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一種輸電線路廣域冰情監(jiān)測方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種輸電線路廣域冰情監(jiān)測方法，包括以下步驟：采用激光雷達設備采集覆冰導線的點云數據；確定覆冰導線點空間坐標和導線覆冰厚度；計算等效等值覆冰厚度。本發(fā)明提供的輸電線路廣域冰情監(jiān)測方法利用激光雷達設備對覆冰導線位移形變和覆冰厚度進行測量，建立有限元模型，根據覆冰在導線上的實際分布計算得到導線的等效等值覆冰厚度，評估冰害程度。
【專利說明】一種輸電線路廣域冰情監(jiān)測方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種監(jiān)測方法，具體涉及一種輸電線路廣域冰情監(jiān)測方法。

【背景技術】
[0002] 線路覆冰，尤其是大面積覆冰是影響電網安全運行的關鍵因素之一。導線覆冰后， 掛點實際承受荷載增大；當覆冰厚度較大時，桿塔所受荷載超過設計值，易引發(fā)倒塔、斷線 事故。目前主要通過人工巡線采取稱重測量法觀測導線覆冰厚度，進而換算至等值覆冰厚 度對線路覆冰風險進行評估，準確性不高。且在大范圍雨雪冰凍災害天氣條件下，難以及時 對輸電線路廣域覆冰風險進行準確評估分析，進而采取針對性防治措施。
[0003] 目前，對線路覆冰的檢測主要分為兩大類：人工巡檢和在線監(jiān)測。早期，人工巡檢 方法對保障線路安全起到了重大的作用，目前作為輔助手段仍保留此種方式。對于人工巡 檢無法完成的區(qū)域，則一方面建立觀冰站，通過模擬線路檢測法來實現。然而在部分高壓線 路分布的區(qū)域地形復雜、環(huán)境惡劣，給巡檢工作帶來了很大的困難。且巡檢需要一定的周 期，屬于定期的離線檢測，對災害的出現無法做到快速的反應。
[0004] 在線監(jiān)測方法中，從覆冰檢測原理及分析方法來說，可以分為圖像法、稱重法、導 線傾角-弧垂法。圖像法是利用安裝在塔桿等處的高性能攝像頭拍攝導線上的覆冰情況， 通過圖像處理技術，獲取覆冰導線的尺寸特征，然后通過模型計算，最終得到等值覆冰厚 度。該方法簡單易行，能夠直觀的檢測到地形氣候條件復雜地區(qū)的輸電線路。但是攝像頭 只能獲取近距離的影像，采集的信息量有限，且攝像頭有可能被冰雪覆蓋，導致整個檢測系 統(tǒng)癱瘓。稱重法是利用拉力傳感器測量一個檔距內覆冰導線的質量，通過排除法，最終得到 覆冰的質量，再換算成覆冰的厚度。傾角-弧垂法將采集到的導線傾角、弧垂等參數，結合 輸電線路狀態(tài)方程、線路參數和氣象環(huán)境參數，計算導線的覆冰重量和覆冰平均厚度。這種 方案計算出的覆冰厚度是檔內平均值，無法反應覆冰具體分布情況，并在覆冰分布不均勻 的情況下，使用線路狀態(tài)方程計算，誤差較大。
[0005] 上述的三種方法雖然在現實工作中有所應用，但是都屬于點監(jiān)測方法，無法對大 面積雨雪冰凍災害天氣線路覆冰進行監(jiān)測和風險評估。有鑒于此，有必要提供一種輸電線 路廣域冰情監(jiān)測技術，在無人機飛行平臺上搭載激光雷達設備，對導線覆冰分布進行測量， 并通過有限元軟件計算等效等值覆冰厚度的方法，實現對輸電線路廣域冰情監(jiān)測。
[0006] 激光雷達系統(tǒng)（LiDAR，Light Detection and Ranging)的基本工作原理：先通過 激光掃描儀發(fā)射出激光脈沖信號，經過反射棱鏡把激光脈沖信號射向目標，然后再通過信 號接收機探測接收目標反射回來的信號，然后再把這些信號記錄下來，最后轉化成能被計 算機識別的數據，再將這些數據輸入到計算機的存儲系統(tǒng)中，利用相關軟件實現掃描目標 的建模。激光雷達是無合作目標激光測距儀與角度測量系統(tǒng)組合的自動化快速測量系統(tǒng)， 在復雜的現場和空間對被測物體進行快速掃描測量，直接獲得激光點所接觸的物體表面的 水平方向、天頂距、斜距和反射強度，自動存儲并計算，獲得點云數據。點云數據經過計算機 處理后，可快速重構出導線各點的空間位置。
[0007] 申請?zhí)枮?00910097184. 7的發(fā)明專利提供一種架空輸電線路導線覆冰實時監(jiān)測 方法及系統(tǒng)，該方法包括如下步驟：1)將傾角-溫度監(jiān)測裝置設置在各檔線路導線上，用于 實時測量線路導線的懸掛點傾角和導線溫度；2)將偏移角-風偏角監(jiān)測裝置設置在各懸垂 絕緣子串上，用于實時測量懸垂絕緣子串沿導線方向偏移角和垂直導線方向風偏角；通過 實時測量線路導線懸掛點傾角、導線溫度和懸垂絕緣子串偏移角，實時計算線路導線覆冰 綜合荷載和覆冰厚度。在實際工程應用中，該方法僅可對一個或少數覆冰位置進行監(jiān)測，且 需要在線路上安裝多個裝置，會對線路運行造成影響。


【發(fā)明內容】

[0008] 為了克服上述現有技術的不足，本發(fā)明提供一種輸電線路廣域冰情監(jiān)測方法，利 用激光雷達設備對覆冰導線位移形變和覆冰厚度進行測量，建立有限元模型，根據覆冰在 導線上的實際分布計算得到導線的等效等值覆冰厚度，評估冰害程度。
[0009] 為了實現上述發(fā)明目的，本發(fā)明采取如下技術方案：
[0010] 本發(fā)明提供一種輸電線路廣域冰情監(jiān)測方法，所述方法包括以下步驟：
[0011] 步驟1 :采用激光雷達設備采集覆冰導線的點云數據；
[0012] 步驟2 :確定覆冰導線點空間坐標和導線覆冰厚度；
[0013] 步驟3 :計算等效等值覆冰厚度。
[0014] 所述步驟1中，激光雷達設備搭載在無人機上，無人機起飛后沿覆冰導線方向飛 行巡檢，并使用激光雷達設備對覆冰導線進行掃描，獲取其點云數據；所述點云數據包括空 間位置坐標、球面坐標、反射量和強度值。
[0015] 所述步驟2包括以下步驟：
[0016] 步驟2-1:提取目標點；
[0017] 步驟2-2 :確定覆冰導線點空間坐標；
[0018] 步驟2-3 :計算導線覆冰厚度。
[0019] 所述步驟2-1包括以下步驟：
[0020] 步驟2-1-1 :根據獲取的點云數據，確定點云最低點，構成不規(guī)則三角網凸殼；
[0021] 步驟2-1-2 :根據點云數據的稀疏程度設置坡度閾值，并選取坡度閾值范圍內的 掃描點形成覆冰目標初始表面；
[0022] 步驟2-1-3 :從覆冰目標初始表面的掃描點中選取種子點插值為不規(guī)則三角網， 并計算剩余掃描點與不規(guī)則三角網的高度差；
[0023] 步驟2-1-4:判斷高度差是否在坡度閾值范圍內，同時結合點云數據的稀疏程度 區(qū)分掃描點中的目標點和非目標點，所述目標點即為覆冰導線點。
[0024] 所述步驟2-2中，以桿塔為原點、以沿覆冰導線方向為X軸、垂直覆冰導線方向為 Y軸、垂直地面的方向為Z軸建立輸電線路坐標系，將覆冰導線點的空間位置坐標從以激光 雷達設備所在位置為原點的設備坐標系轉換到輸電線路坐標系中，即可得到覆冰導線點的 空間坐標。
[0025] 所述步驟2-3中，在垂直覆冰導線方向建立橢圓方程，根據覆冰導線點的空間坐 標計算橢圓長短軸，使得中誤差最?。粰E圓截面為覆冰導線截面，橢圓中心為導線中心，長 軸與短軸差值的一半即為導線覆冰厚度。
[0026] 所述步驟3包括以下步驟：
[0027] 步驟3-1 :建立覆冰導線懸鏈線形式的有限元模型；
[0028] 步驟3-2 :計算單元的平均覆冰厚度；
[0029] 步驟3-3 :確定實際冰密度；
[0030] 步驟3-4 :確定等效等值覆冰厚度，實現輸電線路廣域冰情監(jiān)測。
[0031] 所述有限元模型中，沿覆冰導線方向每隔0. lm?5.0m取為一個單元，將冰荷載施 加在單元上；同時計算覆冰導線兩端張力N1和N2,且Nl > N2,張力為N1的導線端位置記 為A。
[0032] 所述步驟3-2中，按覆冰體積相等的原則，由確定的導線覆冰厚度計算單元的平 均覆冰厚度。
[0033] 所述步驟3-3包括以下步驟：
[0034] 步驟3-3-1 :設定冰密度初值，冰荷載施加在每個單元上，計算覆冰導線各點位 移；
[0035] 步驟3-3-2 :將計算出的覆冰導線各點位移與激光雷達設備掃描的各點位移相比 較，分為以下情況：
[0036] (1)當覆冰導線各點位移與激光雷達設備掃描的各點位移相等時，設定的冰密度 初值即為實際冰密度；
[0037] (2)當覆冰導線各點位移小于激光雷達設備掃描的各點位移時，增大冰密度，重新 計算覆冰導線各點位移，直至二者相等，即可得到實際冰密度；
[0038] (3)當覆冰導線各點位移大于激光雷達設備掃描的各點位移時，減小冰密度，重新 計算覆冰導線各點位移，直至二者相等，即可得到實際冰密度。
[0039] 所述步驟3-4包括以下步驟：
[0040] 步驟3-4-1 :根據確定的實際冰密度，假設覆冰導線上所有單元覆冰厚度相等，設 定覆冰厚度初值；
[0041] 步驟3-4-2:根據懸鏈方程計算導線端A的張力Ν'，將張力Ν'和張力N1相比較， 分為以下情況：
[0042] (1)若Ν' = Ν1，則此時覆冰厚度即為該覆冰導線的等效等值覆冰厚度；
[0043] (2)若Ν' > Ν1，則減小覆冰厚度，重新計算導線端Α的張力Ν'，直至Ν' = Ν1， 即可得到覆冰導線的等效等值覆冰厚度；
[0044] (3)若Ν' < Ν1，則增大覆冰厚度，重新計算導線端Α的張力Ν'，直至Ν' = Ν1， 即可得到覆冰導線的等效等值覆冰厚度。
[0045] 與現有技術相比，本發(fā)明的有益效果在于：
[0046] 1.本發(fā)明通過無人機搭載激光雷達設備，可迅速對覆冰線路進行掃描，實現對大 面積冰情迅速監(jiān)測；
[0047] 2.本發(fā)明可直接測量得到覆冰導線的形變位移、輸電線路上覆冰厚度實際分布；
[0048] 3.本發(fā)明可計算得到覆冰導線的等效等值覆冰厚度，在簡化工程計算的同時，提 高廣域線路覆冰風險評估準確性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0049] 圖1是輸電線路廣域冰情監(jiān)測方法流程圖。

【具體實施方式】
[0050] 下面結合附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0051] 如圖1，本發(fā)明提供一種輸電線路廣域冰情監(jiān)測方法，所述方法包括以下步驟：
[0052] 步驟1 :采用激光雷達設備采集覆冰導線的點云數據；
[0053] 步驟2 :確定覆冰導線點空間坐標和導線覆冰厚度；
[0054] 步驟3 :計算等效等值覆冰厚度。
[0055] 所述步驟1中，激光雷達設備搭載在無人機上，無人機起飛后沿覆冰導線方向飛 行巡檢，并使用激光雷達設備對覆冰導線進行掃描，獲取其點云數據；所述點云數據包括空 間位置坐標、球面坐標、反射量和強度值。
[0056] 所述步驟2包括以下步驟：
[0057] 步驟2-1 :提取目標點；
[0058] 步驟2-2 :確定覆冰導線點空間坐標；
[0059] 步驟2-3 :計算導線覆冰厚度。
[0060] 所述步驟2-1包括以下步驟：
[0061] 步驟2-1-1 :根據獲取的點云數據，確定點云最低點，構成不規(guī)則三角網凸殼；
[0062] 步驟2-1-2 :根據點云數據的稀疏程度設置坡度閾值，并選取坡度閾值范圍內的 掃描點形成覆冰目標初始表面；
[0063] 步驟2-1-3 :從覆冰目標初始表面的掃描點中選取種子點插值為不規(guī)則三角網， 并計算剩余掃描點與不規(guī)則三角網的高度差；
[0064] 步驟2-1-4:判斷高度差是否在坡度閾值范圍內，同時結合點云數據的稀疏程度 區(qū)分掃描點中的目標點和非目標點，所述目標點即為覆冰導線點。
[0065] 所述步驟2-2中，以桿塔為原點、以沿覆冰導線方向為X軸、垂直覆冰導線方向為 Y軸、垂直地面的方向為Z軸建立輸電線路坐標系，將覆冰導線點的空間位置坐標從以激光 雷達設備所在位置為原點的設備坐標系轉換到輸電線路坐標系中，即可得到覆冰導線點的 空間坐標。
[0066] 所述步驟2-3中，在垂直覆冰導線方向建立橢圓方程，根據覆冰導線點的空間坐 標計算橢圓長短軸，使得中誤差最小；橢圓截面為覆冰導線截面，橢圓中心為導線中心，長 軸與短軸差值的一半即為導線覆冰厚度。
[0067] 所述步驟3包括以下步驟：
[0068] 步驟3-1 :建立覆冰導線懸鏈線形式的有限元模型；
[0069] 步驟3-2 :計算單元的平均覆冰厚度；
[0070] 步驟3-3 :確定實際冰密度；
[0071] 步驟3-4 :確定等效等值覆冰厚度，實現輸電線路廣域冰情監(jiān)測。
[0072] 所述有限元模型中，沿覆冰導線方向每隔0. lm?5.0m取為一個單元，將冰荷載施 加在單元上；同時計算覆冰導線兩端張力N1和N2,且Nl > N2,張力為N1的導線端位置記 為A。
[0073] 所述步驟3-2中，按覆冰體積相等的原則，由確定的導線覆冰厚度計算單元的平 均覆冰厚度。
[0074] 所述步驟3-3包括以下步驟：
[0075] 步驟3-3-1 :設定冰密度初值，冰荷載施加在每個單元上，計算覆冰導線各點位 移；
[0076] 步驟3-3-2 :將計算出的覆冰導線各點位移與激光雷達設備掃描的各點位移相比 較，分為以下情況：
[0077] (1)當覆冰導線各點位移與激光雷達設備掃描的各點位移相等時，設定的冰密度 初值即為實際冰密度；
[0078] (2)當覆冰導線各點位移小于激光雷達設備掃描的各點位移時，增大冰密度，重新 計算覆冰導線各點位移，直至二者相等，即可得到實際冰密度；
[0079] (3)當覆冰導線各點位移大于激光雷達設備掃描的各點位移時，減小冰密度，重新 計算覆冰導線各點位移，直至二者相等，即可得到實際冰密度。
[0080] 所述步驟3-4包括以下步驟：
[0081] 步驟3-4-1 :根據確定的實際冰密度，假設覆冰導線上所有單元覆冰厚度相等，設 定覆冰厚度初值；
[0082] 步驟3-4-2:根據懸鏈方程計算導線端A的張力Ν'，將張力Ν'和張力N1相比較， 分為以下情況：
[0083] (1)若Ν' = Ν1，則此時覆冰厚度即為該覆冰導線的等效等值覆冰厚度；
[0084] (2)若Ν' > Ν1，則減小覆冰厚度，重新計算導線端Α的張力Ν'，直至Ν' = Ν1， 即可得到覆冰導線的等效等值覆冰厚度；
[0085] (3)若Ν' < Ν1，則增大覆冰厚度，重新計算導線端Α的張力Ν'，直至Ν' = Ν1， 即可得到覆冰導線的等效等值覆冰厚度。
[0086] 最后應當說明的是：以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非對其限制，所 屬領域的普通技術人員參照上述實施例依然可以對本發(fā)明的【具體實施方式】進行修改或者 等同替換，這些未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修改或者等同替換，均在申請待批的本發(fā) 明的權利要求保護范圍之內。
【權利要求】
1. 一種輸電線路廣域冰情監(jiān)測方法，其特征在于：所述方法包括以下步驟： 步驟1 :采用激光雷達設備采集覆冰導線的點云數據； 步驟2 :確定覆冰導線點空間坐標和導線覆冰厚度； 步驟3 :計算等效等值覆冰厚度。
2. 根據權利要求1所述的輸電線路廣域冰情監(jiān)測方法，其特征在于：所述步驟1中，激 光雷達設備搭載在無人機上，無人機起飛后沿覆冰導線方向飛行巡檢，并使用激光雷達設 備對覆冰導線進行掃描，獲取其點云數據；所述點云數據包括空間位置坐標、球面坐標、反 射量和強度值。
3. 根據權利要求1所述的輸電線路廣域冰情監(jiān)測方法，其特征在于：所述步驟2包括 以下步驟： 步驟2-1 :提取目標點； 步驟2-2 :確定覆冰導線點空間坐標； 步驟2-3:計算導線覆冰厚度。
4. 根據權利要求3所述的輸電線路廣域冰情監(jiān)測方法，其特征在于：所述步驟2-1包 括以下步驟： 步驟2-1-1 :根據獲取的點云數據，確定點云最低點，構成不規(guī)則三角網凸殼； 步驟2-1-2 :根據點云數據的稀疏程度設置坡度閾值，并選取坡度閾值范圍內的掃描 點形成覆冰目標初始表面； 步驟2-1-3:從覆冰目標初始表面的掃描點中選取種子點插值為不規(guī)則三角網，并計 算剩余掃描點與不規(guī)則三角網的高度差； 步驟2-1-4 :判斷高度差是否在坡度閾值范圍內，同時結合點云數據的稀疏程度區(qū)分 掃描點中的目標點和非目標點，所述目標點即為覆冰導線點。
5. 根據權利要求4所述的輸電線路廣域冰情監(jiān)測方法，其特征在于：所述步驟2-2中， 以桿塔為原點、以沿覆冰導線方向為X軸、垂直覆冰導線方向為Y軸、垂直地面的方向為Z 軸建立輸電線路坐標系，將覆冰導線點的空間位置坐標從以激光雷達設備所在位置為原點 的設備坐標系轉換到輸電線路坐標系中，即可得到覆冰導線點的空間坐標。
6. 根據權利要求1所述的輸電線路廣域冰情監(jiān)測方法，其特征在于：所述步驟2-3中， 在垂直覆冰導線方向建立橢圓方程，根據覆冰導線點的空間坐標計算橢圓長短軸，使得中 誤差最?。粰E圓截面為覆冰導線截面，橢圓中心為導線中心，長軸與短軸差值的一半即為導 線覆冰厚度。
7. 根據權利要求1所述的輸電線路廣域冰情監(jiān)測方法，其特征在于：所述步驟3包括 以下步驟： 步驟3-1 :建立覆冰導線懸鏈線形式的有限元模型； 步驟3-2 :計算單元的平均覆冰厚度； 步驟3-3 :確定實際冰密度； 步驟3-4 :確定等效等值覆冰厚度，實現輸電線路廣域冰情監(jiān)測。
8. 根據權利要求7所述的輸電線路廣域冰情監(jiān)測方法，其特征在于：所述有限元模型 中，沿覆冰導線方向每隔〇. lm?5. Om取為一個單元，將冰荷載施加在單元上；同時計算覆 冰導線兩端張力N1和N2,且Nl > N2,張力為N1的導線端位置記為A。
9. 根據權利要求7所述的輸電線路廣域冰情監(jiān)測方法，其特征在于：所述步驟3-2中， 按覆冰體積相等的原則，由確定的導線覆冰厚度計算單元的平均覆冰厚度。
10. 根據權利要求7所述的輸電線路廣域冰情監(jiān)測方法，其特征在于：所述步驟3-3包 括以下步驟： 步驟3-3-1 :設定冰密度初值，冰荷載施加在每個單元上，計算覆冰導線各點位移； 步驟3-3-2 :將計算出的覆冰導線各點位移與激光雷達設備掃描的各點位移相比較， 分為以下情況： (1) 當覆冰導線各點位移與激光雷達設備掃描的各點位移相等時，設定的冰密度初值 即為實際冰密度； (2) 當覆冰導線各點位移小于激光雷達設備掃描的各點位移時，增大冰密度，重新計算 覆冰導線各點位移，直至二者相等，即可得到實際冰密度； (3) 當覆冰導線各點位移大于激光雷達設備掃描的各點位移時，減小冰密度，重新計算 覆冰導線各點位移，直至二者相等，即可得到實際冰密度。
11. 根據權利要求8所述的輸電線路廣域冰情監(jiān)測方法，其特征在于：所述步驟3-4包 括以下步驟： 步驟3-4-1 :根據確定的實際冰密度，假設覆冰導線上所有單元覆冰厚度相等，設定覆 冰厚度初值； 步驟3-4-2:根據懸鏈方程計算導線端A的張力Ν'，將張力Ν'和張力N1相比較，分 為以下情況： (1) 若Ν' = N1，則此時覆冰厚度即為該覆冰導線的等效等值覆冰厚度； (2) 若Ν' >N1，則減小覆冰厚度，重新計算導線端A的張力Ν'，直至Ν' =N1，即可 得到覆冰導線的等效等值覆冰厚度； (3) 若Ν' <N1，則增大覆冰厚度，重新計算導線端A的張力Ν'，直至Ν' =N1，即可 得到覆冰導線的等效等值覆冰厚度。
【文檔編號】G01S17/88GK104122560SQ201410328447
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年7月11日 優(yōu)先權日:2014年7月11日
【發(fā)明者】邵瑰瑋, 付晶, 陳怡 , 曾云飛, 蔡煥青, 文志科, 胡霽, 閔絢 申請人:國家電網公司, 中國電力科學研究院