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三维全景智能电网支撑 平台的关键技术研究与应用
任培祥,朱中耀,李 鑫,吴 萍
100011) (北京洛斯达科技发展有限公司,北京
摘要:本文研究了三维全景智能电网支撑平台相关的多源、多尺度空间数据组织与分布式管理技术以及网络 环境下异构GIS数据集成与互操作技术,创建了基于网络渐进传输的三维调度与渲染引擎。结合现阶段智能化 电网相关需求,实现了信息模式的共享、系统数据的整合,跨区电网线路相关数据的整体展现,通过此种手 段最终能够达到优化电网的运行和管理。 关键词:三维全景;智能电网;信息模式;跨区电网。 中图分类号:TM63 文献标志码:B 文章编号:1671-9913(2009)03-0051-03

Study and Application of Key Technique of Support Platform of 3D Panoramic Intelligent Power Grid
REN Pei-xiang, ZHU Zhong-yao, LI Xin, WU Ping (Beijing North-Star Technology Development Co., Ltd, Beijing 100011, China)
Abstract: The key technique of multiple sources, multiple scale spatial data structure and administrator of distributed in 3D panoramic Intelligent smart power grid are discussed in this paper. 3D scheduling and rendering base on progressive transmission network are created. With the requirement of Intelligent power grid, the system implement share of information model, integration of system data, showing of the data of spanned region power grid. The system can optimize running and management of power grid by this method finally. Key words: 3D panoramic; intelligent power gridl; distributed; heterogeneous; interoperability; information model; spanned power gird.

“智能化电网”是当今世界电力系统发展 变革的最新动向,并被认为是21世纪世界电力 系统的重大科技创新和发展趋势。智能电网的 本质是能源替代和兼容利用,它需要在创建开 发系统和建立共享的信息模式的基础上,整合 系统中的数据,优化电网的运行和管理。国家 电网公司提出:智能电网应涵盖发电、调度、 输变电、配电和用户各个环节,是一个闭环系 统。智能电网首先应该是坚强的电网,能够实 现能源资源的大范围优化配置,保障安全可靠
* 收稿日期:2009-06-15

地电力供应。 本文通过对“三维全景智能电网支撑平 台”的研究解决了三维场景大数据量的实时显示 问题以及电网运行和管理中涉及到的相关问题。

1
1.1

整体设计
系统结构设计

本平台采用WebGIS典型的三层结构设计: 包括客户机、应用服务器与Web服务器、数据

作者简介:任培祥(1979-),男,河北泊头人,硕士。研究方向:三维地理信息系统。

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库服务器。客户机负责数据结果的显示和用户 请求的提交;应用服务器和Web服务器负责响 应和处理请求;而数据库服务器负责数据的管 理工作。所有的数据都放在服务器端,客户端 通过发出请求调用数据以及显示,所有响应都 在服务器端完成,这种模式从根本上解决了客 户端系统的工作压力,为提高系统的效率提供 了根本的保证。 数据请求流程:数据的请求是通过定制的 http协议来进行的,客户端将指定的数据集类 型、地理位置以及延伸区域等信息通过发送http 请求给服务器端,然后通过负载均衡的地理数 据处理系统来调配相应的数据。
HTTP请求 影像输出

术上的保障。 随着影像和DEM数据量变得越来越大,为 提高实时缩放和渲染的速度,快速的获取不同 分辨率下的数据,往往对原始的影像和DEM建 立其金字塔层级结构。 在构建地形金字塔的层级结构时,首先把 原始的地形数据作为金字塔的底层,即第0层, 并对其进行分块,形成第0层的层级块矩阵。在 第0层的基础上按每2×2个像素合成一个像素的 方法生成第一层,并对其进行分块,形成第1层 的层级块矩阵。依次按照此种方法构建整个层 级的金字塔。

1.2.2 数据的索引方式
采用线性四叉树的索引方式对生成的影像 金字塔层级块进行索引。四叉树是一种每个非 叶子节点最多只有四个分枝的四叉树结构,它 也是一种层次数据结构,特点是能够实现空间 递归分解。

总服务器

业务流程 服务器1

业务流程 服务器2

业务流程 服务器n 第2层 第1层 第0层

存储器1

存储器2

图2 金字塔层级模型的四叉树结构

图1 负载均衡的地理数据处理服务器系统

由于四叉树结构的生成和维护相对比较简 单,且当空间数据对象分布比较均匀时,基于 四叉树的空间索引可以获得比较高的空间数据 插入和查询效率,因此其成为空间数据库中常 用的索引之一。 在生成空间四叉树索引结构时需要确定工 作区域的边框坐标,即空间四叉树的根节点。 空间对象插入空间数据库时如果某一节点中的 空间对象达到某一阈值,则需将当前节点分解 成2d个子节点(其中d为空间的维数)以使每个节 点中包含的空间对象数小于给定的阈值。

业务流程服务器首先会检查缓存的结果对 于客户端是否有效,只有当在缓存中不能找到 需要的数据时才会对存储器中的数据进行相应 的处理。

1.2

数据的组织方式

1.2.1 金字塔层级结构的机制
采用金字塔层级结构对影像和DEM进行 分级分块。金字塔是一种多分辨率层次模型, 从金字塔的底层到顶层,其分辨率越来越低, 对应的层级数据量也越来越小。在地形场景的 绘制时在保证显示精度的前提下为提高渲染速 度,不同的场景区域需要不同分辨率的DEM数 据和影像数据。金字塔层级结构的建立为减少 数据访问量、提高系统的效率及性能提供了技

1.2.3 目标层级块的快速搜索算法
采用视点相关的LOD(Level of Detail)技术 可视化对目标层级块进行快速搜索。 采用LOD 技术时要求不同区域对应不同分 辨率的地形数据,因此在层级块的搜索过程中

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需要进行分辨率的测试,图3是地形层级块分辨 率需求示意图,图3中E为视点,白色矩形区域 表示与视景体相交且需要参与地形绘制的层级 块数据,矩形越小则表示分辨率越高。搜索采 用由粗到细、层层推进的策略。

2.1.1 影像和DEM分级分块的文件命名
系 统 使 用 L e v e l Z e r o Ti l e S i z e D e g r e e s 来 决 定 每 一 块 的 宽 和 高 的 大 小 , LevelZeroTileSizeDegrees是层与层间转换的最 简单的距离。影像的分辨率不同此值会有所 不同,2.5m的高分辨率卫星影像的值一般为 0.17578125,0.16m分辨率的航空影像的值一般 为0.01098632。 利用下面公式,求某点坐标X、Y(纬度、 经度)在某层L的文件号,即图片号。 [(X+90)/ LevelZeroTileSizeDegrees]×2L=文 件夹号A [(Y+180)/ LevelZeroTileSizeDegrees]×2L= 图片后缀B 最终形成单个文件的名称样式为:A_ B.jpg。

图3 地形层级块分辨率需求示意图

金字塔层级模型和线性四叉树索引相结合 的数据管理模式,能够满足海量地形数据实时 可视化的需求,并在实现海量地形数据实时绘 制的同时完成了影像数据的实时映射;通过对 视景体可见区域外地形数据的裁剪和基于分辨 率测试的目标瓦片快速搜索算法,大大减少了 地形绘制的数据量,提高了系统的执行效率;采 用基于高、中、低优先级的地形瓦片请求预测方 法,进一步提高了三维地形交互漫游的速度。

2.1.2

数据的调用及加载

1.3

采用插件式开发模式
本平台应用插件的集成和二次开发,针对

不同的需求能方便的进行扩展。可支持多种语 言和形式,且有较高的运行效率。

影像和DEM在做好金字塔分级、分块之后 存储在服务器端,系统启动时通过Http协议以 及对应的URL访问服务器,当相机的视点位于 某一影像范围内并且位于某一高度范围内,系 统会通过指定的URL下载并加载相应影像。以 下是本系统所用的URL例子以及各参数说明: ht tp ://1 9 2. 16 8 .1 .111 /D e fa u lt.a s p x ? T= 0100000100&L=1&X=1332&Y=5735
表1 URL服务地址参数说明
参数说明
http://192.168.1.111/Default.aspx T L X Y

2

实现方式
结合当前“智能化电网”的规划建设,构

描 述
ASPX服务名 线路代码 当前影像层 图片文件号A 图片文件号B

建三维全景智能电网支撑平台。将电网建设前 期的各种即得数据(包括高分辨率卫星影像、航 空影像、相关设计信息、档案信息等)进一步处 理录入到系统当中,同时提供杆塔的实时在线 监测及预警信息和视频输出。

2.2

杆塔查询
主要功能包括:线路在线监测及预警;线

2.1

数据的层级管理
数据的层级管理主要是保证三维全景浏览

路资料管理、查询。 ⑴ 线路在线监测及预警 线路在线监测模块能为用户实时地收集到 不同厂家的前端监测设备通过GPRS/CDMA方 式传输到监控中心的各种不同形式的信号,并 加以解析形成视频、图像以及其他形式的观测

的速度,主要管理的对象是影像和DEM。其中 影像包括多种不同分辨率的卫星影像和高分辨 率的航空影像,每种分为4层;同时包括多种分 辨率的DEM,每种分为11层。

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数据信息。并能以趋势曲线和统计图的形式予 以展现,使用户更直观的掌握相关信息。监 测设备主要包括以下几大类:远程图像/视频 监控、导线覆冰监测、杆塔倾斜监测等共计 10类。 预警预测模块的主要作用是通过对比各种 监测参数和其报警按,在线路出现覆冰或者其 它情况影响安全运行时及时预警。 ⑵ 线路资料管理、查询 此模块主要包括线路数字化档案管理、线 路设备台帐查询、杆塔照片查询。 线路数字化档案主要包括设计和施工过 程中的各种图纸、资料、图表、空间数据、现 场照片等的数字化形式。线路设备台帐主要包 括设备材料设计单位、施工单位、运行单位、 生产厂家等。杆塔照片主要是包括线路运行后 在现场采集的实景照片。以上数据录入到数据 库,通过系统进行加载、显示。

的卫星影像、2.5m分辨率的卫星影像、0.16m分 辨率的航空影像等遥感影像。DEM的加载顺序 为90m分辨率、30m分辨率、6.77m分辨率等地 形数据。 图4~图7列举了整个场景层级数据加载的 部分事例,通过下列几张图可以清晰的看出影 像和DEM等数据逐步的加载过程。

图4 加载500m分辨率卫星影像

3

三维全景智能电网支撑平台在智 能化电网规划建设中的应用
目前应用于智能化电网规划建设中的三维

GIS系统平台相对来说还比较少,主要是一些二 维的GIS系统应用于各电力相关单位。输电线路 的管理具有跨越空间距离长、数据量大,结合 电网运行的实际特点,运用三维GIS 技术提供 输电线路特色的良好的数据组织平台,直观的 了解现场实际的地形、地貌,为输电线路运行 管理提供服务。 本系统首先是为智能化电网的建设提供 一个支撑平台,使运行维护工作步入规范化、 标准化以保证输电线路各阶段积累数据的准确 性、现势性。 同时,平台的建设综合考虑了电网生产运 行中的一些主要的业务需求,结合坚强的智能 电网的要求将在线监测及预警、设备台帐、档 案管理等功能以插件的方式集成。
图5 加载15m分辨率卫星影像

3.1

数据层级管理的应用
整个地球逐步放大时依次加载不同层级的

数据直至每一个杆塔模型显示出来。影像的加 载顺序为500m分辨率的卫星影像、15m分辨率
图6 加载2.5m高分辨率卫星影像

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路工程的运行、管理中,无疑为决策者提供快 速、便捷的服务。系统依托晋东南交流特高压 示范工程进行研究开发,并逐步扩展到跨区电 网的应用中,目前录入的线路数据已包括多 条,以下是以录入系统的部分数据。为确保数 据的安全和保密,所有试验数据均采取了加密 措施,并部署在与外网物理隔离的国家电网公 司内部的生产网络上。
表2 系统录入数据情况 图7 加载0.16m分辨率航空影像
数据内容
高分辨率卫星影像 (分辨率为2.5m) 航空影像 (分辨率0.8777m) DEM (数字高程模型)

说明
淮南-上海1000kV 宁东-山东±660kV等7条线路 晋东南-南阳-荆门1000kV全线600多公里 三峡输变电工程72条线路共计9000多公里 全国范围内90m分辨率, 输电线路沿线6.77m分辨率 相关线路杆塔模型 晋东南-南阳-荆门 18个标段的档案资料和设备台帐资料 三峡输变电工程72条线路的档案资料 和设备台帐资料 晋东南-南阳-荆门全线在线监测数据

3.2

在线监测及预警

随着电网规模的不断扩大,电网的运行维 护工作也日益显得重要。如何应对因自然灾害 以及其它因素导致电网物理上、结构上的毁坏 后电网的安全运行,在现有资源条件下,通过 合理组织输电线路运行维护管理的各种数据实 现输电线路的在线监测及预警,能够在紧急情 况下做到快速响应且提供应急抢修平台。

其它数据

3.3

杆塔的档案信息查询

设计过程中的档案资料经过一定的处理后 将以“数字化”的方式直接进入系统,应用于 线路的运行管理阶段。系统对工程资料、档案 的管理基于空间数据,可以直观的实现对档案 的组织和管理 。 杆塔的档案可对外提供的信息主要包括: ⑴ 提供杆塔相关设计图; ⑵ 提供施工现场的基础开挖前后的照片等。

3.4

线路设备台帐查询

在相关线路数据和技术优势的基础上,目 前该系统已经运用到交流特高压试验示范工程 1000kV晋东南—南阳—荆门输变电工程当中。 该系统不仅可提供三维场景模拟,而且应用自 身的在线监测及预警模块、数字化档案管理模 块、线路设备台帐模块、杆塔照片模块等可以 提供用于线路运行、维护、管理的全面的数 据,从实时性以及数据的完整性方面为管理部 门提供辅助决策支持。 随着输变电线路数据的进一步增多,该系 统的优势也逐步体现出来,多而全的数据将会 为线路的运行管理提供科学、规范的保障。

设备台帐为用户提供了便捷的途径来获取 海量的线路及变电(换流)站的相关电力设备信 息,用户可以通过此功能不仅可以宏观的了解 和统计线路及变电(换流)站设备的整体信息。

5

结语

3.5

杆塔照片查询

将现场拍摄的照片录入到数据库中,作为 线路资料的一部分,通过点击杆塔的方式查询 相关照片。

4

应用实例
将三维全景智能电网支撑平台应用到线

随着“智能化电网”等新概念的提出,智 能化电网建设无疑会成为电网建设的重点发展 方向。目前智能化电网计划还处于研究探讨阶 段,建设分三个阶段即规划试点阶段、全面建 设阶段、引领提升阶段。以坚强网架为基础, 以通信信息平台为支撑,以智能控制,涵盖面 广,涉及的环节多,实现“电力流、信息流、 业务流”的高度一体化融合。 将三维全景智能电网支撑平台引入到智 能化电网的建设中为实现信息化、数字化、自

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动化、互动化的“智能”技术特征提供相关支 持。通过整合发电侧信息库、输变电信息库、 配电侧信息库、用户侧信息库、基础支持信息 库等多个信息库构建真正意义上的智能电网的 支撑平台。

[7] 孙竹森,李震宇,蒋荣安,阎平.海拉瓦技术在特高 压线路施工中的应用[J].电网技术,2008,32(18). [8] 衣立东,吕世荣.750kV输变电示范工程施工关键技 术的研究与应用[J].电网技术,2006,30(3). [9] 殷金华,郑小兵,邹立.海拉瓦技术在变电所勘测 设计中的应用[J].电力勘测设计,2004,(4). [10] 张宝庭,范光甫.海拉瓦技术及其在送电线路中的 应用[J].电力建设,2002,23(11). [11] 梁旭明,张国威,徐玲玲,等.1000kV交流特高压 试验示范工程的生产准备工作与实施[J].电网技 术,2008,32(5). [12] 高毅,袁敬中,马志伟,等.基于海拉瓦技术的输 电线路施工管理数字沙盘系统的开发与应用[J].电 网技术,2007,31(21). [13] 姚健.多维多分辨率空间信息可视化技术研究[D].西 安:西安电子科技大学,2004. [14] 郑伟亮.海量空间信息互联网发布技术研究及其系 统实现[D].西安:西安电子科技大学,2005.

参考文献:
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信息

国家电网特高压两新型导线研制成功

由中国电力科学研究院牵头、多家单位合作研制的“1000kV特高压交流同塔双回扩径导线及 跳线研究”和“大截面导线技术及其在超、特高压直流工程中的应用研究”项目通过国家电网公司 验收。专家认为,项目研究成果已达到国际先进水平。 项目研制的900mm2大截面导线可有效降低线损,与传统的630mm2截面导线相比,每年每千米 线路可节电4.32万kW?h。导线的大风水平荷载、覆冰垂直和水平荷载也将明显降低。使用这种导线 后,线路综合塔重可减轻1%~2%。目前,大截面导线在我国已从新生事物变为常规标准化产品, 并将在今后的电网建设中广泛应用。 (摘自:北极星电力新闻网)

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