新兴技术识别手段（一种面向可扩展三维可视化的电力设备标记语言研究）

中国电工技术学会定于2016年7月10~11日在北京铁道大厦举办“2016第十一届中国电工装备创新与发展论坛”，主题为“电工行业十三五规划研究与解读”。

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广东电网有限责任公司佛山供电局试验研究所、武汉大学国际软件学院的研究人员罗容波、江聪世、曾庆辉，在2016年第4期《电气技术》杂志上撰文指出，在进行配网故障的识别中，常常需要用到配网的线路及其设备信息。

为了更好地在输电线路三维可视化环境中动态组织和描述三维模型，设计提出了电力设备标记语言PEML，并进一步结合COLLADA技术实现了绝缘子等设备的动态建模和架空线路导线的动态三维仿真，实现了地表、绝缘子、杆塔、线路等三维模型的动态显示与衔接，提供输电线路的实时三维视图及其运行状态，满足了输电线路频繁变化对三维模型可扩展要求。

配电系统的故障识别是电力部门对故障进行处理的必要前提之一。在对配电系统进行故障识别的过程中，常常需要用到配网的故障及其设备信息。配电网的重要特性是其电力设备呈明显的地理属性，如馈线的走向，开关、配电变压器、杆塔和负荷的位置等。这些地理实体在配网巾数量巨大，而且分布广。

配网的输电线路是配电网的主要组成部门之一。环境和设备自身因素是造成输电线路发生故障的两大原因，架空输电线路长期暴露在恶劣的自然环境中，周边环境中雷击、外力破坏、鸟害、污秽、大风等情况发生时，易引起线路本体设备故障。

为了掌握输电线路走廊地形及环境情况，提高输电线路的可靠性，人们普遍采用三维输电GIS技术来进行描述和管理线路和环境数据。

输电线路的维护管理需要经常开展线路新增、解口改造、迁改、技术改造、缺陷处理、调爬等工作，造成杆塔、绝缘子、中间接头、终端头等输电设备及其连接情况的变化，乃至线路本身的变更，这就要求输电线路三维可视化模型必须能动态扩展。

为此本文提出了电力设备标记语言（Power Equipment Markup Language，PEML），用于输电线路以及设备联结关系的动态描述，以输电线路三维模型的动态构建。

1 面向可扩展三维可视化的PEML数据模型

线路的可视化内容由线路设备本体信息（包括静态信息和动态状态信息）和周边环境信息两大部分组成。因此PEML不仅用来显示输电线路相关的地理数据（包括点、线、面、多边形，多面体以及模型等），也还要用于保存和显示输电线路、设备及其子部件等的静态信息以及他们之间的连接或组成关系信息等，以及通过触发器动态获取的线路负荷、线路在线监测数据等动态数据或时序数据。

PEML的语法定义采用XML Schema的形式，继承于标准XML，语法结构和格式则参考了KML（Keyhole Markup Language，简称KML），在此基础上定义输电专用的数据类型，其用于描述各种线路设备之间的关系，定义录入杆塔明细参数，然后通过三维可视化平台将其解析生成线路、杆塔以及设备的三维模型。

图1反映了PEML中元素的继承关系，其中Object是基类，<Folder>元素实现对地理对象的层次化管理，<Document>元素实现各类Feature元素、Style元素、Schema元素的封装与管理；<Feature>抽象元素的各实元素实现地理信息的封装与管理，<Placemark>可实现地理名称标注的封装与可视化，在PEML中运用<Document>、<Folder>、<Placemark>等元素作为PEML文件的根标签进行信息的组织；<Overlay>元素实现地面DOM、DEM等的帖图功能，

图1 PEML对象层次模型（部分）

<Geometry>及其派生元素用于矢量数据的表示，<NetworkLink>元素实现本地的或网络的KML共享；地理对象属性值扩展则通过<Schema>元素对<Placemark>元素的继承实现。

图2定义了架空输电线路的主要部件及其相互连接关系。在PEML中，杆塔和导地线组成线路段，若干线路段动态组成一条完整的线路。

图2 输电线路相关的对象模型

PEML专门针对输电线路的三维可视化定义导线、绝缘子、杆塔等标签。

1）导线。导线的数据存储在标签<Wire>及其子标签中，<WireType>定义导线型号，<Temperature>定义环境温度，<A>定义导线所处温度下的一般常用应力值，<Y>定义导线在该气候条件下的比载；

2）绝缘子。绝缘子数据存储在标签<insulator>及其子标签中，<instype>定义绝缘子类型，<num>定义绝缘子的串数。<id>、<site>、<heading>、<title>、<roll>、<length>分别定义绝缘子的编号、坐标、水平面旋转角度、绕X轴的旋转角、绕Y轴的旋转角以及绝缘子挂线点到接线点的长度；

3）杆塔。杆塔上衔接有各种电力设备，因此其参数较其他设备更多更复杂。杆塔相关数据均定义在<Tower>标签的属性及其子标签中。整个参数分为小号侧和大号侧两部分，小号侧用<input>标签定义，大号侧用<output>标签定义。无论是大侧号还是小侧号，均有四个位置的参数，其中三个是导线的三相相关设备参数，剩下的一个是接地线设备参数。

2 基于PEML的绝缘子三维模型动态构建与显示

输电线路三维可视化环境中绝缘子串的生成主要包括以下工作：

1）绝缘子串三维模型的自动构建。绝缘子串是一个十分规则、对称、可被划分为许多个子部件的设备。因此结合COLLADA技术动态计算和生成绝缘子的三维模型，再进行复制和组装的方式实现绝缘子串三维模型的自动化生成。

2）绝缘子串与杆塔的关联。要在三维可视化环境中正确显示绝缘子串，必须要建立杆塔与绝缘子串的关联关系，在PEML中共定义了A型、V型、I型、M型等连接方式，每一种都有对应的跳线方式，同时还需要计算生成绝缘子的位置等。

3）绝缘子串与导线的关联。随导线走向和弧垂变化动态计算绝缘子的空间位置，计算时将耐张绝缘子当成导线的延伸体，调整绝缘子的X、Y、Z旋转角度，使得绝缘子向着导线延伸的方向伸展，且绝缘子线夹与导线方向重合。

3 基于PEML的线路三维模型的动态构建与显示

由于导线的弧垂受气象条件影响，其悬连线的形态是动态变化的，为了使三维可视化的结果更接近于真实情况，需要使用线路力学方法对架空线路的导线长度、弧垂和应力等进行模拟计算和分析，按照设计图纸提供的安全系数、气象条件、导地线、杆塔参数技术仿真计算生成导线弧垂模型。

图3给出了弧垂模型的计算步骤，通过线路弧垂模型，计算机能够准确地建立三维模型，得到的三维模型也更为贴合实际。

图4即为弧垂模型的仿真计算效果，通过弧垂仿真模拟，实现了电塔、线路等三维模型的动态构建。

图3 线路弧垂模型的计算步骤

图4 气象条件下的弧垂仿真模拟

4 结论

本文以输电线路的三维模型的动态组织与自动化构建为研究对象，研究提出了面向可扩展的电力设备标记语言PEML，主要有以下的应用，并进一步结合COLLADA技术实现了绝缘子等设备的动态建模和架空线路导线的动态三维仿真，实现了地表、绝缘子、杆塔、线路等三维模型的动态显示与衔接，提供输电线路的实时三维视图及其运行状态，满足了输电线路频繁变化对三维模型可扩展要求，具体应用有以下3个：

1）输电线路的三维动态建模。研究实现了基于COLLADA的架空线路、绝缘子串三维模型的动态构建，利用PEML，实时抽取EAM中杆塔以及设备的台账数据、EMS中的运行数据以及各类在线监测系统的状态监测数据等，以及杆塔等三维模型数据，动态组织生成线路的三维模型PEML文件，从而清晰展现线路设备的数据结构，实现了绝缘子等设备的动态建模和架空线路导线的动态三维仿真，为三维可视化平台的输电线路、杆塔、绝缘子等三维模型的动态解析与加载显示提供完整的解决方案，满足了输电线路频繁变化对三维模型可扩展性方面的要求；

2）输电线路的动态可视化组织与管理。利用三维可视化平台和PEML，实现了线路与物理杆塔的动态组织与映射实现，线路多回同塔的自动计算、输电线路三维模型的动态解口等功能，有效的解决在频繁变更情况下的输电线路技术档案管理难题；

3）实现三维可视化的输电线路技术档案管理。动态直观的跟踪线路的变更情况，彻底解决因频繁线路变更造成的线路技术档案难以持续更新维护的难题。

通过可扩展的电力设备标记语言PEML，电力部门能够快速有效地获取电力设备信息，提高了相关系统的运算解析速度，为对电力设备的高效管理提供了基础。

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