基于GIS的電力電纜三維圖形可視化管理系統(tǒng)

張 弛，吳尊東，王少華

（1.浙江省電力公司，杭州 310007；2.金華電業(yè)局，浙江 金華 321000；3.浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014）

0 引言

與架空輸電線路相比，電力電纜線路具有供電可靠性高、占地面積小、有助于城市美化等優(yōu)點(diǎn)。隨著城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，電力電纜在城市供電中扮演了越來(lái)越重要的角色。浙江電網(wǎng)于20世紀(jì)80年代開始使用電力電纜，截至2011年底，10 kV及以上電纜線路達(dá)35 197.95 km。隨著電力電纜的大規(guī)模使用，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后絕緣能力下降，絕緣老化、接地等電纜故障屢屢發(fā)生[1]。而高電壓等級(jí)的電纜線路一旦發(fā)生事故，停電檢修時(shí)間較長(zhǎng)，造成的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響巨大。因此，提高電力電纜的運(yùn)行可靠性具有重要意義。

電力電纜的運(yùn)行可靠性依賴于完善的信息管理。但目前浙江電網(wǎng)的電纜信息管理還比較粗放，給電纜的安全運(yùn)行和檢修帶來(lái)了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)：一方面，經(jīng)過(guò)多年的城市改造后，埋于地下的老舊電力電纜缺乏詳細(xì)的空間數(shù)據(jù)，標(biāo)示不準(zhǔn)確，導(dǎo)致施工時(shí)易發(fā)生電纜被挖斷和絕緣破損事件。另一方面，目前采用的故障定位儀器雖然能夠較準(zhǔn)確進(jìn)行故障定位（定位精度可達(dá)米級(jí)），但是由于地下電纜的通道彎曲或者電纜來(lái)回彎折，導(dǎo)致無(wú)法準(zhǔn)確估計(jì)電纜長(zhǎng)度，進(jìn)而造成故障點(diǎn)定位困難，而反復(fù)開挖查找故障點(diǎn)無(wú)疑會(huì)延長(zhǎng)停電時(shí)間、降低供電可靠性。因此，利用科學(xué)的管理手段提高電纜管理的有效性，實(shí)現(xiàn)定量化、科學(xué)化、自動(dòng)化、現(xiàn)代化的電纜管理模式，已成為當(dāng)前十分緊迫的任務(wù)。

1 傳統(tǒng)的電力電纜管理模式

目前，國(guó)內(nèi)外電力系統(tǒng)普遍采用2種電力電纜管理模式：在電纜井口標(biāo)示電纜編號(hào)并繪制電纜走向圖；利用GIS地理信息系統(tǒng)技術(shù)采集電纜井GPS定位數(shù)據(jù)，并在GIS系統(tǒng)上進(jìn)行標(biāo)注。

實(shí)際應(yīng)用效果表明，傳統(tǒng)的電力電纜管理模式存在監(jiān)測(cè)不到位、維護(hù)工作量大等問(wèn)題，具體體現(xiàn)在：

（1）由于電纜施工中切割的電纜長(zhǎng)度通常會(huì)長(zhǎng)于實(shí)際需要鋪設(shè)的長(zhǎng)度，多余部分的電纜以盤繞于電纜井中或者來(lái)回折繞于電纜溝中的形式進(jìn)行處理，且不會(huì)標(biāo)示在電纜走向圖中。故障定位時(shí)，這部分多余的電纜會(huì)嚴(yán)重影響定位準(zhǔn)確度，大大延長(zhǎng)電纜搶修時(shí)間。

（2）老舊電纜缺乏歷史資料或新電纜的銘牌標(biāo)示丟失等，均會(huì)造成同一電纜溝中的多條電纜無(wú)法區(qū)分，進(jìn)而增加了故障電纜定位的準(zhǔn)度。

（3）僅依靠電纜兩端的準(zhǔn)確定位并不能有效描述電纜的空間位置（尤其是深度）和通道形狀，進(jìn)而導(dǎo)致其它單位（如自來(lái)水公司、天然氣公司、市政單位等）在施工中不慎挖斷電力電纜或者破壞電纜絕緣。

隨著GIS技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)圖形和數(shù)據(jù)庫(kù)相結(jié)合的GIS技術(shù)在電力系統(tǒng)中得到越來(lái)越多的應(yīng)用[2-6]。但目前主要采用的是基于二維坐標(biāo)的GIS系統(tǒng)，只能處理平面X軸、Y軸上的信息，其空間表現(xiàn)和分析能力存在很大的局限性。二維制圖不能展現(xiàn)電纜的實(shí)際空間，造成在施工過(guò)程中出現(xiàn)電纜空間位置不合理、電纜長(zhǎng)度不準(zhǔn)確的情況，給施工帶來(lái)不便，也導(dǎo)致成本浪費(fèi)。

為了直觀顯現(xiàn)每條電纜之間的空間關(guān)系，提高電纜布置的質(zhì)量和有效性，有必要從三維角度展開對(duì)電纜通道空間布置的研究。開展基于探地雷達(dá)技術(shù)的電纜三維圖形可視化管理系統(tǒng)研究，將有助于加強(qiáng)電纜的空間定位能力，促進(jìn)電纜管理模式轉(zhuǎn)變。

2 基于探地雷達(dá)技術(shù)的電力電纜三維可視化管理系統(tǒng)

2.1 探地雷達(dá)技術(shù)

探地雷達(dá)技術(shù)的基本原理是[7]：首先，用發(fā)射天線發(fā)射高頻寬帶電磁波，當(dāng)電磁波遇到電磁性能不同的分界面時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射，反射波被接收天線接收后，通過(guò)雷達(dá)轉(zhuǎn)換卡將脈沖電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并傳送給雷達(dá)主機(jī)；經(jīng)過(guò)一系列的濾波、去噪等處理后，得到如圖1—2所示的連續(xù)雷達(dá)剖面，供專業(yè)人員分析和處理。

圖1 雷達(dá)信號(hào)處理及成像

圖2 電纜3D圖像構(gòu)建

2.2 電力電纜三維圖形可視化管理系統(tǒng)

基于探地雷達(dá)技術(shù)，可建立電力電纜三維圖形可視化管理系統(tǒng)，主要由探地雷達(dá)、雷達(dá)信號(hào)處理及三維重構(gòu)軟件和地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)3部分組成，其構(gòu)成如圖3所示。

地下電力電纜的信息收集流程為：定期由人力拖動(dòng)式或汽車拖拽式的探地雷達(dá)對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行Z字形掃描，將探地雷達(dá)掃描得到的原始數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器，通過(guò)專業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行三維重構(gòu)，重構(gòu)后將包含地理位置信息的三維數(shù)據(jù)輸入全局的電纜數(shù)據(jù)庫(kù)，并結(jié)合地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中的電纜信息，為電纜三維管理系統(tǒng)高級(jí)應(yīng)用單元提供數(shù)據(jù)支撐。

圖3 基于GIS的電力電纜三維圖形管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電纜三維管理系統(tǒng)以軟數(shù)據(jù)總線的形式將三維電纜信息提供給生產(chǎn)、基建等相關(guān)業(yè)務(wù)部門。其中基于GIS系統(tǒng)的電纜三維圖形可視化管理系統(tǒng)整合了電纜三維圖形信息、地理信息及電纜資產(chǎn)信息三大信息源（如圖4所示），將傳統(tǒng)電纜管理方式提升至數(shù)字化、可視化、信息化的現(xiàn)代管理模式。

圖4 基于GIS的電力電纜三維圖形管理系統(tǒng)功能

電纜三維管理系統(tǒng)具有電纜二維分布圖、三維施工圖及結(jié)合GIS的三維圖形顯示功能，使電纜工程人員能夠從局部電纜詳細(xì)位置、電纜間相互位置關(guān)系及區(qū)域電纜分布等多個(gè)角度對(duì)電力電纜實(shí)施有效而直觀的管理，有效地克服了城市地下管線復(fù)雜、設(shè)計(jì)部門多、缺乏透明化信息的問(wèn)題。特別是在城市核心區(qū)的電纜鋪設(shè)、改造、消缺等工作中，能夠有效避免誤傷、誤碰自來(lái)水和煤氣等管道，加速消缺工作，提升地下電纜的管理水平。

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)電力電纜運(yùn)行管理現(xiàn)狀和特點(diǎn)，結(jié)合探地雷達(dá)技術(shù)，提出了基于GIS的電力電纜三維圖形可視化信息管理系統(tǒng)，整合了電纜三維圖形信息、地理信息及電纜資產(chǎn)信息三大信息源，對(duì)于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、可視化、信息化的電力電纜管理模式具有重要意義。

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