談數字電網建設電力設施三維建模方法

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摘要:電網工程的數字化是大數據時代的發展要求，也是國家電網公司建設數字化電網、提升全壽命周期管理的必然要求。通過對現有電力設施的純測繪手段建模(基于傾斜攝影測量、數字近景攝影測量和激光點云的三維建模)以及基于二維設計圖紙的軟件翻模兩種方法進行詳細的比較和分析，提出了針對不同電力設施進行三維建模的最佳方案，對于建設高質量“數字國網”具有重要的參考價值。

關鍵詞:數字電網;電力設施;三維模型

1概述

當前，以新一代數字技術為代表的第四次工業革命蓬勃發展，驅動電網企業不斷向著數字化轉型。國家電網公司為積極響應“三型兩網、世界一流”企業的新時展戰略，已經全面啟動了輸變電工程三維設計和工程數據中心的建設工作。電網工程的數字化是國家電網公司建設數字化電網、提升全壽命周期管理的必然要求，也是大數據時展的必然要求。數字化電網的建設包括新建電網設施的數字化以及既有電網設施的數字化，某變電站數字三維模型，如圖1所示。近年來，三維數據采集及建模手段突飛猛進，從空中到地面，以機載激光雷達測量、傾斜攝影測量、地面三維掃描等為代表的技術手段，可對客觀世界進行全方位、全覆蓋的三維數據采集，并有一大批成熟的軟件應用于自動、半自動或人機交互建模，數據采集和建模效率均得到了大幅提升。

2現有三維建模方法

2．1純測繪手段建模

純測繪手段建模不依賴于輸變電工程的設計圖紙，通過傾斜攝影測量、近景攝影測量、三維激光掃描等高新測繪技術手段，獲取到電力設施的點云數據和實景模型，在此基礎上再進行單體化建模，最后錄入設備臺賬信息。

2．1．1傾斜攝影測量建模傾斜攝影技術通過在同一飛行平臺上搭載多臺或多種傳感器，同時從多個角度采集地面影像，從而克服了傳統航空攝影技術只能從垂直角度進行拍攝的局限，能夠更加真實地反映地物的實際情況，彌補了正射影像的不足。通過攝影測量，對獲得的傾斜影像數據進行幾何處理、多視匹配、三角網構建、自動賦予紋理等步驟，可快速得到電力設施的三維模型。

2．1．2數字近景攝影測量建模數字近景攝影測量是利用近景攝影測量系統對不能接近或不能進行常規測量的被攝物體的空間姿態進行真實再現，利用相片對三維空間進行測量的一種重要技術手段。通過數碼相機的檢校、影像數據預處理、影像同名特征提取及匹配、數據編輯、真實紋理粘貼等步驟，建立可量測的三維立體模型。數字近景攝影測量技術能夠構建局部的高精度立體影像，可以很好地用于局部建模。

2．1．3三維激光點云建模三維激光點云建模利用機載激光雷達、三維激光掃描儀等設備對輸變電工程的設備、設施、建構筑物進行掃描獲取點云數據，采集物體表面的三維空間位置信息和紋理信息，然后利用專業軟件構建三維模型。三維激光掃描技術對變電所、輸電線路桿塔、導線及走廊地形的三維建模效果較好，經過數據預處理、點云數據拼接統一，可以快速、準確地生成線路本體以及走廊的三維模型，為電網運維、大修技改以及智能化輸電線路建設提供可視化技術服務。

2．2基于二維設計圖紙的軟件翻模

基于二維設計圖紙的軟件翻模是根據工程設計資料上的尺寸和型號等信息構建輸變電工程1∶1三維模型。模型構建主要利用商業化的三維軟件，如Bentley、Autodesk等。圖紙資料包括已有輸變電工程的設計、施工、竣工、普查、勘測等藍圖或檔案資料。通過三維建模軟件將一些基本的幾何要素，如立方體、球體等，進行一系列的幾何操作，比如平移、旋轉、拉伸以及布爾運算等來構建電網設備三維場景，具體步驟包括幾何建模、行為建模、物理建模、對象特性建模以及模型切分等。

2．3三維建模方法的比較和分析

2．3．1實用性比較純測繪手段建模以三維激光掃描為主，攝影測量建模效果達不到精細化建模的要求，可以作為三維激光掃描建模的補充。激光掃描建模采用激光點云建模，技術復雜程度較高。受激光掃描設備在變電站中移動的空間位置限制，設備間被遮擋，電纜溝、地下管線等位置均不能完成數據的采集，需要配合圖紙開展部分三維建模工作。圖紙翻模的三維模型是嚴格按照設計圖紙的尺寸進行幾何建模，設備之間的邏輯關系清晰，設備零部件能獨立顯示、屬性可查、更換靈活。地上、地下以及電纜溝中的設備設施均能以三維模型展現，建模精細化程度可以根據需求靈活處理，幾何建模和參數化建模相結合，能夠實現三維模型對真實情況的仿真模擬。

2．3．2經濟型比較純測繪手段建模的對象主要包括地面上電氣一次設備以及變電站內的建構筑物，但不包括變電站中的電纜溝、電氣二次接線以及一些不能直接采集獲取的設備，其數據采集和處理工作量較大，成本較高。圖紙翻模按照變電站三維設計的標準開展，建模對象包括地上、地下全部設備設施，如果沒有設計圖紙參考，模型設備單體化需要電氣人員進行配合，建模效率較低。圖紙翻模的成本主要是人工建模費用，在建模初期的費用與純測繪手段建模費用基本相當。

3電力設施三維建模方案推薦

根據以上幾種三維建模方式的比較和分析，參照電力設施的已有分類:三維設計通用模型庫設備、有二維設計圖紙設備、無圖紙設備，針對不同電力設施的情況推薦采取不同的三維建模方案。1)調用通用模型庫方案。對于有三維設計通用模型庫的設備，采用GPS、全站儀等儀器在既有電網設施現場進行測量，獲取設備擺放位置的坐標、布局以及主要設備構件的尺寸模型數據，再利用數碼相機對現場設備進行拍攝，獲取設備銘牌數據，結合二維設計圖紙，調用通用模型庫數據，搭建既有電網設施三維數字化模型。2)圖紙翻模方案。對于有二維設計圖紙的電力設施，基于輸變電工程竣工驗收圖紙和資料、后期運行過程中產生的檢修記錄以及設施運行維護臺帳信息，利用圖紙翻模的方法完成三維建模。3)純測繪手段建模方案。對于無圖紙的電力設施，可直接利用純測繪的技術手段，如三維地面或空中激光掃描、無人機傾斜攝影測量、近景攝影測量，獲得電力設施點云數據和三維實景模型，再錄入臺賬信息完成三維建模。

4結語

電網工程的數字化將給傳統電網的建設思維、電網建設技術手段以及實現電網產業的信息化和智能化帶來巨大的變革，選擇合適的電力設施三維建模方案，對于促進業務集成、打造三維電網、實現電力設施的數字化集中管理都有著重要的促進作用。

參考文獻:

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［2］程昊，劉建華，杜明義．基于3dMax的電力設施建模方法研究［J］．科學與技術，2018(3):11－12．

［3］林克全，馬欣欣．基于三維全景的電網數字化建設研究與應用［J］．電子制作，2020(9):87－89+49.

作者：蔡忠 單位：揚州浩辰電力設計有限公司