數(shù)字化三維模型的架空輸電線路設(shè)計(jì)

楊紫旺

益陽電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司 湖南益陽 413000

隨著技術(shù)水平的快速提升，數(shù)字化設(shè)計(jì)方式已經(jīng)應(yīng)用到了各個(gè)行業(yè)當(dāng)中，對(duì)于電力行業(yè)來說也要加快數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用來提升自身的發(fā)展速度。特別是2019年國家電網(wǎng)提出了“兩網(wǎng)”的目標(biāo)，更是需要加強(qiáng)數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用來推動(dòng)行業(yè)發(fā)展。架空輸電線路是電力系統(tǒng)中最為重要的組成部分之一，在其設(shè)計(jì)過程中可以利用數(shù)字化三維模型對(duì)其設(shè)計(jì)進(jìn)行模擬仿真，從而提升架空輸電線路設(shè)計(jì)的效率和準(zhǔn)確性。本文主要對(duì)架空輸電線路實(shí)施數(shù)字化三維設(shè)計(jì)，先對(duì)輸電線路模型各組成部分進(jìn)行分析，之后對(duì)于工程案例的架空輸電線路實(shí)施BIM技術(shù)建模，最后對(duì)于所建三維模型和實(shí)際測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，充分體現(xiàn)出數(shù)字化三維設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)所在，對(duì)于數(shù)字化技術(shù)的進(jìn)一步推廣具有重要參考作用。

1 架空輸電線路三維模型的分析

經(jīng)過多年的發(fā)展，以BIM技術(shù)為基礎(chǔ)的數(shù)字化設(shè)計(jì)模式有了較大發(fā)展，特別是在建筑領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。相對(duì)于建筑領(lǐng)域來說，電網(wǎng)設(shè)計(jì)實(shí)施數(shù)字化設(shè)計(jì)方面還處于初期階段，還缺少較為系統(tǒng)的三維模型方法以及標(biāo)準(zhǔn)。本文針對(duì)目前架空輸電線路基本情況簡(jiǎn)述其三維模型情況。

1.1 導(dǎo)地線模型

從目前來看，架空輸電線路最為常用的為鋁包鋼或者鋼芯鋁絞線，其橫截面主要為多個(gè)圓形通過不同的包裹方式形成。從設(shè)計(jì)情況來看，在輸電線路設(shè)計(jì)過程中最為關(guān)注的就是導(dǎo)地線空間姿態(tài)、通道內(nèi)地面、交叉跨越距離等等。在三維模型建設(shè)時(shí)，如果嚴(yán)格按照實(shí)體來對(duì)導(dǎo)地線進(jìn)行建模，會(huì)大大提升模型的數(shù)據(jù)量，從而增加系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)擔(dān)，所以實(shí)際三維設(shè)計(jì)過程中更多的是按照導(dǎo)線外徑進(jìn)行整體建模，可以充分體現(xiàn)出導(dǎo)線端點(diǎn)、弧垂等方面信息，具體截面情況如圖1所示。

圖1 導(dǎo)地線截面示意圖

1.2 絕緣子串

絕緣子串主要包括絕緣子、金具等部分，其主要用來對(duì)桿塔以及導(dǎo)線進(jìn)行連接。在進(jìn)行輸電線路設(shè)計(jì)過程中，每個(gè)設(shè)計(jì)階段的重點(diǎn)所有差異，其中初期設(shè)計(jì)更多注重的是絕緣子串自身空間姿態(tài)以及對(duì)導(dǎo)地線模型空間姿態(tài)的影響等等；施工圖設(shè)計(jì)階段不但要關(guān)注如上兩方面內(nèi)容，同時(shí)也要準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)出整個(gè)線路中全部的絕緣子、金具的用量。所以在絕緣子串建模時(shí)也要按照不同的實(shí)際需求來設(shè)定不同的精度等級(jí)[1]。

1.3 桿塔模型

對(duì)于架空輸電線路來說，其最主要的桿塔主要有桁架塔、鋼管桿、鋼筋混凝土桿等等，由于鐵塔具有應(yīng)用便利、成本低等優(yōu)勢(shì)得到了最為廣泛的應(yīng)用。鐵塔在實(shí)際使用中要充分考慮到電氣、結(jié)構(gòu)等專業(yè)性要求，所以對(duì)其建模時(shí)也要充分考慮此兩方面內(nèi)容，其中電氣專業(yè)更加關(guān)注的是桿塔掛線點(diǎn)位置、塔腳根開、主材等內(nèi)容，結(jié)構(gòu)專業(yè)更加關(guān)注的是鐵塔桿件位置、材質(zhì)和規(guī)格等等。

總的來說鐵塔主要是通過多個(gè)不同尺寸的桿件連接形成的，將其轉(zhuǎn)化為幾何模型就是通過不同屬性的線段所組成。從具體工程情況來看，鐵塔的每個(gè)桿件都是利用插接、節(jié)點(diǎn)板、法蘭等實(shí)施連接，但是在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中無法特別注意節(jié)點(diǎn)連接方式。由于鐵塔桿件相對(duì)較多，所以在符合工程設(shè)計(jì)基本要求的前提下最大程度減少鐵塔模型的復(fù)雜性。

1.4 基礎(chǔ)模型

此部分屬于輸電線路的隱蔽工程，三維模型中所顯示的絕大多數(shù)都埋入到地下，因此在模型建設(shè)時(shí)無需考慮基礎(chǔ)自身內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可以將其進(jìn)行簡(jiǎn)化。在三維模型設(shè)計(jì)過程中只要明確基礎(chǔ)外形尺寸及其和鐵塔連接部分的結(jié)構(gòu)即可。一般情況下基礎(chǔ)模型外輪廓相對(duì)規(guī)則，主要是圓柱體、立方體等類型，所以利用常用基礎(chǔ)類型并提取關(guān)鍵幾何參數(shù)就能夠描述基礎(chǔ)外輪廓。對(duì)于基礎(chǔ)和鐵塔的連接部分來說，常常采取地腳螺栓和鐵塔塔腳進(jìn)行連接，但無需特別關(guān)注基礎(chǔ)內(nèi)的情況，因此在進(jìn)行模型建設(shè)時(shí)只要利用一組參數(shù)描述每個(gè)地腳螺栓位置、規(guī)格以及材質(zhì)就行。

2 架空輸電線路數(shù)字化三維設(shè)計(jì)案例分析

本文主要通過智能航測(cè)系統(tǒng)實(shí)施航空攝影測(cè)量，在采集到所建輸電線路走廊影像數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)景三維模型的制作，并且將其輸入到三維設(shè)計(jì)平臺(tái)當(dāng)中。由于無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)具有續(xù)航時(shí)間長、飛行成本低、較高數(shù)據(jù)分辨率以及機(jī)動(dòng)靈活等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用在數(shù)據(jù)采集方面，已經(jīng)成為了現(xiàn)代航空攝影測(cè)量的重要方式。

2.1 具體工程概況

某擬建220kV架空輸電線路處在丘陵區(qū)域，線路長度40公里，線路曲折系數(shù)1.20，全線單回路架設(shè)。導(dǎo)線采用2×JL/G1A-400/35鋼芯鋁絞線，兩根地線采用OPGW光纜。設(shè)計(jì)氣象條件為基本風(fēng)速27m/s、覆冰10mm。海拔高度為200m～1000m，地形比例為平丘70%，一般山區(qū)30%。沿線電力線路、鐵路、林區(qū)等交叉跨越物較多。

2.2 無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)

本文所應(yīng)用的為D1000智能航測(cè)系統(tǒng)，此系統(tǒng)是建立在旋翼無人機(jī)基礎(chǔ)上所建立的智能航測(cè)系統(tǒng)，其具有正射、條帶、傾斜、環(huán)繞、全景等不同作業(yè)模式，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)飛行控制。其中無人機(jī)管家專業(yè)軟件能夠?qū)崿F(xiàn)較大比例尺的精度應(yīng)用，具有空三解算、控制點(diǎn)測(cè)量、一鍵成圖等功能。

2.3 航線設(shè)計(jì)情況

對(duì)于該輸電線路工程來說，為了能夠覆蓋到線路所涉及到的走廊區(qū)域，可以設(shè)計(jì)為多邊形測(cè)區(qū)。通過對(duì)該區(qū)域測(cè)量能夠得到其平均高程為295m。按照航測(cè)標(biāo)準(zhǔn)要求可知，在航攝比例尺≥1:7000的情況下測(cè)區(qū)范圍內(nèi)的地形高差≤1/6相對(duì)航高。

2.4 架空輸電線路走廊實(shí)景建模

可以通過航空影像技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)源的采集，通過利用三維網(wǎng)格優(yōu)化算法、影像匹配彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行自動(dòng)三維建模并且設(shè)置相應(yīng)的約束條件，從而形成輸電線路走廊三維模型。通過相應(yīng)影像處理軟件來對(duì)所采集到的航攝影片實(shí)施預(yù)處理，對(duì)于影像實(shí)施勻光以及降噪，然后利用影像的航向以及旁向重疊數(shù)據(jù)完成相片的拼接，得到較為完整的影像。可以通過無人機(jī)航飛拍攝得到的POS數(shù)據(jù)以及地面像控點(diǎn)坐標(biāo)實(shí)施必要校正，之后將影像坐標(biāo)系轉(zhuǎn)變?yōu)闈M足工程需要的坐標(biāo)系，最終利用影像匹配點(diǎn)云、TIN三角建模、紋理貼附等方式得到最終的三維影像模型[2]。

2.5 模型空間距離量算

以BIM技術(shù)為基礎(chǔ)形成的輸電線路三維模型（包括塔、線、串等）能夠更加真實(shí)的反映出架空輸電線路走廊的具體情況。對(duì)于220kV架空輸電線路來說，其安全距離要滿足《110kV—750kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》方面的相應(yīng)規(guī)定，以此為基礎(chǔ)能夠?qū)旊娋€路走廊交跨地物實(shí)施空間距離量測(cè)，所測(cè)結(jié)果如下所示：

跨越居民區(qū)時(shí)的距離為7.5m；跨越非居民區(qū)時(shí)的距離為6.5m；跨越交通困難區(qū)域的距離為5.5m；跨越等級(jí)公路的距離為8m；跨越電力線的距離為4m；跨越通信線的距離為4m；跨越樹木的距離為 4.5m。

2.6 設(shè)計(jì)效果分析

國家電網(wǎng)公司基建部提出了明確要求，全部新建35kV及以上等級(jí)輸變電工程都要采取數(shù)字化三維設(shè)計(jì)方式來進(jìn)行。本文通過D10000航測(cè)系統(tǒng)對(duì)于輸電線路走廊實(shí)施三維建模，更加真實(shí)反映了輸電線路的具體情況，能夠?yàn)榫€路的進(jìn)一步優(yōu)化、交跨地物空間距離量算提供數(shù)據(jù)依據(jù)。通過三維設(shè)計(jì)和實(shí)測(cè)結(jié)果的比較能夠得知通過數(shù)字化三維模型進(jìn)行架空輸電線路設(shè)計(jì)具有相應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)，具體為：

第一，無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用便利，操作簡(jiǎn)便，數(shù)據(jù)處理過程較快，能夠快速投入應(yīng)用；

第二，航測(cè)技術(shù)覆蓋面廣泛，能夠獲取更加全面的數(shù)據(jù)，就算是線路錄井出現(xiàn)變化也不用進(jìn)行重測(cè)，更便于實(shí)施線路路徑的優(yōu)化；

第三，通過現(xiàn)代化測(cè)量技術(shù)能夠大大降低人工工作量，能夠縮短測(cè)量時(shí)間，提升工作效率；

第四，不同于人工測(cè)量樹木的方式，航攝能夠更加明顯的顯示出單棵樹木的情況，所以通過航測(cè)方式能夠?qū)淠緮?shù)量進(jìn)行更加準(zhǔn)確的統(tǒng)計(jì)。

3 結(jié)語

隨著技術(shù)水平的提升，數(shù)字化技術(shù)逐漸應(yīng)用到了電力行業(yè)中。在架空輸電線路的設(shè)計(jì)中應(yīng)用三維模型能夠更加立體、直觀的體現(xiàn)出輸電線路情況，在此基礎(chǔ)上能夠更加有效的進(jìn)行線路優(yōu)化，提升設(shè)計(jì)效率和準(zhǔn)確性。本文主要闡述了數(shù)字化三維模型的架空輸電線路設(shè)計(jì)方面的內(nèi)容，通過本文的介紹能夠?qū)旊娋€路設(shè)計(jì)提供一定參考和幫助。