谈数字电网建设电力设施三维建模方法

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摘要:电网工程的数字化是大数据时代的发展要求，也是国家电网公司建设数字化电网、提升全寿命周期管理的必然要求。通过对现有电力设施的纯测绘手段建模(基于倾斜摄影测量、数字近景摄影测量和激光点云的三维建模)以及基于二维设计图纸的软件翻模两种方法进行详细的比较和分析，提出了针对不同电力设施进行三维建模的最佳方案，对于建设高质量“数字国网”具有重要的参考价值。

关键词:数字电网;电力设施;三维模型

1概述

当前，以新一代数字技术为代表的第四次工业革命蓬勃发展，驱动电网企业不断向着数字化转型。国家电网公司为积极响应“三型两网、世界一流”企业的新时展战略，已经全面启动了输变电工程三维设计和工程数据中心的建设工作。电网工程的数字化是国家电网公司建设数字化电网、提升全寿命周期管理的必然要求，也是大数据时展的必然要求。数字化电网的建设包括新建电网设施的数字化以及既有电网设施的数字化，某变电站数字三维模型，如图1所示。近年来，三维数据采集及建模手段突飞猛进，从空中到地面，以机载激光雷达测量、倾斜摄影测量、地面三维扫描等为代表的技术手段，可对客观世界进行全方位、全覆盖的三维数据采集，并有一大批成熟的软件应用于自动、半自动或人机交互建模，数据采集和建模效率均得到了大幅提升。

2现有三维建模方法

2．1纯测绘手段建模

纯测绘手段建模不依赖于输变电工程的设计图纸，通过倾斜摄影测量、近景摄影测量、三维激光扫描等高新测绘技术手段，获取到电力设施的点云数据和实景模型，在此基础上再进行单体化建模，最后录入设备台账信息。

2．1．1倾斜摄影测量建模倾斜摄影技术通过在同一飞行平台上搭载多台或多种传感器，同时从多个角度采集地面影像，从而克服了传统航空摄影技术只能从垂直角度进行拍摄的局限，能够更加真实地反映地物的实际情况，弥补了正射影像的不足。通过摄影测量，对获得的倾斜影像数据进行几何处理、多视匹配、三角网构建、自动赋予纹理等步骤，可快速得到电力设施的三维模型。

2．1．2数字近景摄影测量建模数字近景摄影测量是利用近景摄影测量系统对不能接近或不能进行常规测量的被摄物体的空间姿态进行真实再现，利用相片对三维空间进行测量的一种重要技术手段。通过数码相机的检校、影像数据预处理、影像同名特征提取及匹配、数据编辑、真实纹理粘贴等步骤，建立可量测的三维立体模型。数字近景摄影测量技术能够构建局部的高精度立体影像，可以很好地用于局部建模。

2．1．3三维激光点云建模三维激光点云建模利用机载激光雷达、三维激光扫描仪等设备对输变电工程的设备、设施、建构筑物进行扫描获取点云数据，采集物体表面的三维空间位置信息和纹理信息，然后利用专业软件构建三维模型。三维激光扫描技术对变电所、输电线路杆塔、导线及走廊地形的三维建模效果较好，经过数据预处理、点云数据拼接统一，可以快速、准确地生成线路本体以及走廊的三维模型，为电网运维、大修技改以及智能化输电线路建设提供可视化技术服务。

2．2基于二维设计图纸的软件翻模

基于二维设计图纸的软件翻模是根据工程设计资料上的尺寸和型号等信息构建输变电工程1∶1三维模型。模型构建主要利用商业化的三维软件，如Bentley、Autodesk等。图纸资料包括已有输变电工程的设计、施工、竣工、普查、勘测等蓝图或档案资料。通过三维建模软件将一些基本的几何要素，如立方体、球体等，进行一系列的几何操作，比如平移、旋转、拉伸以及布尔运算等来构建电网设备三维场景，具体步骤包括几何建模、行为建模、物理建模、对象特性建模以及模型切分等。

2．3三维建模方法的比较和分析

2．3．1实用性比较纯测绘手段建模以三维激光扫描为主，摄影测量建模效果达不到精细化建模的要求，可以作为三维激光扫描建模的补充。激光扫描建模采用激光点云建模，技术复杂程度较高。受激光扫描设备在变电站中移动的空间位置限制，设备间被遮挡，电缆沟、地下管线等位置均不能完成数据的采集，需要配合图纸开展部分三维建模工作。图纸翻模的三维模型是严格按照设计图纸的尺寸进行几何建模，设备之间的逻辑关系清晰，设备零部件能独立显示、属性可查、更换灵活。地上、地下以及电缆沟中的设备设施均能以三维模型展现，建模精细化程度可以根据需求灵活处理，几何建模和参数化建模相结合，能够实现三维模型对真实情况的仿真模拟。

2．3．2经济型比较纯测绘手段建模的对象主要包括地面上电气一次设备以及变电站内的建构筑物，但不包括变电站中的电缆沟、电气二次接线以及一些不能直接采集获取的设备，其数据采集和处理工作量较大，成本较高。图纸翻模按照变电站三维设计的标准开展，建模对象包括地上、地下全部设备设施，如果没有设计图纸参考，模型设备单体化需要电气人员进行配合，建模效率较低。图纸翻模的成本主要是人工建模费用，在建模初期的费用与纯测绘手段建模费用基本相当。

3电力设施三维建模方案推荐

根据以上几种三维建模方式的比较和分析，参照电力设施的已有分类:三维设计通用模型库设备、有二维设计图纸设备、无图纸设备，针对不同电力设施的情况推荐采取不同的三维建模方案。1)调用通用模型库方案。对于有三维设计通用模型库的设备，采用GPS、全站仪等仪器在既有电网设施现场进行测量，获取设备摆放位置的坐标、布局以及主要设备构件的尺寸模型数据，再利用数码相机对现场设备进行拍摄，获取设备铭牌数据，结合二维设计图纸，调用通用模型库数据，搭建既有电网设施三维数字化模型。2)图纸翻模方案。对于有二维设计图纸的电力设施，基于输变电工程竣工验收图纸和资料、后期运行过程中产生的检修记录以及设施运行维护台帐信息，利用图纸翻模的方法完成三维建模。3)纯测绘手段建模方案。对于无图纸的电力设施，可直接利用纯测绘的技术手段，如三维地面或空中激光扫描、无人机倾斜摄影测量、近景摄影测量，获得电力设施点云数据和三维实景模型，再录入台账信息完成三维建模。

4结语

电网工程的数字化将给传统电网的建设思维、电网建设技术手段以及实现电网产业的信息化和智能化带来巨大的变革，选择合适的电力设施三维建模方案，对于促进业务集成、打造三维电网、实现电力设施的数字化集中管理都有着重要的促进作用。

参考文献:

［1］牛建国．基于Lidar数据和倾斜摄影的城市三维模型构建［J］．工程建设与设计，2019(2):31－32．

［2］程昊，刘建华，杜明义．基于3dMax的电力设施建模方法研究［J］．科学与技术，2018(3):11－12．

［3］林克全，马欣欣．基于三维全景的电网数字化建设研究与应用［J］．电子制作，2020(9):87－89+49.

作者：蔡忠 单位：扬州浩辰电力设计有限公司