輸電線路覆冰監(jiān)測新技術(shù)研究

朱傳勇，王文龍，吳克友，劉 濤，單 靜

（1.武漢市測繪研究院，湖北 武漢 430022）

輸電線路覆冰監(jiān)測新技術(shù)研究

朱傳勇1，王文龍1，吳克友1，劉 濤1，單 靜1

（1.武漢市測繪研究院，湖北 武漢 430022）

針對現(xiàn)有輸電線路覆冰監(jiān)測方法的不足，提出了利用機(jī)載激光掃監(jiān)測輸電線路的導(dǎo)線覆冰厚度。首先研究了LiDAR點(diǎn)集分類理論和導(dǎo)線空間位置的提取算法，然后根據(jù)監(jiān)測獲得導(dǎo)線覆冰前后的弧垂變化量，結(jié)合導(dǎo)線力學(xué)分析模型建立導(dǎo)線覆冰厚度精細(xì)分析模型。最后對導(dǎo)線覆冰監(jiān)測厚度與現(xiàn)場實(shí)測厚度結(jié)果進(jìn)行一致性分析，驗(yàn)證該方法的可行性和準(zhǔn)確性。

LiDAR點(diǎn)云分類；導(dǎo)線提取；等值覆冰厚度；導(dǎo)線力學(xué)狀態(tài)方程

受大氣候和微地形、微氣象條件的影響，架空輸電線路的冰災(zāi)事故頻繁發(fā)生。在極端冰雪天氣，輸電線路會因大范圍覆冰、部分線路的覆冰厚度超出線路機(jī)械承載能力而導(dǎo)致機(jī)械和電氣事故。研究一種大范圍、高效率監(jiān)測電網(wǎng)冰情的方法能為電網(wǎng)運(yùn)行方式的及時(shí)調(diào)整、融冰最佳時(shí)機(jī)的選擇提供決策依據(jù)，從而保障電網(wǎng)在極端冰雪災(zāi)害條件下安全運(yùn)行。

現(xiàn)有的導(dǎo)線覆冰厚度監(jiān)測方法有人工量器具法[1-2]、稱重法[3]、圖像在線監(jiān)測法[4-6]、懸掛點(diǎn)傾角變化在線監(jiān)測法等[7-8]。

人工量器具檢測法就是采用量器具測量冰層的特征尺寸，該方法須手動(dòng)操作，存在很大的局限性。導(dǎo)線上的冰層都是不規(guī)則的，并具有各點(diǎn)各異的冰層截面，而通常的特征尺寸是在導(dǎo)線的某一部位測得，難以正確反映導(dǎo)線實(shí)際覆冰厚度。

稱重法是先稱取一段導(dǎo)線上的覆冰質(zhì)量，計(jì)算出單位長度導(dǎo)線上的覆冰質(zhì)量G，再用公式算出導(dǎo)線的平均等價(jià)覆冰厚度。該方法同樣需要人工干預(yù)，且只能用導(dǎo)線局部線段上的覆冰厚度來反映實(shí)際覆冰厚度。

在線監(jiān)測法開展大范圍冰情調(diào)查的靈活性不足，設(shè)備投入和維護(hù)成本較高，強(qiáng)大的交變電磁場也會影響在線監(jiān)測傳感器。另外，惡劣氣候條件下容易發(fā)生在線監(jiān)測裝置機(jī)械傳動(dòng)部件凍結(jié)以及攝像鏡頭冰雪遮蔽和凍結(jié)的問題，降低了監(jiān)測結(jié)果的時(shí)效性和準(zhǔn)確性。文獻(xiàn)[9]提出了一種基于空氣與冰的電阻特性差異，實(shí)現(xiàn)輸電線路與塔架覆冰厚度自動(dòng)檢測的新型覆冰厚度傳感器及其檢測方法；文獻(xiàn)[10]則利用空氣、冰與水的電容特性差異，提出了電容式冰層厚度傳感器及其檢測方法；還有技術(shù)人員提出了利用光纖光柵監(jiān)控輸電線覆冰[11-12]。這幾種方法目前還處于試驗(yàn)與完善階段，實(shí)際應(yīng)用尚有許多問題需要解決。

針對現(xiàn)有輸電線路導(dǎo)線覆冰監(jiān)測方法的不足，本文提出一種新的解決思路，即利用機(jī)載LiDAR獲取輸電線路激光掃描數(shù)據(jù)來監(jiān)測輸電線路的導(dǎo)線覆冰厚度。

1 導(dǎo)線空間位置提取

1.1 激光點(diǎn)集分類

使用TIN加密濾波法分離地面點(diǎn)集和地物點(diǎn)集。首先以較大格網(wǎng)將處理區(qū)域劃分開，假設(shè)各子區(qū)域中必定有一個(gè)地面點(diǎn)，那么將各子區(qū)域包含的點(diǎn)集中高程最小點(diǎn)作為地面種子點(diǎn)，并且用這些地面點(diǎn)構(gòu)建一個(gè)粗尺度的TIN網(wǎng)格表面；然后逐一判斷其余的三維點(diǎn)與TIN表面的垂直距離及角度，當(dāng)距離d與角度α小于一定閾值時(shí)，將該點(diǎn)納入并重新生成的TIN表面，否則將該點(diǎn)刪除。重復(fù)該過程，直至所有點(diǎn)判斷完成。接下來對地物點(diǎn)集數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣，生成高程值影像并將其二值化，使用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)從地物點(diǎn)集中分離出導(dǎo)線點(diǎn)集。先通過腐蝕運(yùn)算提取導(dǎo)線點(diǎn)集，再用膨脹運(yùn)算得到連通區(qū)域，接下來用K均值聚類法得到各連通區(qū)域的點(diǎn)群[13]，最后通過聯(lián)通區(qū)域面積大小和高度等特征劃分出桿塔和其他地物。

1.2 導(dǎo)線形狀精確提取

1.2.1 導(dǎo)線平面位置提取

將分類獲得的導(dǎo)線點(diǎn)集投影在二維平面坐標(biāo)上，生成一幅二維圖像，如圖1所示。由二維圖像可以看出，導(dǎo)（地）線投影在平面上為一組平行直線，根據(jù)這一特征，本文設(shè)計(jì)了全局方向特征優(yōu)先的線對象提取方法，這一方法是在Hough變換方法檢測直線理論基礎(chǔ)上改進(jìn)而來的。

圖1 重采樣二維圖像

Hough變換檢測直線的基本原理是影像平面坐標(biāo)空間內(nèi)的一條斜率為α、截距為L的直線，可表達(dá)為y=αx+L，如圖2所示，在Hough特征空間中（定義為一個(gè)分別以直線的斜率和截距為縱橫坐標(biāo)的二維空間）將表現(xiàn)為一個(gè)坐標(biāo)為（α，L）的點(diǎn)。

圖2 影像平面中的直線

考慮影像平面的一個(gè)特定點(diǎn)（x1，y1），過該點(diǎn)的直線可以有很多，每一條都對應(yīng)了Hough空間中的一個(gè)點(diǎn)，這一組直線點(diǎn)的連線軌跡是一條曲線。如果有一組位于由斜率和截距參數(shù)為α和L決定的直線上的結(jié)點(diǎn)，則每個(gè)結(jié)點(diǎn)對應(yīng)了Hough空間中的一條曲線。所有這些曲線必交于Hough空間中的點(diǎn)（α，L）。曲線相交次數(shù)高的點(diǎn)（α，L）就對應(yīng)著影像平面的一條直線，如圖3a所示。全局方向特征優(yōu)先的線對象提取方法，需構(gòu)造特征聚集指數(shù)CIndex(α)。

式中，α為坐標(biāo)空間內(nèi)直線與水平方向的夾角；L為原點(diǎn)到直線的距離；HT(α，L) 為特征空間內(nèi)(α，L)對應(yīng)位置的相交點(diǎn)數(shù)。

在Hough特征空間中，依次計(jì)算各斜率值所對應(yīng)的特征聚集指數(shù)，當(dāng)CIndex(α)取得最大值時(shí)斜率為α，即為導(dǎo)（地）線整體走向。接下來，在Hough特征空間的x=α的直線上搜索曲線相交次數(shù)的局部極大值點(diǎn)，這些點(diǎn)的坐標(biāo)對應(yīng)著影像平面的若干條直線，如圖3b所示。

圖3 全局方向特征優(yōu)先法提取平行電力線

1.2.2 導(dǎo)線空間位置擬合

利用分屬于各條導(dǎo)線的三維空間點(diǎn)集，逐檔擬合導(dǎo)（地）線的形狀。將三維空間點(diǎn)集投影到導(dǎo)（地）線方向和Z軸所構(gòu)成的平面內(nèi)，采用二次方程y=a+bx+cx2對每對塔間的導(dǎo)（地）線進(jìn)行局部分段擬合，從而提取出導(dǎo)（地）線在三維空間中的形狀。

具體方法是在兩懸掛點(diǎn)間沿線路走向每間隔1 m取一個(gè)節(jié)點(diǎn)，每次取15個(gè)節(jié)點(diǎn)，用最小二乘法擬合出整檔中一個(gè)局部線段的形狀。為了保證擬合出的相鄰局部線段具有空間連續(xù)性，相鄰兩個(gè)局部線段需要有5 個(gè)公共擬合節(jié)點(diǎn)。根據(jù)最小二乘原理，其局部擬合過程可轉(zhuǎn)化為以下極值問題：

2 導(dǎo)線覆冰厚度分析模型

2.1 計(jì)算導(dǎo)線任意點(diǎn)處比載

根據(jù)機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)提取出弧垂空間形狀，如圖4所示，可以通過式（3）計(jì)算出x處的導(dǎo)線比載γ。

式中，fx為導(dǎo)線x處的導(dǎo)線弧垂；la為x處到懸掛點(diǎn)a處的投影距離；lb為x處到懸掛點(diǎn)b處的投影距離；σ0為某檔弧垂最低點(diǎn)處的應(yīng)力。

圖4 懸點(diǎn)不等高導(dǎo)線

2.2 覆冰導(dǎo)線任意點(diǎn)處狀態(tài)方程

為了精確計(jì)算導(dǎo)線覆冰厚度，需要通過導(dǎo)線狀態(tài)方程修正不同氣象條件下的導(dǎo)線比載值。通常需要考慮的氣象條件除了導(dǎo)線覆冰厚度因素之外，還包括環(huán)境溫度因素。

按照連續(xù)檔導(dǎo)線狀態(tài)方程式，通過已知溫度為t0、比載為γ0時(shí)導(dǎo)線最低點(diǎn)應(yīng)力為σ0，即可按照式（4）求出溫度為tn，比載為γn時(shí)的導(dǎo)線最低點(diǎn)應(yīng)力σn。

式中，γ0、γn為初始?xì)庀髼l件和待求氣象條件下的比載(N/(m·mm2))；α為導(dǎo)線的熱膨脹系數(shù)；β為導(dǎo)線的彈性伸長系數(shù)；l為檔距。

2.3 計(jì)算等值覆冰厚度

為了實(shí)現(xiàn)工程中的應(yīng)用，在此將電線上附著的各種類型及不同斷面外形的覆冰均折算成密度為900 kg/m3的圓形雨凇斷面。導(dǎo)線的等值覆冰厚度計(jì)算公式如下：

式中，γice為冰重比載(N/(m·mm2))；γ0為覆冰前氣象條件下的導(dǎo)線比載(N/(m·mm2))；γn為覆冰后氣象條件下的導(dǎo)線比載(N/(m·mm2))；A為導(dǎo)線截面積（mm2）；b為所求的電線覆冰厚度（mm）；D為電線的外徑（mm）；gn為標(biāo)準(zhǔn)重力加速度（9．806 65 m/s2）。

3 實(shí)驗(yàn)及分析

3.1 導(dǎo)線提取實(shí)驗(yàn)

該實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是飛機(jī)以30 km/h的速度沿導(dǎo)線飛行，利用機(jī)載LiDAR掃描獲得。激光掃描儀的基本掃描參數(shù)為掃描頻率60 Hz、掃描角度分辨率0．01°。激光點(diǎn)集的密度達(dá)到200 points/m2，實(shí)驗(yàn)區(qū)域選擇了裸露地表、大面積植被和建筑物3種地形。

本文使用某一輸電走廊的機(jī)載激光掃描數(shù)據(jù)來對所提出的算法進(jìn)行驗(yàn)證，掃描條帶長大約30 km、9 000萬個(gè)點(diǎn)。由于數(shù)據(jù)量大，對數(shù)據(jù)處理的存儲和運(yùn)算的要求高，為了能高效完成基于激光點(diǎn)集的導(dǎo)線提取，將LiDAR數(shù)據(jù)進(jìn)行分塊，如40萬點(diǎn)一個(gè)數(shù)據(jù)塊，然后逐塊提取導(dǎo)線。如圖5所示，用本文提出的方法對導(dǎo)線點(diǎn)集、桿塔點(diǎn)集和地表點(diǎn)集進(jìn)行正確的分類。

圖5 點(diǎn)集分類結(jié)果

根據(jù)本文提出的導(dǎo)線形狀精確提取方法，能夠準(zhǔn)確提取出導(dǎo)線在三維空間內(nèi)的形狀，擬合結(jié)果如圖6所示。

圖6 導(dǎo)線提取結(jié)果

3.2 導(dǎo)線覆冰厚度分析模型實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)線路采用LGJ-500/35型的鋼芯鋁絞線，該導(dǎo)線特性參數(shù)為鋁截面積497.01 mm2、鋼截面積34.36 mm2、總截面積531.37 mm2、外徑30.0 mm、計(jì)算重量1.642 kg/m、計(jì)算拉斷力 119.5 kN、彈性模量63.0 N/mm2×103、安全系數(shù)2.5、熱膨脹系數(shù)20.9×10-6。

在某檔中選擇5個(gè)觀測點(diǎn)，分別為導(dǎo)線10 m、50 m、100 m、150 m以及200 m處。該檔的兩懸掛點(diǎn)高差為10．2 m。覆冰前后觀測導(dǎo)線弧垂時(shí)的溫度差為25°。表1是利用本文算法提取出的導(dǎo)線弧垂變化值、經(jīng)過環(huán)境溫度校正計(jì)算得到的覆冰厚度以及采用現(xiàn)場實(shí)測獲取的覆冰厚度。從該檔中選擇的覆冰觀測點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，導(dǎo)線覆冰厚度的檢測誤差最大不超過6%。

表 1 覆冰厚度實(shí)驗(yàn)計(jì)算結(jié)果

4 結(jié) 語

本文提出根據(jù)覆冰前和覆冰后導(dǎo)線弧垂的變化量，結(jié)合導(dǎo)線力學(xué)分析模型，考慮環(huán)境溫度變化因素對導(dǎo)線弧垂的影響，建立了導(dǎo)線覆冰厚度計(jì)算模型。該模型能計(jì)算導(dǎo)線上的等值覆冰厚度，了解輸電線路遭受冰災(zāi)的程度。

這種新的導(dǎo)線等值覆冰厚度監(jiān)測方法能實(shí)現(xiàn)快速、靈活的監(jiān)測大范圍輸電線路覆冰情況，并通過實(shí)驗(yàn)檢測了該方法的精度，能滿足工程應(yīng)用需要，具有很強(qiáng)的可操作性。

將來隨著該項(xiàng)研究成果的工程化和推廣應(yīng)用，將為電網(wǎng)在極端冰雪災(zāi)害條件下運(yùn)行方式的及時(shí)調(diào)整、融冰最佳時(shí)機(jī)和范圍的選擇提供決策依據(jù)，保障電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行。

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P237

B文章編號：1672-4623（2017）06-0084-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.06.026

2015-04-23。

朱傳勇，高級工程師，主要從事遙感影像處理方面的研究。