1、2023 年 2 月第 1 期城市勘测Urban Geotechnical Investigation SurveyingFeb2023No1引文格式:张强 多回输电线路三维模型快速构建方法设计与实现 J 城市勘测，2023(1):5154+58文章编号:16728262(2023)015105中图分类号:P208文献标识码:A多回输电线路三维模型快速构建方法设计与实现张强*收稿日期:20220309作者简介:张强(1990)，男，硕士，工程师，主要研究方向为地理信息系统集成与应用、三维可视化、数字化输电。Email:zq_glc 163com(南方电网数字电网研究院有限公司，广东 广州510
2、080)摘要:架空输电线路是电力输送的主要载体，如何通过三维数字化技术来提升输电走廊立体化管理能力，是数字电网的研究热点之一。本文以单回路、双回路、四回路为例，设计了一种多回输电线路三维模型快速构建的方法，并通过WebGL 技术实现了模型的可视化。实验表明，本文设计的方法具有良好的通用性和稳健性，能够实现架空输电线路三维模型的快速构建，为架空输电线路的数字化、立体化维护提供了可行方案。关键词:数字电网;多回输电线路;WebGL;可视化1引言架空输电线路是电能主要输送方式之一，其空间分布广，线路连接关系复杂，所处自然环境恶劣，对输电线路的运行维护要求高。在建设新型电力系统的背景下，电力设备运行维
3、护关键在于数字化和智能化1。数字化电网是电力重要的发展方向2，是电力技术演进与需求升级驱动下智能电网建设发展的新思路3。数字电网通过物理机理建模、数据驱动建模、机理与数据融合建模，实现物理世界和数字世界孪生互动4。数字孪生技术在运行维护的典型应用，可以为数字电网建设提供理论支撑和建设思路5。综合现有研究发现，以二维设计为核心的传统技术已不再满足管理需求6，基于数字化信息模型的三维数字化手段成为数字电网建设的发展趋势7。架空输电线路三维数字化建模分为两大类8:基于二维图纸的架空输电线路三维建模方法，称正向建模;基于航测、激光雷达的架空输电线路三维建模，称逆向建模。官澜等人，介绍了架空输电线路的三
4、维模型组成，并用 BIM技术对输电线路建模9;郑晓光等人，提出将杆塔分解为多个核心组件，分别独立建模与灵活组装，以提高三维模型的可重用性和建模效率10;孙凤杰等人，于虚拟现实建模语言的输电线路模型优化方法11;尹晖等人，基于 Sketch Up 软件平台进行输电杆塔、绝缘子及金具三维建模的具体实现过程12;许志海等人，研究实现了基于 COLLDA 的设备三维模型的动态构建方法13;林祥国等提出基于激光雷达点云，经过点云聚类、悬挂点检测和电力线建模三个步骤，实现三维电力线自动重建14，15;通过倾斜摄影测量技术创建实景三维，再利用建模软件构建出杆塔的三维模型16。目前逆向建模技术还不够成熟，建模
5、精度、效率要低于正向建模;复杂的多回路架空输电线路的逻辑关系和三维构建研究甚少。因此，本文在前人的研究基础上，综合考虑建模精度与效率，数据组织结构的通用性与有效性，设计了一套多回输电线路三维模型快速构建的方法，并通过 WebGL 技术实现三维可视化。2三维架空输电线路组件式建模2.1架空线路组件式建模流程架空输电线路的设计和建造过程中，杆塔、绝缘子串、基础、金具等设备具有严格的设计标准。架空输电线路三维数字化建模过程中，可以参照标准化建模进行合理分解和灵活组装，实现输电线路杆塔三维模型的组件式建模。其建模流程如图 1 所示。(1)工程设计资料收集，包含有塔位明细表、杆塔结构图、绝缘子串组装图、
6、基础设计图、机电设计图、导地线架线设计图等。(2)三维建模，通过 3ds Max 等软件设计杆塔模型、绝缘子串模型、基础模型、间隔棒模型、防震锤模型等各组件模型。将设计好的模型和收集到的导线、地线、跳线设计参数存储到库中，方便重复利用。(3)关联关系提取，通过塔位明细表提取出杆塔、绝缘子串、间隔棒、防震锤之间的关联关系，通过配置好的关联关系完成对杆塔单元的拼装。(4)模型组装，依据杆塔空间位置、杆塔排位表计算杆塔单元的空间位置，将各个杆塔单元与导地线拼装，实现整个三维架空输电线路的建模型。城市勘测2023 年 2 月图 1组件式建模流程2.2杆塔单元主要组件建模与拼装架空输电线路主要由导线、地
7、线、绝缘子串、线路金具、杆塔、基础以及接地装置部分组成。杆塔是用来支持导线、地线以及其他附属物;绝缘子串是用来支持或者悬挂导线和地线，保证导线和地线与杆塔之间的绝缘;基础是支承杆塔，传递杆塔所受荷载至大地;线路金具常用的有:线夹、连接金具、保护金具以及抗拉金具;导线传导电流，它通过绝缘子串悬挂在杆塔上;地线悬挂在杆塔头部的金属线上。杆塔、绝缘子串、基础、间隔棒、防震锤等组件依据收集的图纸资料进行三维模型;导地线则依据悬链线公式进行模拟建模。模型如图 2 所示。拼装过程需要杆塔挂串点信息、绝缘子串配置信息、基础挂点与配置信息、绝缘子串挂线点信息，以及导线配置信息、间隔棒配置信息、防震锤配置信息。
8、首先在杆塔上标记出悬挂绝缘子串的位置，并给各挂点规范命名，其次配置好各个挂点对应使用的绝缘子类型(悬垂串、耐张串、跳线串)，接着在杆塔的 ABCD 四个塔腿上标记基础的位置，并配置好 ABCD 塔腿对应的基础类型;在各个类型的绝缘子串上标记出导线悬挂点，并配置好各个挂线点对应的导线型号;最后配置每一档间隔棒、防震锤的型号以及悬挂距离和数量。最后以杆塔为基准，根据配置信息算出绝缘子串、基础、间隔棒、防震锤相对杆塔的空间位置，并以此位置摆放好对应的组件，最后完成对杆塔单元的拼装。杆塔单元拼装如图 3 所示。图 2组件建模图 3杆塔单元拼装3多回路输电线路数据组织优化同塔多回路输电线路，是在同一个输
9、电杆塔上挂载多条输电回路。多回输电线路可以减少架空输电线路的走廊数量和土地占用面积，具有良好的经济效益和社会效益17。随着回路数量的增加，单通道的导线数量呈几何指数增加，不仅加大了输电线路的设计要求，而且也增加了模型组织结构的复杂度。因此，本文在组件式建模的基础上，分析单回路和多回路数据组织特征，设计出一种可以兼容多回路输电的数据组织方法。3.1单回路数据组织单回路架空输电线路通常由两根地线和三相导线25第 1 期张强.多回输电线路三维模型快速构建方法设计与实现组成，是一种常规的架设方式。由于架空线路的长度跨域较大，因此在施工、运维中需要把整条线路划分成多个分段。分段规则常以耐张段为单元进行划
10、分，耐张段的首位为耐张塔，中间部分全为直线塔。如图 4(a)，将整条架空输电线路分割为 N 个耐张段，每个耐张段由 M 个杆塔单元组成，每个杆塔单元由一个杆塔本体、多个绝缘子串、若干导地线、若干跳线、四个基础、若干间隔棒和防震锤等组件模型组成。组件模型按上述的组件式建模方式建模，最终把各耐张段依次连接，即可拼成一条完整的线路。分析图 4(a)的结构发现，当单回路上的所有组件的样式规模不同时，采用此结构可以表达整条线路，结构也不会冗余。然而，实际中一条线路中各组件的样式与规模具有极高的重复性，采用此结构表达，会存在严重的数据冗余。为提高模型的复用程度，减少数据冗余，对图 4(a)的结构做出调整，
11、如图 4(b)所示。在组件模型层面，确保不同样式规模的组件模型仅建模一次，并将各个组件模型(杆塔模型、绝缘子串模型、基础模型、金具模型)作为统一的模型库，各个杆塔单元组成的组件从统一的模型库中映射。由于受地形的影响，不同杆塔单元间的导线与地线无法直接复用，因此导线模型和地线模型需单独建模。该调整极大地避免了重复性建模，提高了建模效率，数据结构也更加精简。图 4单回路数据结构3.2多回路数据组织多回路输电线路是在同一个杆塔上并行架设多个输电回路。若按照单回路数据组织结构，则出现双回路杆塔会存储两次、四回路杆塔会存储四次的情况，因此产生了多回路塔重复表达的问题。为了解决此问题，提高数据结构的兼容性
12、，对单回路数据组织结构做出优化，如图 5 所示。图 5多回输电线路结构多回路数据组织思路如下:在耐张段(共 N 段)的结构下增加回路 1 到回路 L(回路 2、回路 4，回路 8)，其他以此类推，其中回路 L 由 N_L_1、N_L_2N_L_M，M 个逻辑单元组成，每个逻辑单元 N_L_M 唯一对应一个物理单元，每个物理单元由多个杆塔组件构成。图 5 中，逻辑杆塔 1_1_1 与逻辑杆塔 1_L_1 表示为共塔，共同对应一个实际物理单元 1;逻辑杆塔 1_1_2 与逻辑杆塔 1_L_2 表示为不共塔，并分别对应一个物理单元。逻辑单元是一个虚拟的杆塔节点，确保了单一回路的独立性与逻辑性，物理单
13、元是逻辑杆塔实际对应的杆塔单元。此结构能同时表示单回路线路和多回路线路，体现了该结构的通用性。4三维输电线路可视化实现为了验证本文提出的通用型组件式建模与数据组织结构的合理性，本文以单回路、双回路、四回路交流输电线路为例，进行实验验证。由于不同回路对应的电压等级差异较大，所以杆塔单元上配置的绝缘子串、导线等的数量有所不同。本实验按照表 1 中的配置规则进行模型的拼装，例如单回路耐张塔单元则配置 6个耐张绝缘子串、4 个地线耐张串、4 个基础、3 簇导线、2 根地线。不同回路中使用的 GLB 模型大小与各模型的数量如表 2 所示。常用结构与本文设计的多回路输电线路结构模型大小对比结果如表 3 所
14、示。通过表中的结果可见，本地设计的结构能极大地压缩模型大小，提高建模效率。35城市勘测2023 年 2 月表 1杆塔单元组件配置数量杆塔耐张串悬垂串地线耐张串地线悬垂串基础导线地线单回耐张塔单元6040432单回直线塔单元0302432双回耐张塔单元12640462双回直线塔单元0602462四回耐张塔单元2412404122四回直线塔单元012024122表 2不同回路中模型规则模型类型模型大小/MB模型数量单回路双回路四回路单回路双回路四回路耐张塔5482126888直线塔58122323232耐张串326854896192悬垂串246396192384地线耐张串11522323232地线
15、悬垂串1122646464基础020305160160160导线020408120240480地线010101808080表 3两种结构的数据量对比线路类型常用结构/MB本文结构/MB压缩率/%单回路708849870双回路1 9424133269四回路5 2128436384目前常见的 OBJ、FBX、BIM 等模型是一种单文件格式，其数据量往往较大。单文件模型在 WebGL环境下无法实现快速传输与高效渲染的需求，而基于 GLTB 扩展的数据格式一定程度上解决了该问题。实验中，将本文设计的数据结构转换成类 GLTF 格式，并利用 Cesium 的 ModelInstanceCollectio
16、n 实例化技术实现杆塔、绝缘子串、基础、金具等模型的大规模批量创建，同一个模型的不同姿态则根据 mode-lMatrix 进行控制。而导线和地线则使用 Cesium 的primitives 接口直接绘制。最后实现的效果如图 6 所示，帧率保持在 30fps 以上。图 6可视化结果5结语针对架空输电线路三维数字化建模，本文分析了常用的建模方法，综合考虑建模精度与效率，设计了一套组件式建模流程，并介绍了杆塔单元主要组件建模与拼装的实现过程。为了增加构建方法的通用性与稳健性，分析了单回路、多回路输电线路的特征，优化了多回路输电线路的数据结构。最后采用 Cesium 可视化平台，实现了单回路、双回路、四回路交流三种架空输电线路三维建模与可视化。实验表明，本文提出的输电线路三维模型构建方法，可以满足多回输电方式的三维建模需求，具有良好的通用性和稳健性。参考文献 1 盛戈皞，钱勇，罗林根等 面向新型电力系统的电力设备运行维护关键技术及其应用展望 J 高电压技术，2021，47(9):30723084 2 唐跃中，邵志奇，郭创新等 数字化电网概念研究 J 中国电力，2009，42(4):7578 3
