基于VR技术的输电线路运检一体化研究

曾昌健,李丽,郑国华,刘金平,罗思媛

基于VR技术的输电线路运检一体化研究

曾昌健,李丽,郑国华,刘金平,罗思媛

国网福建省电力有限公司, 福建 福州 350003

随着电力系统的迅猛发展，实现并推广输电线路的运检一体化对电力安全的重要程度越来越高。本文基于虚拟现实技术的延伸，概述了VR在输电线路可视化管理及运检一体化工作中的实际应用现状，通过引进VR技术实现运检过程数据采集和三维模型场景构建，提供建立输电线路可视化管理系统的设计思路，旨在通过虚拟现实技术的引入，切实有效的改善输电线路运检工作的作业效率，为新兴技术在输电线路运检一体化方面的应用提供参考。

输电线路; 运检一体化; 虚拟现实; 三维模型

输电线路是电网系统中保障电能传输的重要组成部分，其可靠运行是关乎整个电网安全稳定的重要前提。20世纪初期，我国输电线路采用的是定期检查维修的工作模式，即每隔固定周期完成线路的检查，并对问题线路采取相应的整修措施。随着国家电力系统的不断发展，输电线路的体量与日俱增，老旧的定期抽检工作模式无法有效解决当前输电线路的管理与维护问题。因此，为了降低运营及维护成本，在整个电力系统的输电线路管理中推行运检一体化的工作模式变得越来越重要[1]。

运检一体化是指将传统电力系统中的两项日常工作——运营和维护相结合，改善传统工作意义上的独立开展、职责分离的现状。此举可切实有效地降低输电线路日常运行成本，提升运检工作的实际作业效率，极大的增强了电网企业的核心竞争力[2]。

为了不断提升运检一体化管理工作的核心竞争力，结合计算机技术、虚拟现实技术、实时数据传输等技术的电力智能化管理平台成为了有效的解决手段[3]。区别于传统的二维视觉效果，以三维视觉为核心的虚拟现实技术在电力领域中被越来越广泛的应用。随着影像学、视觉SLAM等配套高新技术学科的不断完善，使得虚拟现实技术在电力系统运检工作中的实际应用场景越来越完善[4]。三维输电线路的模型搭建，能够方便运检作业人员及时获取通道中外围及核心电力设备的实时数据状态，能够第一时间获取线路中的安全隐患，同时数字化管理系统可实现同传报警机制，以便运检工作人员快速开展相关修缮业务[3]。数据信息传输原理如下图1所示。

1 虚拟现实技术

1.1 虚拟现实技术概述

虚拟现实（也简称为VR），是一门自进入20世纪后才得以迅速发展的高新科技技术学科。VR技术的兴起离不开计算机、电子信息、三维仿真、影像学等诸多前言科技的贡献，其基本实现方式为借助计算机搭建虚拟视觉界面，从而给操作者带来环绕式的真实视觉体验。

1.2 虚拟现实在电力系统的应用场景

通过运用虚拟现实技术，可为电网系统工程项目的前期策划、模拟分析、现场施工作业、后期监督维护等诸多工序提供有效的数据支持。随着使用场景的不断拓展，将虚拟现实技术引入到整个电力系统成为了行业主流发展之势。经过长时间的探索与改进，虚拟现实技术已经在诸多电网细分领域实现了广泛的应用，其中不乏系统培训、日常生产运营、前期项目规划等[6]。下图为电网行业日常运营过程中已导入的虚拟现实应用场景实例（图2）。

图 2 虚拟现实应用场景实例

图 3 VR技术模拟运检作业实例

2 虚拟现实技术在输电线路运检工作的应用

2.1 输电线路运检一体化

输电线路运检工作的主体业务流囊括了高压、超高压EHV和特高压UHV交、直流电网的运行维护和检修，该工作具有高技术含量、高作业风险等特点。

输电线路的运检一体化是指对线路完成运行和检修的统一管理，真正区别于传统电力管理中将线路运行和问题检修业务分离的工作模式，切实有效的压缩运维成本，提升各个环节的有效管理水平，避免重复工作造成的浪费，极大的提升了运检工作的真实作业效率[7]。

2.2 虚拟现实技术在运检一体化的应用场景

总结行业内成熟的VR技术在电力运检工作的应用场景，主要可分为系统培训及智能化平台两大范畴。其中系统培训是指借助虚拟现实技术搭建三维仿真培训界面，模拟实际运检工作场景、流程及动作，方便受训者真实还原实际作业状态。同时搭配体感设备，培训者可以通过肢体动作与硬件设备完成虚拟交互，实现了对真实作业场景的高比例仿真效果[8]。

其次，VR技术也广泛应用在运检智能化管理平台的搭建过程中，通过建立高仿真模型、绑定GIS技术和实时卫星影像数据，实现了即时数据监控，有效的提升了运检的作业效率和响应速度，为电力系统输电线路运检一体化的推动提供了切实有力的技术保障。图3为虚拟现实技术在输电线路运检日常培训过程中的应用实例。

本文以实现输电线路的虚拟建模为出发点，同时探究如何将建模场景应用到实际输电线路可视化的管理系统中，从而有效提升运检工作的工作效率，降低相关运营成本，为提升运检一体化工作的管理水平提供有效的技术支撑[9]。

3 三维输电线路构建方法

参考上述VR技术在运检一体化工作的应用场景，重点从以下几个方面介绍三维输电线路的构建方法，并根据运检工作的实际需要提出一种实用性的可视化管理系统构想。

3.1 数据采集

模型的搭建离不开有效的数据采集，数据采集的核心是为了捕获线路通道内相关电力设备的三维数据信息，尤其是完成杆塔的数据采集，目前行业主流的技术手段可分为人工作业测量和搭载无人机的激光雷达测量。数据采集完成后，一方面参考GIS系统中的既定数据，通过3DMAX等工具，实现具体的地貌特征仿真三维模型[4]。具体流程可参照图4。

图 4 三维输电线路构建流程

图 5 模型搭建流程图

3.2 模型建立

三维模型的建立可以借助Autodesk公司的3DMAX软件（拥有强大的动画制作及图像渲染功能）进行原型搭建，实际操作过程中采用Open Scene Graph作为底层的渲染基础框架，系统选择Linux enterprise 5.4，根据采集好的场景数据动态地添加或删除相关模型单元。图5为三维模型搭建流程图。

首先，借助国家电网GIS系统中完成规划线路，标出输电线路通道中每个设备的方位（大地坐标系中的坐标）等类型信息，并存储到数据库中。

使用OSG将每个动态模型单元根据具体的方位数据、类型数据，在三维模型中完成动态渲染，进而生成最终版本的三维模型[10]。图6为220 kV终端塔模型实例。

3.3 模型优化

由于原始3Dmax设计的三维模型存在文件过大、渲染速率较低等实际问题，导致对硬件水平要求极高，不利于实际工业场景的导入，因此研究出采用VRML完成原始模型的优化，可实现缩减文件体积，极大的提升渲染的运行速率。模型优化主要采取的方式为将3Dmax设计的模型导入VRML并进行模型变换，同时识别并删除3Dmax导出的.wrl格式文件中的共同顶点。待优化模型坐标变换的主要步骤简述如下：已知P点坐标（1,1,1），假设移动到终点Q，则PQ两点之间的距离L可表示为（2,2,2），方向向量I可表示为（1,2,3），Q点坐标（3,3,3）可计算为如下数据。

通过改变原始模型在VRML中的坐标位置，从而改变造型距离的远近，至此LOD细节层次控制节点即可解决模型体积过大的问题。经过模型优化，最终220 kV终端塔的三维模型存储文件大小降低70%，存储空间小于1 mb，通过下表可以看出，经过优化后的模型数据量下降明显。

表 1 模型优化前后

经过实际验证，优化后的三维模型渲染速度明显提升，对硬件设备的要求显著降低，完全可顺利导入实际应用环境。图7为VRML优化后220 kV终端塔塔身结构图。

图 6 220 kV终端塔三维模型图

图 7 VRML优化后终端塔部分结构图

图 8 虚拟三维场景实例

3.4 三维场景合并

完整的输电线路通道主要由核心电力设备及周边地貌特征两方面组成，针对电力设备模型可参考上述方法完成模型搭建及优化，而周边环境特征可借助图像扫略技术或Google earth等第三方数据导入从而实现快速的模型搭建，本文不作详述。部分区域三维模型实例如图8。

3.5 运检信息查询及问题解决

除了三维模型的搭建外，后续可重点研究通过采用Brower/Serve系统架构，结合上述核心电力设备三维模型数据，搭建一套针对目标输电线路的可视化管理系统。该系统可根据不同电力业务需求实现三维输电线路的实时数据监控，一方面便于控制中心随时掌握线路运行状况，另一方面当线路出现突发故障时，可即时启动报警机制，以便相关工作人员第一时间获取信息，完成快速响应，并及时进行故障处理，极大的提高了运检一体化工作的信息化、自动化，为现场问题的解决赢得宝贵的时间[11-13]。

4 结论

剖析输电线路模型搭建及运检一体化工作的痛点，总结行业内现行的虚拟现实技术应用场景，提出并实现了基于VR技术的输电线路三维建模及优化方法。同时提出了采用Brower/Serve系统架构，关联当地电力部门相关资源数据库，以建立输电线路的可视化管理系统，此系统可实现实时数据监控，同时有效的报警机制可解决运检一体化工作中的实际困难，提升作业效率，为行业普及相关技术的应用提供了参考。

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Study on the Integration of Transmission Line Transport and Inspection Based on VR Technology

ZENG Chang-jian, LI Li, ZHENG Guo-hua, LIU Jin-ping, LUO Si-yuan

350007,

With the rapid development of the national power system, the realization and promotion of the integration of operation and inspection of transmission line is becoming more and more important for the power market and supply and requisitioning parties. Based on the extension of virtual reality technology, this article outlines the actual application status of VR in the visual management of transmission line and the integration of operation and inspection. Through the introduction of VR technology, the data collection and 3D model scene construction in the operation and inspection process are realized, thus to develop a practical and effective platform, so as to improve the efficiency and quality of operation and inspection of transmission line, reduce transmission line’s operation and maintenance cost, and provides a reference for the application of new technology in the integration of operation and inspection of transmission line.

Transmission line; integration of operation and inspection; virtual reality; 3D model

TM7

A

1000-2324(2021)02-0304-04

10.3969/j.issn.1000-2324.2021.02.026

2019-10-27

2020-01-06

国网福建省电力有限公司科技项目(52130A16C07)

曾昌健(1987-),男,工程硕士,高级讲师,主要从事输配电线路研究. E-mail:zengchangjian@163.com

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