免棱鏡激光測距法在電力線舞動治理中的應(yīng)用研究

李 斌，朱亞光，吳 帥

(山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟南 250100)

免棱鏡激光測距法在電力線舞動治理中的應(yīng)用研究

李 斌，朱亞光，吳 帥

(山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟南 250100)

目前，我國輸電線路的舞動治理正成為一個電力行業(yè)重要的研究課題。而其治理的主要措施便是加裝防舞裝置，為此需要精確測量安裝位置的電力線導(dǎo)線相間三維距離才能保證防舞裝置安裝準確。通過多種方法比較，全站儀免棱鏡激光測距法可以認為是目前最為成熟，實施效率較高，且測量精度滿足施工要求的一種測量方法。

免棱鏡激光測距法；電力線 ；舞動治理；精度。

1 概述

由于我國幅員遼闊，地理及氣象條件復(fù)雜多變，使得我國很多地區(qū)的電網(wǎng)在冬季易遭受冰雪、大風(fēng)天氣影響，引發(fā)氣象災(zāi)害，加之近年來的氣候變化，惡劣氣象頻繁出現(xiàn)，造成我國電網(wǎng)遭受氣象災(zāi)害的概率、程度都大為增加。在我國電網(wǎng)氣象災(zāi)害中，架空導(dǎo)線覆冰舞動是發(fā)生頻率高、影響范圍廣、造成損失較大的一種災(zāi)害形式，嚴重威脅到電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。面對復(fù)雜的環(huán)境因素，為建設(shè)堅強國家電網(wǎng)、確保大電網(wǎng)的長期安全穩(wěn)定運行，需要安全、先進、經(jīng)濟、可靠的防舞動措施作為保證。在運輸電線路舞動治理的主要措施是加裝防舞裝置，因此為保證防舞裝置的準確安裝，需要精確測量出電力線需安裝位置的相間三維距離。

2 技術(shù)方法分析

根據(jù)測量技術(shù)要求，經(jīng)過多次討論及調(diào)研分析，現(xiàn)階段可采用機載激光掃描測高系統(tǒng)法、三維激光掃描儀法、全站儀激光測距法這三種方法作為可實施方法，這三種方法的作業(yè)特點如下。

(1)機載激光掃描測高系統(tǒng)法

采用機載激光掃描測量系統(tǒng)進行電力線勘測設(shè)計測量及生產(chǎn)運行監(jiān)測，是目前國際常用的方法，但利用直升機進行電力線掃描，雖然作業(yè)效率很高，但無論是前期設(shè)備的購買，還是后期的使用，其費用都相當昂貴。由于我國目前經(jīng)濟實力和科技水平的限制，尚不具備全面、系統(tǒng)開展直升機電力作業(yè)的條件。因此目前來看此方法尚不滿足本工程實際作業(yè)需要。

(2)三維激光掃描儀法

采用三維激光掃描儀進行電力線測量，具體的是在電力線中心位置架設(shè)儀器，對電力線進行掃描，待掃描結(jié)束后從掃描的空間數(shù)據(jù)中量取需要測量電力線位置的空間距離。相比較機載激光掃描測高系統(tǒng)，設(shè)備費用較低，但作業(yè)過程中需要人工搬運，儀器設(shè)備較重(約60kg)。而且三維激光掃描儀對掃描距離也有要求，一般不能超過300m，但500kV電力線的檔距一般會超過300m，需要進行兩次掃描觀測才能完成，因此測量一檔耗時長；且內(nèi)業(yè)處理數(shù)據(jù)量非常大，需要采購專門的軟件系統(tǒng)和大容量計算機。因此現(xiàn)階段該作業(yè)方法作業(yè)效率一般，同時造價相對較高。

(3)全站儀激光測距法

采用此方法進行電力線測量，具體來說就是先用GPS RTK方法測量電力線鐵塔，根據(jù)設(shè)計專業(yè)要求找到需要測量電力線的位置，然后在偏離電力線的一定位置架設(shè)全站儀，采用全站儀的免棱鏡激光測距法測出需要測量位置電力線的空間坐標，然后根據(jù)空間坐標計算其空間距離。此方法跟上兩種方法相比，其特點是儀器設(shè)備輕便靈活、操作方便，作業(yè)效率較高。因此免棱鏡激光測距法便于推廣應(yīng)用。

3 免棱鏡激光測距法技術(shù)分析

(1)作業(yè)原理

前面比較分析可知，全站儀激光測距法作業(yè)效率較高，其具體作業(yè)流程如下：

①用GPS RTK方法測量電力線鐵塔鐵腿，計算塔中心坐標T1和T2，在測量手薄中根據(jù)中心坐標連T1和T2成線。

②根據(jù)設(shè)計專業(yè)提供的電力線測量位置表，找到距離T1為Sm的線路中心位置，然后在此距離處垂直線路方向上偏離中心Mm的位置，讀出此處的手薄顯示的累距值和偏距值，即以S為X、M為Y、H為此點高程。即此處空間坐標為(S，M，H)。

③將全站儀架設(shè)在此位置，利用極坐標法進行電力線空間距離測量。測量電力線讀數(shù)中所測點的X值應(yīng)都為S，這樣也就保證所測位置準確。

④將測量各點的數(shù)據(jù)輸出整理，計算出各電力線空間距離。

作業(yè)示意見圖1。

圖1 電力線空間距離測量示意圖

(2)精度分析

全站儀激光測距法的測量精度主要包括GPS-RTK的測點精度和全站儀的測點精度。

G P S-R T K的標稱精度為：平面10mm+1ppm，高程20mm+1ppm。其作業(yè)距離一般都小于5km，且工作基點和后視工作基點都有GPS-RTK測得，因此點位精度最大可視為：平面±2cm，高程±5cm。而GPS-RTK主要是測量出工作基點A和后視工作基點B的坐標高程，而通過在A點架設(shè)全站儀測得a、b、c三點的坐標高程，通過坐標差和高差計算電力線相間距離。因此GPS-RTK只有平面點位精度影響電力線相間距離測量精度。

全站儀的測量精度首先跟使用的測量儀器有關(guān)，目前我院常用的免棱鏡激光測距儀的標稱精度為2mm+2ppm、角度閉合差2.0″。

①全站儀測量平面精度分析

如果設(shè)工作基點為A，后視工作基點為B，AB的方位角為α，測量的電力線上的點為P，測得水平距離為D，水平角為β，則可得P點的坐標為：

若先不計儀器和測點的對中誤差，則P點的點位中誤差為：

若采用標稱精度為2mm+2ppm、角度閉合差2.0″的全站儀極坐標觀測一測回，取mD=2+2×10-6，mβ=3'' ，當D為200m時，可求得mp為3.8mm。

實際上野外作業(yè)時，由于工作基點都為臨時架設(shè)點，儀器和測點的對中誤差存在且較大，因此根據(jù)工作經(jīng)驗和實際，可考慮m對中為3mm。

② 全站儀測量高程精度分析

設(shè)工作基點到電力線測量點的距離為D，垂直角α、儀器高i、目標高V，顧及大氣折光系數(shù)K的影響，單向觀測計算高差的公式為：

由式(5)可以看出，影響高程測量精度的因素有測距誤差mD垂直角觀測誤差mα、儀器高測量誤差mi、站標高測量誤差mv、大氣折光誤差mk。采用高精度的測距儀器和短距離測量，可大大減弱測距誤差的影響，垂直角觀測誤差對高程中誤差的影響較大，且與距離成正比的關(guān)系；對非強制對中點位，可采用適當?shù)姆椒ㄌ岣吡咳【龋淮髿庹酃庹`差隨地區(qū)、氣候、季節(jié)、地面覆蓋物、視線超出地面的高度等不同而發(fā)生變化，其影響與距離的平方成正比。若采用標稱精度為2+2×10-6、2.0''的全站儀觀測一測回，取mD= 2+2×10-6，mβ=3''并設(shè)D=200m，α=±3''，mi= mv= mK= ±1mm，mK= ±0.2，根據(jù)式(5)可求得mh= ±3.1mm。

通過以上分析可以看出，采用免棱鏡激光測距法測量電力線相間距離，平面精度m平= mGPS+ mP+ m對中=36.8mm；高程精度m高=±3.1mm，導(dǎo)線點位測量誤差36.9mm，距離誤差為52.2mm。而電力線安裝測量要求精度只要達到±10cm，即能滿足施工要求。因此此方法作為電力線測量的主要技術(shù)手段從作業(yè)方法和精度上分析都滿足要求。

4 應(yīng)用實例

2010年5月至8月，先后完成了山東境內(nèi)的500kV益川線、濱油線、壽油線、光壽線、霞昆線、辛聊線的部分線路的電力線測量工作，共測量完成電力線近400km。

為檢驗全站儀激光測距法的測量精度，在作業(yè)期間，也采用了三維激光掃描儀法進行作業(yè)比較，兩種方法共同共測量了24組數(shù)據(jù)，從作業(yè)成果上來看，兩方法測量精度相當，相差最大為3cm，最小的為3mm，但作業(yè)效率相差較大，完成8檔24個測量距離工作，全站儀激光測距法需要1天的時間，而三維激光掃描儀法需要2天的時間。

表1 三維激光掃描儀法與全站儀激光測距法比較

5 結(jié)語

5.1 注意事項

(1)由于電力線導(dǎo)線的直徑只有26.8mm，采用免棱鏡激光測距法應(yīng)考慮全站儀測距架設(shè)基點點的選擇問題，經(jīng)實地測量比較分析，儀器架設(shè)基點應(yīng)偏離中心在60m～120m之間為宜，這樣既能保證激光可以反射讀數(shù)，也不會出現(xiàn)因全站儀視線仰角角度過大而無法觀測的情況。

(2)測量記錄的數(shù)據(jù)為坐標形式，野外作業(yè)應(yīng)編制專門的記錄表格。記錄人員應(yīng)根據(jù)坐標數(shù)據(jù)判斷所測值之間的差值在允許范圍之內(nèi)，經(jīng)實地測量分析，坐標和高程的差值應(yīng)保證在5cm之內(nèi)，所測電力線相間三維距離精度可以達到±10cm。

(3)避免出現(xiàn)測量粗差，如測錯了電力線，應(yīng)采用兩次架站的方法觀測同一個電力線位置，以及在測量過程中采用正倒鏡觀測的方法保證瞄準電力線的正確性。在相間距離計算完成后，應(yīng)根據(jù)相間距離規(guī)律進行距離驗證，如在需測量的1/4處和3/4處在相同塔型的情況下相間距離近似相等。

⑷電力線測量工作也受天氣的影響較大。根據(jù)經(jīng)驗，當室外風(fēng)力達到3級以上時，免棱鏡激光測距法一般無法測量，應(yīng)選擇微風(fēng)天氣觀測才能保證測量精度。

5.2 結(jié)論

通過以上的研究分析，全站儀激光測距法的測量精度能滿足施工技術(shù)要求，具備操作簡單、靈活的特點，且測量數(shù)據(jù)整理簡單，能較快提供測量成果，因此該方法值得在此類工程中加以推廣應(yīng)用。鑒于目前全站儀激光測距法測量應(yīng)用的地形多為平地或丘陵，因此，還需要進一步開展機載激光掃描測高系統(tǒng)法在山區(qū)進行高壓線導(dǎo)線相間距離精確測量的應(yīng)用研究。

[1]田林亞，等．利用全站儀同時監(jiān)測公路施工階段水平位移和垂直位移[J]．勘察科學(xué)技術(shù)，2004，(6)．

[2]孔祥元，梅是義．控制測量學(xué)[M]．武漢：武漢測繪科技大學(xué)出版社，1996．

[3]章書壽，華錫生．工程測量[M]．北京：水利電力出版社．1994．

Application of Non-prism Laser Ranging to Galloping Control of Electric Transmission Lines

LI Bin, ZHU Ya-guang, WU Shuai
(Shangdong Electric Power Engineering Consulting Institute Corporation, Ltd, Ji'nan 250013, China)

At present, the galloping control of electric transmission lines in our country is becoming an important subject in the electric power research fi eld. The main method is to install a device to avoid the swing. And therefore the distance between the power lines at the points to install the device has to be known with high precision, so as to achieve the installation accurately. Through the many kinds of methods, the total station without prism laser ranging method may be thought as a mature approach of high ef fi ciency, and it can satisfy the requirement of survey accuracy.

non-prism total station laser ranging; electric transmission line; galloping control; precision.

P2

B

1671-9913(2011)03-0011-04

2011-03-03

李斌(1981- )，男，山東沂源人，工程師，從事電力工程測量工作。