輸電線路覆冰監(jiān)測新技術研究

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，提出了利用機載激光掃監(jiān)測輸電線路的導線覆冰厚度。首先研究了LiDAR點集分類理論和導線空間位置的提取算法，然后根據(jù)監(jiān)測獲得導線覆冰前后的弧垂變化量，結(jié)合導線力學分析模型建立導線覆冰厚度精細分析模型。最后對導線覆冰監(jiān)測厚度與現(xiàn)場實測厚度結(jié)果進行一致性分析，驗證該方法的可行性和準確性。

LiDAR點云分類；導線提??；等值覆冰厚度；導線力學狀態(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械承載能力而導致機械和電氣事故。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)運行方式的及時調(diào)整、融冰最佳時機的選擇提供決策依據(jù)，從而保障電網(wǎng)在極端冰雪災害條件下安全運行。

現(xiàn)有的導線覆冰厚度監(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，該方法須手動操作，存在很大的局限性。導線上的冰層都是不規(guī)則的，并具有各點各異的冰層截面，而通常的特征尺寸是在導線的某一部位測得，難以正確反映導線實際覆冰厚度。

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

在線監(jiān)測法開展大范圍冰情調(diào)查的靈活性不足，設備投入和維護成本較高，強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)測裝置機械傳動部件凍結(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)果的時效性和準確性。文獻[9]提出了一種基于空氣與冰的電阻特性差異，實現(xiàn)輸電線路與塔架覆冰厚度自動檢測的新型覆冰厚度傳感器及其檢測方法；文獻[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與完善階段，實際應用尚有許多問題需要解決。

針對現(xiàn)有輸電線路導線覆冰監(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)測輸電線路的導線覆冰厚度。

1 導線空間位置提取

1.1 激光點集分類

使用TIN加密濾波法分離地面點集和地物點集。首先以較大格網(wǎng)將處理區(qū)域劃分開，假設各子區(qū)域中必定有一個地面點，那么將各子區(qū)域包含的點集中高程最小點作為地面種子點，并且用這些地面點構(gòu)建一個粗尺度的TIN網(wǎng)格表面；然后逐一判斷其余的三維點與TIN表面的垂直距離及角度，當距離d與角度α小于一定閾值時，將該點納入并重新生成的TIN表面，否則將該點刪除。重復該過程，直至所有點判斷完成。接下來對地物點集數(shù)據(jù)進行重采樣，生成高程值影像并將其二值化，使用數(shù)學形態(tài)學從地物點集中分離出導線點集。先通過腐蝕運算提取導線點集，再用膨脹運算得到連通區(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 導線形狀精確提取

1.2.1 導線平面位置提取

將分類獲得的導線點集投影在二維平面坐標上，生成一幅二維圖像，如圖1所示。由二維圖像可以看出，導（地）線投影在平面上為一組平行直線，根據(jù)這一特征，本文設計了全局方向特征優(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上改進而來的。

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空間內(nèi)的一條斜率為α、截距為L的直線，可表達為y=αx+L，如圖2所示，在Hough特征空間中（定義為一個分別以直線的斜率和截距為縱橫坐標的二維空間）將表現(xiàn)為一個坐標為（α，L）的點。

圖2 影像平面中的直線

考慮影像平面的一個特定點（x1，y1），過該點的直線可以有很多，每一條都對應了Hough空間中的一個點，這一組直線點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，則每個結(jié)點對應了Hough空間中的一條曲線。所有這些曲線必交于Hough空間中的點（α，L）。曲線相交次數(shù)高的點（α，L）就對應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為坐標空間內(nèi)直線與水平方向的夾角；L為原點到直線的距離；HT(α，L) 為特征空間內(nèi)(α，L)對應位置的相交點數(shù)。

在Hough特征空間中，依次計算各斜率值所對應的特征聚集指數(shù)，當CIndex(α)取得最大值時斜率為α，即為導（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，這些點的坐標對應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 導線空間位置擬合

利用分屬于各條導線的三維空間點集，逐檔擬合導（地）線的形狀。將三維空間點集投影到導（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（地）線進行局部分段擬合，從而提取出導（地）線在三維空間中的形狀。

具體方法是在兩懸掛點間沿線路走向每間隔1 m取一個節(jié)點，每次取15個節(jié)點，用最小二乘法擬合出整檔中一個局部線段的形狀。為了保證擬合出的相鄰局部線段具有空間連續(xù)性，相鄰兩個局部線段需要有5 個公共擬合節(jié)點。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 導線覆冰厚度分析模型

2.1 計算導線任意點處比載

根據(jù)機載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）計算出x處的導線比載γ。

式中，fx為導線x處的導線弧垂；la為x處到懸掛點a處的投影距離；lb為x處到懸掛點b處的投影距離；σ0為某檔弧垂最低點處的應力。

圖4 懸點不等高導線

2.2 覆冰導線任意點處狀態(tài)方程

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

按照連續(xù)檔導線狀態(tài)方程式，通過已知溫度為t0、比載為γ0時導線最低點應力為σ0，即可按照式（4）求出溫度為tn，比載為γn時的導線最低點應力σn。

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

2.3 計算等值覆冰厚度

為了實現(xiàn)工程中的應用，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。導線的等值覆冰厚度計算公式如下：

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

3 實驗及分析

3.1 導線提取實驗

該實驗數(shù)據(jù)是飛機以30 km/h的速度沿導線飛行，利用機載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°。激光點集的密度達到200 points/m2，實驗區(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載激光掃描數(shù)據(jù)來對所提出的算法進行驗證，掃描條帶長大約30 km、9 000萬個點。由于數(shù)據(jù)量大，對數(shù)據(jù)處理的存儲和運算的要求高，為了能高效完成基于激光點集的導線提取，將LiDAR數(shù)據(jù)進行分塊，如40萬點一個數(shù)據(jù)塊，然后逐塊提取導線。如圖5所示，用本文提出的方法對導線點集、桿塔點集和地表點集進行正確的分類。

圖5 點集分類結(jié)果

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

圖6 導線提取結(jié)果

3.2 導線覆冰厚度分析模型實驗

實驗線路采用LGJ-500/35型的鋼芯鋁絞線，該導線特性參數(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、計算重量1.642 kg/m、計算拉斷力 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個觀測點，分別為導線10 m、50 m、100 m、150 m以及200 m處。該檔的兩懸掛點高差為10．2 m。覆冰前后觀測導線弧垂時的溫度差為25°。表1是利用本文算法提取出的導線弧垂變化值、經(jīng)過環(huán)境溫度校正計算得到的覆冰厚度以及采用現(xiàn)場實測獲取的覆冰厚度。從該檔中選擇的覆冰觀測點的實驗結(jié)果表明，導線覆冰厚度的檢測誤差最大不超過6%。

表 1 覆冰厚度實驗計算結(jié)果

4 結(jié) 語

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

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

將來隨著該項研究成果的工程化和推廣應用，將為電網(wǎng)在極端冰雪災害條件下運行方式的及時調(diào)整、融冰最佳時機和范圍的選擇提供決策依據(jù)，保障電網(wǎng)的安全可靠運行。

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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。