高压电缆及电力隧道多维动态仿真及全局展现系统研究

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  x 要:介绍了高压电缆及电力隧道多维动态仿真及全局展现系统的构成原理、实现功能以及在高压电缆及电力隧道监控方面起到的重要作用。通过开发该系统,形成一个贯穿整个公司以及生产一线的各个层次的多维电缆网监控平台,从而对公司电缆网进行有效、科学的管理,提高管理质量和运行效率,降低运营成本,保障供电可靠性。
  关键词: 电缆网运行监控平台;多维;动态;全局展现
  1.引言
  北京电缆网运行监控中心成功投运,实现了对电缆线路和电力隧道的数字化和集中管理,监控中心投运以来,在电缆专业生产运行工作中发挥了重要作用。但是,如何进一步推动电缆网运行监控平台的深入应用,提高电缆网运行异常状况的定位效率,为电缆网运行管理提供多维动态全局展现的技术手段,成为我们结合运行监控中心功能延伸而引发的思考。
  基于这些考虑,我们开发了高压电缆及电力隧道多维动态仿真及全局展现系统,通过综合利用三维地理信息技术、虚拟现实技术、动态全局展现技术,建立电缆网多维空间模型及隧道多维仿真模型,实现电缆网运行监控信息的多维动态全局展现展示,从而达到提高电缆网运行管控水平的目的。
  本文主要介绍了高压电缆及电力隧道多维动态仿真及全局展现系统的开发及应用情况。
  2.高压电缆及电力隧道多维动态仿真及全局展现系统的开发
  2.1系统硬件架构
  系统硬件结构主要包括:WEB服务器、应用服务器、通讯接口服务器和操作工作站组成,如图1所示:
  图1 高压电缆及电力隧道多维动态仿真及全局展现系统硬件架构
  其中,应用服务器主要运行高压电缆及电力隧道多维全局展现数据平台服务、功能应用服务和信息分析计算;通讯服务器主要用于从电缆网获得数据,并将获得的数据按全局展现展示的需要进行组织和分类处理,WEB服务器用于将电缆网全局展现信息的WEB发布。工作站用于系统维护和运行监控,其中工作站在系统网络搭建完毕的基础上可以根据系统自主增加。
  2.2系统软件架构
  电缆网运行监控系统已经稳定运行一年多时间,在现有监控系统中嵌入多维全局展现展示系统,既要保证现有系统的稳定运行,又要同现有系统进行有效的数据和功能交互,使嵌入的全局展现展示系统与电缆网运行监控平台做到完美集成,这既是对现有系统的升级,同时也是一项挑战。系统总体设计采用插件式设计方式,通过标准的通用数据格式同现有系统做数据接口,同时最大化利用现有系统的状态数据和历史数据进行全局展现展示,系统结构图如图2所示:
  图2 高压电缆及电力隧道多维动态仿真及全局展现系统软件架构(1)
  高压电缆及电力隧道多维动态仿真系统整体上分为电缆网监控平台与电缆网Web发布平台两部分,其中电缆网监控平台采用C/S模式,在现有监控平台基础上进行开发,电缆网Web发布平台采用B/S模式进行发布,总体设计原则为在电缆网监控平台上和电缆网Web发布平台上都需要实现三维展现、监控数据展示、综合查询、巡视管理以及各种专题图等功能,但对于数据分析、数据编辑和三维隧道微观模式的展现等功能只在电缆网监控平台上实现。
  图3 高压电缆及电力隧道多维动态仿真及全局展现系统软件架构(2)
  由于本系统涉及到多个开发商的多个应用组件统一集成到电缆网运行监控平台上,同时必须保证集成后的系统应该是高度统一的,各个子系统之间实现无缝结合,这就要求各个应用之间高度集成。为实现应用的高度集成,系统采用统一的全局展现数据平台,使各个全局展现子系统在同一个数据平台实现数据集成,这样保证了数据的高度一致性。同时各个全局展现应用组件都采用标准的COM组件,采用插件的方式嵌入至电缆网运行监控平台中来实现系统的高度集成。
  电缆网多维监控平台全局展现展示系统涉及到多个系统之间的交互,同时需要为现有的电缆网运行监控系统提供必要的接口,如果这些交互接口不采用标准的通讯和数据接口方式,其通用性必将受到很大的影响,日后新建的系统将难以重用这些接口,这必将导致大量的重复性工作和重复投资。为此,系统接口必须采用标准化的技术实现。系统采用目前主流的接口方式:WebService技术和XML技术,这些技术的运用使整个系统真正做到数据的共享,并为以后系统的改造升级提供了良好的基础。
  监测的设备状态数据是电缆网运行监控平台运行的重要基础,同时对这些监测状态及时进行全局展现对于运行系统的整体调度具有重要的作用。电缆网多维监控平台全局展现展示系统利用统一的全局展现数据平台,即时从底层获取监控状态数据,做到数据不延时,为整个系统的状态即时展示提供了可靠保证。
  系统既通过对电缆网主接线全局展现功能的展示,从宏观上展示电缆网整体状态分布情况,又通过隧道内部仿真全局展现表达,从细节上展示电缆网每个监控设备的局部状态,同时通过这两者的结合与交互,全方位展示整个电缆网的运行状态分布情况。
  2.3系统研究内容
  1)电缆网多维空间模型建立
  研究如何利用最新的三维地理信息技术,建立隧道、通风亭、检查井及其他地面设施三维空间模型,为电缆网运行监控信息宏观展示提供载体。
  2)隧道仿真模型建立
  利用最新的虚拟现实技术,研究如何建立隧道内部的多维仿真模型,为电缆网运行监控信息的微观展示提供载体。
  3)监控信息多维展示模型建立
  在电缆网多维空间模型及隧道多维仿真模型的基础上,增加状态维及参数维信息,建立监控信息多维展示模型,为实现多维动态全局展现展示奠定基础。
  4)监控信息多维动态全局展现展示
  以多维展示模型为基础,动态获取最新监控信息,实现隧道积水、有害气体、电缆温度、线路负荷、接地电流、局部放电等运行参数的多维动态展示。   2.4 系统开发所采用的关键技术
  1)三维地理信息系统
  地理信息系统(GIS)是一门地学空间数据与计算机技术相结合的新型空间信息技术。随着二维地理信息系统应用越来越广泛和成熟,其弊端也逐渐显现出来,二维地理信息系统本质上是基于抽象符号的系统,不能给人以自然界的本原感受。随着应用的深入,第三维的高程信息显得越来越重要。与二维地理信息系统相比,三维地理信息系统对客观世界的表达能给人以更真实的感受,它以立体造型技术给用户展现地理空间现象,能方便地对空间对象进行三维空间分析和操作。
  2)虚拟现实技术
  虚拟现实技术是利用计算机生成一个逼真的三维虚拟环境,并通过使用传感设备与之相互作用的新技术。它与传统的模拟技术完全不同,是将模拟环境、视景系统和仿真系统合三为一,把操作者与计算机生成的三维虚拟环境连结在一起。虚拟现实世界,最重要的特点就是“逼真”感与“交互”性。参与者置身于虚拟世界中,环境、人像都犹如在真实环境中,其中的各种物体及现象都在相互作用着。
  3)动态全局展现技术
  动态全局展现技术是近年来发展非常迅速的一门技术,它是运用计算机技术对复杂的现实世界进行抽象和模拟以形成仿现实的数字模型,并且可以对数字模型叠加信息模型。同时,动态全局展现技术对数字模型可以采用动态成成的机制,这可以有效减少模型在系统中的即时占有率,提供系统的性能和效率。
  3.高压电缆及电力隧道多维动态仿真及全局展现系统的应用
  3.1 建立电缆网空间三维模型
  通过对该系统的研究及开发,我们利用最新的三维地理信息技术,建立了隧道、通风亭、检查井及其他地面设施的三维空间模型,为电缆网运行监控平台提供了宏观展示载体。
  (a)地上模式
  (b)地下模式
  图4 电缆网多维空间模型示例
  在电缆网空间三维模型中,我们建立了宏观模式与微观模式两种三维场景,在宏观模式下,可以在任意高度,通过地上和地下模式的切换查看整个电缆网的三维分布情况,系统通过宏观模式展示各种专题图、各种分析结果以及对各种设备查询和报警信息的定位。当需要对某段隧道查看其详细细节情况时,可以从某个检查井进入其隧道微观模式,在微观模式中,显示隧道内设备的详细分布情况。
  通过定位功能,我们可以实现对隧道、电缆段、井盖等设备设施的准确定位。同时,通过对事件设备定位方式,实现对特定的事件进行定位,如井盖非法开启报警的定位,光纤断裂的定位,电缆温度过高的报警定位以及GPS抢修车辆的定位等。
  3.2 建立隧道仿真模型
  通过利用最新的虚拟现实技术,我们建立了隧道内部的三维仿真模型,对隧道内的电缆线路、支架、电缆标牌以及防火槽盒等设备、设施进行模型化处理,为电缆网运行监控平台提供了微观展示载体。
  图5 隧道内仿真模型示例
  通过建立隧道仿真模型,我们在监控系统中就可以直观的掌握隧道内电缆敷设、隧道结构以及附属设施安装情况等信息,同时,通过将该系统与生产管理系统建立接口,还可以查看电缆线路的台帐等详细信息。
  3.3建立监控信息多维展示模型
  在电缆网三维空间模型及隧道三维仿真模型的基础上,增加状态维及参数维信息,建立监控信息多维展示模型,对隧道内的测温光缆、气体监测仪、水位监测仪、摄像头等设备进行模型化处理,为实现多维动态全局展现展示奠定基础。(见图6)
  为了保证三维模型跟现场设备一致,对一些特殊设备模型现场的设备照片进行贴图处理。
  3.4监控信息多维动态可视化展示
  以多维展示模型为基础,动态获取最新监控信息,实现井盖状态、隧道积水、有害气体、电缆温度、线路负荷、接地电流、局部放电等运行参数以及设备缺陷、施工工地的多维动态展示。
  在系统中实时显示当前水位值,当监测的水位超过限定值时,系统进行报警,并自动定位到水位监测仪的三维模型上。同时,实现对水位监测仪的历史水位的查询和分析功能。(见图7、图8)
  在系统中显示井盖的各种实时状态,具体状态包括开合状态,有无监控设备状态,同时支持在三维场景中实现对井盖的远程开启和关闭,对井盖异常状态的报警定位功能。(见图9)
  系统通过光纤测温系统的相关接口,获取监测电缆的实时温度数据和历史温度数据,在三维场景中展示实时温度信息和温度变化。(见图10)
  在全局展现系统中实时显示整个电缆网的负荷分布情况和温度分布情况,全局掌控电缆网运行情况,同时在系统中查看电网潮流信息。(见图11)
  通过将该系统与监控中心电力隧道摄像监控系统间建立接口,我们实现了在三维场景中显示监控视频的功能。同时,支持视频监控与其它功能的操作联动,如在井盖非法开启、电缆温度异常、水位异常时,系统自动搜索就近的摄像头进行监控,查看当前隧道内部视频情况。(见图12)
  在政治供电保障期间,公司供电指挥部通过应用高压电缆及电力隧道多维动态仿真及全局展现系统,实现了对供电保障工作的全局掌控,该系统为各类型供电保障工作取得圆满成功提供了强有力的技术支撑。(见图13、图14、图15)
  为了检验系统是否达到预期的功能目标,尽可能找出系统中隐含的缺陷,及时发现问题,并将问题解决,避免问题积累,从而保证系统的可靠性,我们在系统正式投运前进行了全面测试,主要包括以下几部分:
  ◎ 功能测试:侧重于所有可直接追踪到用例或业务功能和业务规则的测试需求。通过图形用户界面(GUI)与应用程序进行交互,并对交互的输出或结果进行分析,以此来核实应用程序及其内部进程。
  ◎ 集成测试:检测系统是否达到需求,对业务流程及数据流的处理是否符合标准,检测系统对业务流处理是否存在逻辑错误,检测需求是否存在不合理的标准及要求。   ◎ 界面测试:主要测试系统界面是否友好、简单易用。界面整体布局是否规范、合理;窗体上的按钮功能命名及使用是否符合习惯;提示信息是否及时完整;是否对提交数据进行验证。
  ◎ 性能测试:通过自动化的测试工具模拟多种正常、峰值以及异常负载条件来对系统的各项性能指标进行测试,了解系统的性能有没有满足需求,对于不满足需求的模块则通过测试发现可能的性能瓶颈,并进行相应的性能调优。主要包括并发性能测试、疲劳强度测试、大数据量测试和速度测试等,其中并发性能、系统稳定、数据安全、数据一致性测试是重点。
  通过测试我们得出如下结论:电缆网多维动态仿真及全局展现系统加强了对电缆网运行状况监控的力度,提高了电缆网运行异常状况的定位效率,为电缆网运行管理提供多维动态全局展现的技术手段,提高了运行管理效率。
  4.结论
  1)通过电缆网监控信息的多维动态全局展现展示,可以有效提高电缆网运行监控能力,及时掌控电缆网整体运行情况,快速查找电缆网运行异常位置;为异常(故障)处理提供全面的信息,缩短异常处理时间,有效控制异常状况的蔓延,使其影响范围最小化,降低甚至消除运行异常引发的经济损失。
  2)在本系统的建设过程中,需要建立电缆网三维空间模型和隧道仿真模型,本系统的建设为日后全面建立完整的电缆网数字模型奠定了坚实的基础。这两种模型的建立将大幅提高电缆网图档资料管理效率,有效减少日常运行管理过程中图档资料的检索时间,提高日常管理的效率,降低管理成本,实现电缆网图档资料的精益化管理。
  3)动态全局展现展示是电缆网多维动态监控系统与运行管理人员交互的桥梁,是实现电缆网运行管理模式转变的重要手段之一,为其提供坚实的技术保障。该项目的实施是电缆网运行管理方面的技术创新,在国内外均没有先例。该系统可以为国内电缆网管理提供参考,能够推动我国高压电缆网管理管理的技术进步。
  参考文献:
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