擴展數(shù)據(jù)層，設計統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型，建立設備檔案、在線監(jiān)測數(shù)據(jù)、預警信息等組成利業(yè)務數(shù)據(jù)庫和三維建模數(shù)據(jù)形成的三維模型庫，根據(jù)數(shù)據(jù)訪問服務開發(fā)規(guī)則，開發(fā)適合業(yè)務需要的數(shù)據(jù)訪問服務，供服務層的高級微服務提供數(shù)據(jù)訪問基礎。

服務層為微服務架構，具備顆粒微型化、責任單一化、運行隔離化、管理自動化等特點。使用Spring Cloud技術框架，在服務層開發(fā)高級微服務，并進行服務注冊。系統(tǒng)實現(xiàn)包括設備狀態(tài)信息穿透可視化、綜合統(tǒng)計分析、感知層管理與配置、監(jiān)測設備管理與配置、基于深度學習的局放類型診斷等高級微服務。

應用層提供可視化的操作界面，包含信息查詢、數(shù)據(jù)展示、監(jiān)測報警、結構透視、系統(tǒng)登錄、系統(tǒng)配置等界面功能。應用層的設備狀態(tài)監(jiān)測功能包含檢測數(shù)據(jù)查看分析、設備狀態(tài)橫縱向對比分析、監(jiān)測設備管理與配置操作頁面以及三維可視化的相關功能等。

4.2功能實現(xiàn)與應用

4.2.1全站三維場景引導漫游

通過三維建模技術和可視化渲染技術，構建變電站場景、設備的三維數(shù)字模型場景，包括變電站設備、安裝的傳感器及站內環(huán)境關鍵要素，如地面、天空、圍墻、房屋、通道、消防設施、標識等，真實反映變電站設施設備細節(jié)和特征、空間關系，實現(xiàn)三維場景瀏覽、引導漫游及相關操作功能，可以360度任意三維互操作，呈現(xiàn)出真實場景，讓管理人員和技術人員直觀的了解變電站設施設備的具體情況。構建的變電站GIS室三維場景如圖3所示。

場景瀏覽及引導漫游提供兩種快捷定位導航方式，一種是文本定位導航，通過點擊頁面左側目的地清單里的目的地可快速定位至相應地點;二是圖片定位導航，通過點擊典型的場景縮略圖可快速定位至目的地位置。

4.2.2監(jiān)測數(shù)據(jù)融合展示

三維可視化的GIS局放監(jiān)測診斷平臺的重要功能是實現(xiàn)局放監(jiān)測數(shù)據(jù)與報警信息在三維場景中的融合展示，這是相比于傳統(tǒng)二維展示界面的特色所在，能夠讓監(jiān)控人員更加直觀的了解設備運衍狀態(tài)和詳細信息。

三維場景中可融合展示的數(shù)據(jù)包括設備屬性信、息、傳感器屬性信息、傳感器的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、監(jiān)測診斷告警信息、設備運行狀態(tài)、實時天氣信息等。部分信息已直接融合于三維場景展示畫面中，還有一部分詳情信息需要點擊三維場景中設置的興趣點可打開會話窗來獲取相關信息。

GIS局放在線監(jiān)測的三維可視化界面中融合展示了傳感器狀態(tài)、設備狀態(tài)、報警信息等，設備狀態(tài)包括設備是否帶電、有無故障、設備檢修狀態(tài)等。有報警發(fā)生時，在三維場景中和列表里同時高亮顯示報警數(shù)據(jù)，點擊列表中報警數(shù)據(jù)，自動定位到場景中報警設備位置;根據(jù)報警等級不同，使用不同的顏色表示報警狀態(tài)。可視化效果如圖4所示。

在三維場景中，點擊傳感器興趣點可彈窗顯示傳感器相關信息，包含傳感器臺賬信息、監(jiān)測圖譜信息(如圖5所示)、趨勢分析圖、報警信息等;點擊間隔設備元件，在彈出的信息框中關聯(lián)顯示該元件的相關信息;其他設備信息顯示設備臺賬。

4.2.3關鍵設備內部結構透視

通過對關鍵設備的組成部件單獨建模，構建關鍵設備內部結構模型，通過部件的空間關系和拆裝順序，能夠在三維場景中模擬操作設備的拆裝，讓用戶可以快速、直觀查看設備內部結構，有助于專家用戶在出現(xiàn)局放數(shù)據(jù)異常情況下結合設備內部結構進行局放類型診斷分析。

如圖6所示，在設備詳情會話窗，點擊“設備拆分”和“一鍵還原”按鈕可實現(xiàn)對設備的拆分與組裝;點擊拆分后的設備元件，可查看當前選中元件的名稱。

4.2.4平臺上線應用

經開發(fā)調試和優(yōu)化，基于三維可視化的GIS局放在線監(jiān)測系統(tǒng)已應用于南網某變電站，監(jiān)測診斷平臺已部署上線使用，并連續(xù)穩(wěn)定運行7個多月。監(jiān)測診斷平臺的數(shù)據(jù)刷新頻率為5分鐘一次，三維場景可視化結果同步刷新，滿足GIS局放在線監(jiān)測的要求。

5結束語

本文對比分析了當前主流三維建模技術的優(yōu)缺點，并在此基礎上選擇激光掃描建模方式構建變電站三維場景建模，提出了基于三維可視化的GIS局放在線監(jiān)測系統(tǒng)及診斷平臺的架構設計，開發(fā)實現(xiàn)了GIS局放在線監(jiān)測診斷平臺的三維可視化功能，并將該系統(tǒng)應用于巢變電站，該系統(tǒng)已連續(xù)穩(wěn)定運行7個多月，其性能滿足GIS局放在線監(jiān)測的要求并大大改善了后臺監(jiān)控用戶的視覺體驗。

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