基于三维GIS的输电线路在线监测技术

【摘要】随着电网规模扩大及可靠性要求提高，如何应对日益频繁的极端天气影响，有效降低高压输电线路的维护费用，提高管理的信息化水平，已成为电网安全运行的重大课题。为突破传统以人工巡视为主的线路管理方式，南方电网超高压输电公司于2009年正式启动了“输电线路三维GIS运行管理系统”建设项目，借助激光雷达扫描、全球定位、卫星遥感、在线监测等技术，着力打造了集三维展示、路径巡航、状态监测、线路模拟等多功能于一体的，国内首个大规模广域输电线路综合管理及在线监测平台。

作为电力系统的重要组成部分，输电线路长期暴露在自然环境中，不仅要承受正常机械载荷和电力负荷的内部压力，还要经受污秽、雷击、强风、覆冰等外界因素的侵害，若不及时发现和消除潜在隐患，极易引发故障甚至事故，对电力系统的安全稳定运行构成威胁。但输电线路的运行维护目前仍以传统的人工巡视为主，不仅耗费较大的人力及时间成本，且在重大自然灾害发生时几乎无法发挥作用。因此，如何提高在线监测水平，特别是高压输电线路，成为电网应用研究领域的重要课题。

随着地理信息系统(Geographic Information System，GIS)技术的飞速发展及其在道路交通、城市规划、矿产开发等领域的成功应用，电力系统逐渐将GIS技术引入其中，并产生了可观的经济效益。但过去采用的是二维坐标的GIS系统，即在不同的层中以点、线、面等符号表征不同类型的实际物体，基于GIS的输电线路管理一直处于较为简单、原始的阶段，无法真正地反映线路、杆塔等电力设备设施周围的地形地貌，不能为巡视、操作及检修人员提供一个真实的环境信息。

为突破输电线路管理的技术瓶颈，超高压公司于2009年正式启动了“输电线路三维GIS运行管理系统”(以下简称三维GIS系统)建设项目，借助直升机搭载激光雷达扫描设备对所辖近15000多公里的输电线路及其走廊环境进行了数据扫描与处理，并融合全球定位、卫星遥感、在线监测、雷电定位等多项技术，着力打造了集三维展示、路径巡航、状态监测、线路模拟等功能于一体的，国内首个大规模广域输电线路综合管理平台。

1 输电线路三维GIS数据

虽然关于GIS的定义有许多不同，但几乎都公认GIS是一个以空间数据(信息)为中心的系统，这一点从美国摄影测量与遥感学会给出的定义即可见一般：“GIS是一个对地球空间信息进行编码、存储、转换、分析和显示的信息系统”。数据是GIS的血液，构造三维GIS平台的基础就是获得相应的矢量数据、模型数据以及影像数据。

超高压公司三维GIS系统数据扫描采用机载激光雷达扫描技术，对输电线路及走廊环境(宽度约100m)的信息进行采集，对采集结果进行分析和处理，产生输电线路/环境的三维点阵数据，并依照数据库要求进行数据再处理，包括三维空间数据对象分类提取、矢量化、属性匹配等。处理后的航飞轨迹精度可达：平面位置≤5cm，高程≤10cm;空间点精度可达：水平误差≤50cm，垂直误差≤20cm，影像分辨率≤50cm。

2 输电线路三维GIS运行管理系统研制路线

2.1 以关系数据库为中心进行多媒体数据管理

为了实现关系数据库对数据的统一管理，同时考虑海量的数据管理及性能问题，系统选用大型数据库Oracle作为数据库管理系统，以解决空间数据与非空间数据的管理问题。同时实现系统数据集成存储、网络共享、分布式处理。

2.2 影像处理合成

将数字正射影像图(DOM)在系统中与数字高程模型(DEM)进行三维融合，生成skyline平台独有的三维地形文件，完成包括遥感影像，高程数据和适量数据的影像处理合成。

2.3 系统开发

Skyline平台的TerraExplorer Pro是强大的三维建模工具，也是一个强大的分析工具，它支持WFS/WMS和ArcSDE，可以很好的与电力系统现存的二维系统联动。同时，Skyline平台的Developer提供了COM接口。利用该接口，可以实现用户自定义开发，从而和数据库做到完美的结合，充分利用外部资源，满足用户的需求。

2.4 数据发布

地理信息数据的一大特点就是海量数据。以前，制约三维GIS发展的一大瓶颈就是海量数据的发布，尤其是三维地理信息系统平台。而Skyline平台的TerraGate很好的解决了这一问题，TerraGate利用全新的技术使用户可以没有限制、没有阻碍、相对流畅的浏览海量数据。

3 基于三维GIS的输电线路在线监测与状态模拟

目前，三维GIS系统已形成以生产管理系统数据为基础、输电线路走廊高精度三维立体数据为依托，集输电线路在线监测、状态模拟等功能为一体的综合应用平台。其基本功能包括：三维浏览、线路及杆塔定位、三维空间数据分析、线路交叉跨越管理等;另外，在此基础上，本系统实现了输电线路覆冰、雷电等多种监测类型在三维空间中的发布与展示、查询与统计等功能。

3.1 雷电监测

可根据选择的线路，输入的线路走廊半径、开始时间和结束时间来查询雷电的信息，以输电线路微地形自然环境作为基础数据，实现区域落雷强度分析统计、区域落雷密度查询、落雷密度线分析等功能，并为防雷改造提供数据支撑。

图1 基于三维GIS的雷电监测

3.2 覆冰监测

对选定线路的气象环境、导/地线拉力、倾角、温度变化量、绝缘子泄露电流等进行查询与统计，监测覆冰情况。

图2 基于三维GIS的覆冰监测

3.3 风偏校核

具备塔头间隙的风偏校核功能，并进行分析与展示。

图3 基于三维GIS的风偏校核

3.4 污秽校核

运用GIS校核线路所处污区的绝缘配置，为线路大修技改提供依据，利用已有的污秽区域分布图、绝缘子型号、结构高度、爬距等参数信息，自动统计所有杆塔所处的污区信息及该杆塔的绝缘配置情况，从而分析出该杆塔是否满足绝缘配置的要求。

图4 基于三维GIS的污秽校核

3.5 耐雷水平校核

运用GIS校核线路所处污区的绝缘配置，为线路大修技改提供依据;利用已有的污秽区域分布图、绝缘子型号、结构高度、爬距等参数信息，自动统计所有杆塔所处的污区信息及该杆塔的绝缘配置情况，从而分析出该杆塔是否满足绝缘配置的要求。

图5 基于三维GIS的耐雷水平校核

3.6 风偏弧垂模拟

根据不同的输入参数，模拟分析不同条件下的风偏、弧垂状态。

图6 基于三维GIS的风偏弧垂模拟

4 下一步研究方向

4.1 完善输电线路在线监测数据三维可视化显示

目前，三维GIS系统完成了输电线路在线监测数据、地理信息数据的获取与建模，具备了线路综合管理的基础数据。但由于输电线路三维可视化管理仍处于研究阶段，本系统现有功能仍以简单的三维展示为主，尚不能充分发挥现有数据平台的优势。因此，为更好的服务实际生产工作，真正做到实时在线监测数据与地理信息数据的高度融合与统一，需加大基于三维GIS的在线监测数据三维可视化研究。例如，借助微气象监测数据，自动在三维场景中模拟实时天气情况;借助覆冰监测数据，自动在输电线路上模拟覆冰厚度与分布;借助风力监测数据，自动模拟导线的弧垂风偏等。

4.2 研究基于三维GIS的输电线路状态评估与专家系统

借助现有三维GIS系统，开展输电线路状态评估与专家系统应用研究，设计开发评估、分析、模拟、协助指挥等高级应用功能。一方面借助在线监测设备，通过数据比对与深层分析，实现对输电线路走廊及其周边环境的实时监控，及时发现潜在地质灾害(如通过监测杆塔位移发现地表塌陷等)，发布极端天气预警(如通过监测风力风速发出大风预警);实现对输电设备的状态评估与风险预警，提前预判设备故障，发现设备家族缺陷。另一方面，本系统还可以根据内置专家决策模块，通过数据挖掘技术与专家介入机制，实现自然灾害时应急抢险策略制定，合理调配人员、车辆、设备等资源;实现设备的检修策略制定，指导检修人员开展检修工作。

5 结论

超高压公司输电线路三维GIS运行管理系统为电力线路的在线监测与运行管理引入了一个全新的概念，有效满足了线路巡视检修、设计施工、应急抢险等方面的需求，将线路管理水平提高到了一个新的层次，实现了线路运行管理的电子化、信息化、精细化，从而最终保证电网高效率、低故障的安全稳定运行。

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