CN103093008A - 输变电工程三维辅助初步设计系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种输变电工程三维辅助设计系统，它包括：数据存储单元，用于存储和管理各类型的输变电工程设计所需参考的空间数据和非空间数据；输变电工程典型模型库单元，结合实际输变电工程设计，存储具有代表意义的各类型输变电设备三维模型；数据交换接口，用于输入输出输电线路设计杆塔优化排位软件数据格式；三维渲染引擎单元，用于创建、加载和渲染三维场景；空间分析单元，用于提供空间量测与空间分析功能。本发明应用三维GIS技术建立的输变电工程三维辅助初步设计系统集成了初步设计阶段所需的各类型数据，通过各类型数据的叠加，综合判断影响输电线路路径选择和变电站站址规选的各种因素，克服了传统做法中地形图现势性差、可视性差等缺点。

Description

输变电工程三维辅助初步设计系统及方法

技术领域

本发明涉及三维地理信息系统（3DGIS，Geographic Information System），具体涉及一种应用于电力系统的输变电工程三维辅助初步设计系统及方法。

背景技术

在电网建设中，输电线路路径选择和变电站站址规选是输变电工程初步设计阶段的重要内容，直接关系到工程的经济技术指标，影响工程建设投资和运维效益。

高压输电线路设计是按照一定的设计原则选择一条从电厂到变电站之间的最优输电线路。按照输电线路设计要求，在设计最优线路时往往要求设计人员对线路跨区内的地形、地貌、地物、地质情况和已投运的输电线路非常了解。传统的设计方法很难解决这个问题，目前初步设计阶段进行选线和排杆的传统作业模式一般由3 步组成：

（1）室内选择路径方案。设计人员根据可研文件拟定的线路路径方案，收集路径沿线地区的1:10000 或1:50000 地形图、城镇规划图等资料，然后在地图上选择出线路路径方案，并生成线路路径方案地图。

（2）现场选择路径方案。利用内业形成的路径方案地图对沿线进行踏勘，重点是对影响路径方案的规划区、协议区、拥挤地段、大档距、重要交叉跨越及地形、地质复杂地段进行踏勘，发现对路径有影响的地物(房屋、道路、工矿区、军事设施等)、地貌与地图不符时，进行调绘、修改和补测。根据踏勘成果对线路路径方案进行调整修改，或重新选择新的路径方案。

（3）室内预排杆位。根据杆塔的使用条件、沿线的地形地质条件，规划区或协议区的要求等，在线路路径图上预排出杆塔位置、杆塔类型、杆塔高度。

这种做法存在着明显的不足之处：①地形图现势性差，由于成图年代较早，已不能真实反应地貌现状；②地形图的可视性差，传统图纸以等高线及高程点来表示三维信息，不能够直观判读；③搜集到的各种地图资料在文件格式、坐标系统等方面不统一，为综合使用带来不便；④现场踏勘主要采用精度较低的目测，在一些关键地段、重要地物处容易留下路径隐患；⑤因无断面数据，设计人员只能靠经验在地图上进行排杆，设计的深度和质量难以保证。

专利号为201010278704.7，发明名称为“应用于电力系统的地理信息系统及提高显示效率的方法”，该专利通过可定制化的组件提供一种可定制化、可灵活扩展的地理信息系统，提高GIS图形的显示效果及显示效率，并没有涉及到输电线路设计方面的内容，而本发明的目的是为了解决当前输电线路初步设计方法的不足而建设的，两者有本质的不同。

发明内容

本发明的目的是提供一种应用于电力系统的可以提高输电线路路径选择和变电站站址规选效率的三维软件系统及方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种输变电工程三维辅助设计系统，它包括：

数据存储单元，用于存储和管理各类型的输变电工程设计所需参考的空间数据和非空间数据；

输变电工程典型模型库单元，结合实际输变电工程设计，存储具有代表意义的各类型输变电设备三维模型；

数据交换接口，用于输入输出输电线路设计杆塔优化排位软件数据格式；

三维渲染引擎单元，用于创建、加载和渲染三维场景；

空间分析单元，用于提供空间量测与空间分析功能。

所述数据存储单元包括：海量数据存储组件，结合面向对象数据库技术，存储各类型空间数据与非空间数据；数据动态调度组件：将空间数据与非空间数据建立索引，根据三维场景地理范围快速查询各类信息。

所述空间数据与非空间数据包括：空间数据存储组件：包括高分辨率影像、DEM、电网专题图，路网、行政区划、水系和地名库；非空间信息存储组件：包括与空间数据关联的属性信息及其对接关系信息。

所述输变电工程典型模型库单元包括：输电线路设备三维模型：按电压等级进行分类，包括铁塔模型、绝缘子串模型、金具模型和间隔棒模型；变电设备三维模型：按电压等级进行分类，包括主要一次设备，主变压器、断路器、隔断开关和避雷器。

所述数据交换接口包括：道亨杆塔优化排位软件接口及文件、和TL杆塔优化排位软件接口及文件。

所述三维渲染引擎单元包括大范围三维地理环境创建模块、和输变电设备三维模型加载、渲染模块。

所述空间分析单元包括距离量算模块、面积量算模块、淹没分析模块、路网分析模块和填土挖方分析模块。

本发明还包括辅助设计单元，辅助设计单元包括：辅助路径设计模块：用于路径走向坐标点拾取和自动生成路径图；辅助交叉跨越选择模块：用于交叉跨越坐标点拾取和标绘生成交叉跨越信息；路径平断面自动提取模块：根据输电线路路径走向，自动提取路径各采样点的高程值，生成路径断面文件和显示路径平断面图；输电线路设计方案信息统计模块：结合电网专题信息，统计输电线路长度、转角数量、量算线路相应范围内的房屋占地面积、林区长度、主要交叉跨越物数量，估算本体主要工程量；根据地形情况和邻近已建线路杆塔地质情况，辅助进行工程量估算；线路走廊影像导出模块：以线路走向为航带中心，进行线路一定范围内的影像的自动输出，输出格式为JPG，以方便设计人员进行工作汇报、外业携带和出图等需要；输变电线路设计成果三维展示模块：用于结合实际地理环境、输电线路设计三维模型库，对输电线路设计成果进行三维展示；协议区标示模块：用于提供各类型图形编辑工具，包括：圆、矩形、多边形，并且提供图形属性标注功能，绘制输变电工程设计影响协议区；站址规选模块：用于提供站址规选图形编辑工具，结合模拟的实际地理环境进行站址规选。

一种输变电工程三维辅助设计方法，它利用三维地理信息系统技术，结合输变电工程初步设计所需参考各类型数据，在模拟电网实际运行地理环境中，通过各类型信息的叠加综合展现，为设计人员提供综合信息参考，通过三维辅助系统提供的路径选择工具，在三维场景中设计输电线路路径走向和交叉跨越空间位置；通过路径平断面自动提取工具，从三维场景中提取路径走向平断面信息并导出杆塔优化排位软件格式，对路径走向进行优化排位后可以导入排位成果文件，通过系统典型输变电设备三维模型库，可以自动生成初步设计成果。

采用上述技术方案的本发明，应用三维GIS技术建立的输变电工程三维辅助初步设计系统集成了初步设计阶段所需的各类型数据，通过各类型数据的叠加，综合判断影响输电线路路径选择和变电站站址规选的各种因素，克服了传统做法中地形图现势性差、可视性差等缺点；通过本系统可对关键地段、重要地物一览无余，不会留下路径隐患；通过数据交换接口，可以输入输出国内主流输电线路设计杆塔优化排位软件数据格式，生成断面图，从而可以很方便的进行杆塔排位。通过系统提供的各种辅助工具，能高效准确的进行初步设计。

所想即所得，设计成果直观清楚，并且立时可见：传统的平面设计成果为一张张的平面图，并不直观，工程状貌只有等工程完工后才能呈现出来；而采用三维可视化设计手段却可以使工程完工后的状貌在设计之时就呈现出来，在设计理念的表达上非常直观且清楚。即便是那些不懂工程也看不懂二维图纸的人也能在项目设计之初就知道项目建成后的样子，并依此能对该项目提出建议。

减少房屋拆迁量：由于获取的影像能分辨出独立的房屋, 因而能统计房屋的拆迁量,避免了以往的盲目估算, 降低了施工民事难度,减少了工程建设对人民生活造成的不利影响,充分体现了以人为本的理念。

减少林地砍伐, 保护环境：通过卫星影像可以判断林区的分布, 从而选择一条对林地破坏较少的路径, 最大限度减少工程对林地破坏, 从而保护了林业资源, 避免破坏环境。

可以提供传统电力工程设计所无法给予的分析和计算：采用三维辅助设计，利用集成的数字高程模型数据，可以进行土石方量算、地形剖面分析、坡度分析、通视分析以及淹没分析、面积以及长度量算等分析和计算功能。

设计成果可直接用于演示：三维设计成果可直接用于项目演示、招投标书、成果汇报、项目进度控制等，相较于平面设计图，三维立体的项目解说和演示更为直观且更具科学性、准确性和说服力。

帮助决策部门进行决策：由于采用三维辅助设计，使得工程设计之初就能得到许多在平面设计中要等工程完工以后才会有的信息和数据，再加上三维设计以直观立体的成果将工程完工后的情形展现出来，这就大大方便了非本专业领域的人领会并理解项目意图，并根据提供的大量准确的数据信息提出各自领域的意见，这对于决策管理部门多方听取意见，综合大量准确而全面的信息进行科学决策，有着非常重要的意义。

本发明克服了传统二维设计不直观、作业周期长、工作量大、重复性工作多等缺点，满足了电力工程设计的要求，使大量工作在室内完成，极大的减少野外工作量和工作时间，有效地缩短设计工期，节约人力和财力，提高了工作效率，因此具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明实例的输变电工程三维辅助初步设计系统总体架构示意图。

图2为本发明实例的辅助路径设计示意图。

图3为本发明实例的输电线路设计方案信息统计示意图。

图4为本发明实例的线路走廊影像导出示意图。

图5为本发明实例的输电线路设计成果三维展示示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种应用于电力系统的三维地理信息系统。本发明实施例的地理信息系统是一个以高分辨率卫星影像和数字高程模型以及三维数据模型为核心、以应用程序为载体，提供三维展示、三维分析等GIS应用系统平台。该平台采用C/S(Client/Server，客户端/服务器)架构的方式进行系统构建，同时采用多层次、插件式的系统框架。以下详细说明本发明实施例的各单元、各组件的功能。

本系统从下到上可分为数据服务层、功能逻辑层、表现层和应用层，下层为上层提供服务，上层依据下层开放的接口实现本层的功能；它包括：

数据服务层，包括三维模型数据库、地形影像数据库、储存与电力选线初步设计相关的本地文件；

功能逻辑层，包括三维基本功能与辅助路径设计功能，其中，三维基本功能提供距离量算、面积量算、淹没分析与填挖方分析等；辅助路径设计，提供包括辅助路径设计、路径断面自动提取、输电线路设计方案信息统计、线路走廊影像导出、输电线路设计成果三维展示、协议区标示、站址规选等功能；

表现层，为建设三维电网提供三维场景视图和辅助设计视图；

应用层，向数据服务层、功能逻辑层、和表现层下发领导的分析指令和数据库管理人员的维护指令。具体如图1所示。

数据存储单元，用于存储和管理各类型的输变电工程设计所需参考的空间数据和非空间数据；所述数据存储单元包括海量数据存储组件和数据动态调度组件。其中，海量数据存储组件结合面向对象数据库技术，存储各类型空间数据与非空间数据；数据动态调度组件将空间数据与非空间数据建立索引，根据三维场景地理范围快速查询各类信息。上述空间数据与非空间数据包括空间数据存储组件和非空间信息存储组件。其中，空间数据存储组件包括高分辨率影像、DEM、电网专题图，路网、行政区划、水系和地名库；非空间信息存储组件包括与空间数据关联的属性信息及其对接关系信息。

输变电工程典型模型库单元，结合实际输变电工程设计经验，存储具有代表意义的各类型输变电设备三维模型。上述输变电工程典型模型库单元包括输电线路设备三维模型和变电设备三维模型。其中，输电线路设备三维模型按电压等级进行分类，包括铁塔模型、绝缘子串模型、金具模型和间隔棒模型；变电设备三维模型按电压等级进行分类，包括主要一次设备，主变压器、断路器、隔断开关和避雷器。

数据交换接口，用于输入输出国内主流输电线路设计杆塔优化排位软件数据格式；上述数据交换接口包括道亨杆塔优化排位软件接口及文件、TL杆塔优化排位软件接口及文件。

三维渲染引擎单元，用于创建、加载和渲染三维场景；它包括大范围三维地理环境创建模块、和输变电设备三维模型加载、渲染模块。

空间分析单元，用于提供空间量测与空间分析功能，它包括距离量算模块、面积量算模块、淹没分析模块、路网分析模块和填土挖方分析模块。

除此之外，本发明还包括辅助设计单元，它包括辅助路径设计、路径断面自动提取、输电线路设计方案信息统计、线路走廊影像导出、输电线路设计成果三维展示、协议区标示、站址规选等。

辅助路径设计：三维数字地图具有地理信息丰富、地形地貌直观的特点，为设计人员能对线路路径的走向进行细致比较和选择奠定了基础。该模块主要利用系统0.5米航空影像、DEM和已有的500KV及以上等级输变电设备等综合信息作为路径设计的参考依据，根据设计人员的设计经验，综合判断分析影像路径走向的各种因素，设计出线路的最优路径，同时把线路经过的交叉跨越信息在三维场景中标示出来，一块保存在文件中，方便下次重新打开。同时支持线路以及交叉跨越的编辑，图2即为路径辅助路径设计展示图。

路径断面自动提取：将选好的线路路径以及交叉跨越信息，自动提取成道亨排位软件SLW支持的ORG格式。有了ORG格式的路径断面，设计人员就能用SLW软件进行辅助排杆作业，设计人员能对各种工况下的交跨距离、风偏距离、杆塔垂直档距等诸多设计要点进行较精准的考察，与以往主要凭个人经验的排杆方式不同，确保了初步设计的质量，提升了初步设计的深度。同时，由于软件辅助排杆的高效率和高精度，也使设计人员能对多个线路路径方案的排杆结果进行细致的比较，从而确定最优路径方案。

输电线路设计方案信息统计：通过选择设计好的线路文件以及排位软件进行杆塔排位的结果文件，在三维场景中自动生成进行排位后的路径走向图；结合电网专题信息，统计输电线路长度、转角数量。量算线路相应范围内的房屋占地面积、林区长度、主要交叉跨越物数量等，估算本体主要工程量；根据地形情况和邻近已建线路杆塔地质情况，辅助进行工程量估算，图3即为所要统计信息展示窗体。

线路走廊影像导出：此功能根据线路设计方案，以线路走向为航带中心，进行线路一定范围内的影像的自动输出，输出格式为JPG，以方便设计人员进行工作汇报、外业携带和出图等需要，线路走廊影像导出如图4所示。

输电线路设计成果三维展示：此功能需要在系统中导入排位软件进行杆塔排位后的成果文件，通过系统已建设完成典型输电线路模型库，设置输电线路的设备信息，如塔形对应的杆塔模型文件、绝缘子串模型文件、设置导线弧垂值等参数后，系统将自动生成线路的三维模拟效果。可以对每一基杆塔进行塔形替换、移动杆塔位置、设置导线颜色，图5即为设置好参数后系统生成的三维模拟效果图。

协议区标示：由于电网专题图具有一定的时效性，站址选择时需要充分考虑所选择位置是否为协议区，协议区标示功能主要提供面状图形绘制与注记功能，利用鼠标绘制设计协议区域范围，并添加标记进行相关信息说明，并且可以将标示信息存储为本地文件，以此对已有协议区信息进行补充更新，完善协议区专题数据库，为站址选择提供更加完整的参考信息。

站址规选：站址规选功能需要参考各种信息，对规选站址周围地理环境和已建设的输电线路进行科学的综合分析判断，根据在三维场景中综合展示工程设计阶段所考虑的专题信息，如军事禁区、农田保护区、文物保护区等，利用淹没分析、路网查询、距离量算等三维空间分析功能，辅助工程设计人员识别对变电站站址选择有影响的障碍物，确定站址的大致位置，有助于后续工作的进行。

本发明中，一种输变电工程三维辅助设计方法，包括：

利用三维地理信息系统技术，结合输变电工程初步设计所需参考各类型数据（高分辨率影像、DEM、已投运输变电工程设备信息、电网专题空间数据、水系、行政区划、路网、地名和协议区等），在模拟电网实际运行地理环境中，通过各类型信息的叠加综合展现，为设计人员提供综合信息参考，通过三维辅助系统提供的路径选择工具，在三维场景中设计输电线路路径走向和交叉跨越空间位置；通过路径平断面自动提取工具，从三维场景中提取路径走向平断面信息并导出国内主流杆塔优化排位软件格式，对路径走向进行优化排位后可以导入排位成果文件，通过系统典型输变电设备三维模型库，可以自动生成初步设计成果。

一方面，通过系统提供的输电线路设计方案信息统计组件，可以快速、准确的统计输电线路设计所关注的各种信息，包括输电线路长度、转角数量、转角度数和房屋占地面积等。

另一方面，通过变电站规选和各类型空间分析工具，结合高分辨率影像、DEM、电网专题空间数据、路网数据等参考信息，可以快速的得出规选站址的空间位置和进站道路。

Claims (9)

1.一种输变电工程三维辅助设计系统，其特征在于，它包括：

数据存储单元，用于存储和管理各类型的输变电工程设计所需参考的空间数据和非空间数据；

输变电工程典型模型库单元，结合实际输变电工程设计，存储具有代表意义的各类型输变电设备三维模型；

数据交换接口，用于输入输出输电线路设计杆塔优化排位软件数据格式；

三维渲染引擎单元，用于创建、加载和渲染三维场景；

空间分析单元，用于提供空间量测与空间分析功能。

2.根据权利要求1所述的输变电工程三维辅助设计系统，其特征在于：所述数据存储单元包括：

海量数据存储组件，结合面向对象数据库技术，存储各类型空间数据与非空间数据；

数据动态调度组件：将空间数据与非空间数据建立索引，根据三维场景地理范围快速查询各类信息。

3.根据权利要求2所述的输变电工程三维辅助设计系统，其特征在于，所述空间数据与非空间数据包括：

空间数据存储组件：包括高分辨率影像、DEM、电网专题图，路网、行政区划、水系和地名库；

非空间信息存储组件：包括与空间数据关联的属性信息及其对接关系信息。

4.根据权利要求1所述的输变电工程三维辅助设计系统，其特征在于，所述输变电工程典型模型库单元包括：

输电线路设备三维模型：按电压等级进行分类，包括铁塔模型、绝缘子串模型、金具模型和间隔棒模型；

变电设备三维模型：按电压等级进行分类，包括主要一次设备，主变压器、断路器、隔断开关和避雷器。

5.根据权利要求1所述的输变电工程三维辅助设计系统，其特征在于，所述数据交换接口包括：道亨杆塔优化排位软件接口及文件、和TL杆塔优化排位软件接口及文件。

6.根据权利要求1所述的输变电工程三维辅助设计系统，其特征在于，所述三维渲染引擎单元包括大范围三维地理环境创建模块、和输变电设备三维模型加载、渲染模块。

7.根据权利要求1所述的输变电工程三维辅助设计系统，其特征在于，所述空间分析单元包括距离量算模块、面积量算模块、淹没分析模块、路网分析模块和填土挖方分析模块。

8.根据权利要求1～7任一所述的输变电工程三维辅助设计系统，其特征在于，它还包括辅助设计单元，辅助设计单元包括：

辅助路径设计模块：用于路径走向坐标点拾取和自动生成路径图；

辅助交叉跨越选择模块：用于交叉跨越坐标点拾取和标绘生成交叉跨越信息；

路径平断面自动提取模块：根据输电线路路径走向，自动提取路径各采样点的高程值，生成路径断面文件和显示路径平断面图；

输电线路设计方案信息统计模块：结合电网专题信息，统计输电线路长度、转角数量、量算线路相应范围内的房屋占地面积、林区长度、主要交叉跨越物数量，估算本体主要工程量；根据地形情况和邻近已建线路杆塔地质情况，辅助进行工程量估算；

线路走廊影像导出模块：以线路走向为航带中心，进行线路一定范围内的影像的自动输出，输出格式为JPG，以方便设计人员进行工作汇报、外业携带和出图等需要；

输变电线路设计成果三维展示模块：用于结合实际地理环境、输电线路设计三维模型库，对输电线路设计成果进行三维展示；

协议区标示模块：用于提供各类型图形编辑工具，包括：圆、矩形、多边形，并且提供图形属性标注功能，绘制输变电工程设计影响协议区；

站址规选模块：用于提供站址规选图形编辑工具，结合模拟的实际地理环境进行站址规选。

9.一种输变电工程三维辅助设计方法，其特征在于，它利用三维地理信息系统技术，结合输变电工程初步设计所需参考各类型数据，在模拟电网实际运行地理环境中，通过各类型信息的叠加综合展现，为设计人员提供综合信息参考，通过三维辅助系统提供的路径选择工具，在三维场景中设计输电线路路径走向和交叉跨越空间位置；通过路径平断面自动提取工具，从三维场景中提取路径走向平断面信息并导出杆塔优化排位软件格式，对路径走向进行优化排位后可以导入排位成果文件，通过系统典型输变电设备三维模型库，可以自动生成初步设计成果。

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