輸電線路風偏模擬分析系統(tǒng)研究

王和平，鄒 彪，汪 駿，武 藝，孟小前

（1.國網通用航空有限公司，北京 102209）

隨著電網規(guī)模的發(fā)展，輸電線路設備日趨復雜，一些極端的氣候環(huán)境如高溫、大風、覆冰等對輸電線路的安全造成極大的威脅，風偏閃絡導致的斷電現象頻頻發(fā)生[1]，極大的威脅到輸電線路的安全，傳統(tǒng)的檢測手段已經很難滿足輸電線路安全管理需求。

激光雷達測距作為一種遙感技術，通過向目標發(fā)射探測信號,然后將換收到的信號與發(fā)射信號進行比較,獲取探測目標的距離、方位、高度、速度、姿態(tài)及狀等參數，并處理生成點云數據[2-3]。由于激光雷達具有分辨率高、抗有源干擾能力強、低空探測性能好、數據精度高等特點，近年來廣泛應用于無人駕駛、智慧城市、海洋探測、電力建設等領域[4-8]。

機載激光雷達技術的誕生和發(fā)展，為輸電線路的自動化巡檢和隱患智能預警分析提供了可能[9-10]。本文采用激光點云、數據高程、高清影像等技術，構建輸電線路工況模擬分析模型，實時集成第三方環(huán)境參數（如溫度、濕度、風速、覆冰）、運行參數及導線參數，開展大規(guī)模的在線風偏工況模擬分析，在三維場景中重構高清的輸電通道，對超過安全閾值的輸電線路進行定位、預警和預報，通過微信和短信等方式通知檢修人員，及時消除安全隱患，從而為輸電線路的生產運行檢修計劃的制定、科學有序地開展設備狀態(tài)檢修、設備退役、技改大修等提供科學的決策依據。

1 風偏模擬分析流程

參照輸電線路地物分類規(guī)則，實現輸電線路點云數據的自動分類，建立導地線、絕緣子和桿塔模型。集成環(huán)境參數、線路運行參數和導線參數，分析不同工況條件下的導地線弧垂狀態(tài)和桿塔絕緣子狀態(tài)，進行電力線弧垂模擬及張力計算。參考《輸電線路運行規(guī)程》，結合導地線在不同工況條件下的弧垂狀態(tài)，重新計算輸電導線之間及導線與地面、建筑物、樹木、線路交叉跨越、交通設施等的空間距離，開展不同工況的模擬分析，及時發(fā)現通道隱患，形成安全評估報告。最后在三維場景中輸出模擬導線和通道隱患點。風偏模擬分析流程如圖1 所示。

圖1 風偏模擬分析流程

2 模擬分析算法

2.1 導線弧垂擬合

本文采用懸鏈線方程的簡化形式拋物線方程，可滿足輸電線路工程應用的精度要求，斜拋物線如式（1）所示：

式中，g為架空線的自重力比載；σ0為線路方向的水平應力分量；φ為高差角。

2.2 導線風偏

導線風偏（舞動、弧垂）是威脅架空輸電線路安全穩(wěn)定運行的重要因素之一，常常造成線路跳閘、導線電弧燒傷、斷股、斷線等嚴重后果。風偏的發(fā)生常伴有大風和雷雨現象，給故障的判斷及查找?guī)硪欢ǖ睦щy。輸電工程中經常需要計算架空線風偏后，在垂直及水平投影平面內的弧垂、應力及懸掛點應力等。

2.2.1 導線風偏角

導線風偏角計算公式如下：

Lesage從1858年起家，存有近60噸的刺繡輔料，有包括從1858年開始的四萬本樣本存檔，每年有幾件新紋樣的設計。

式中，g1為架空線的自重力比載；g4為架空線的風力比載。

2.2.2 絕緣子風偏角

絕緣子風偏角計算公式如下：

式中，Pj為絕緣子串風壓；Pd為導線風荷載標準值；lh為水平檔距；Gj為絕緣子串垂重量；Wd為導線重；lv為垂直檔距。

2.3 最大弧垂

為確定桿塔高度，校驗導線對地面、水面或交叉跨越物間的安全距離及桿塔位置等，需要知道導線的最大弧垂及其出現的氣象條件。最大弧垂出現的氣象條件一般為最高氣溫或者最大垂直比載，可以通過臨界溫度法確定，計算公式如下：

式中，tb為當前溫度；γ1為最高氣溫氣象比載；γ2為無風氣象比載；σb為應力。

將計算的臨界溫度tj和最高氣溫tmax相比較，溫度高為出現最大弧垂的控制條件。若tj＞tmax，則最大弧垂發(fā)生在最大垂直比載氣象條件，反之最大弧垂發(fā)生的最高氣溫氣象條件。

3 數據處理

3.1 地形數據處理

3.2 影像數據處理

將單幅高清影像文件通過鑲嵌和拼換生成高清輸電線路走廊影像文件，坐標系統(tǒng)統(tǒng)一為GCS_WGS_1984，然后按照1 m、10 m、37 m、75 m 的緩沖區(qū)間將輸電線路走廊外擴，分別生成分辨率為1 m、10 m、37 m、75 m 的遙感衛(wèi)星正射影像。通過運算消除在空間、時間或波譜上存在冗余或互補的多源遙感數據，獲得比任何單一數據更精確、更豐富的信息，生成具有新的空間、波譜、時間特征的合成影像數據，最后按照切片級別和地理空間范圍創(chuàng)建格網，將不同分辨率的遙感衛(wèi)星正射影像劃分成若干個相同大小的空間格網，通過輸電線路與空間格網的空間相交進行過濾篩選，并將篩選出的空間格網分成若干組，利用分布式計算技術和GPU 計算技術將格網范圍內的影像數據切片發(fā)布。

3. 3 激光點云數據處理

根據指定檔距拼換輸電線路的點云數據，實現連續(xù)、直觀的顯示線路走廊內地物地貌，提高顯示效果。將激光點云數據與高清遙感影像進行映射，參照輸電線路地物賦色方案對點云數據進行賦色處理，生成真彩色的三維激光點云數據，得到具有真實顏色的點云模型；最后對點云數據進行網格化處理，按照500×500 米網格橫向切片、縱向分級抽稀，生成3D Tiles 切片模型，從而提高海量數據的加載效率。

4 系統(tǒng)實現

4.1 系統(tǒng)架構

輸電線路風偏模擬分析系統(tǒng)采用B/S 架構，為了便于系統(tǒng)開發(fā)、維護、部署、擴展，實現負載平衡，降低業(yè)務模塊間耦合度，系統(tǒng)采用分層架構模式設計，包括數據服務層、應用服務層、業(yè)務展現層。應用展現層采用EasyUI、JQuery、WebGL、HTML5、Cesium 等技術實現激光點云、高清影像、地形數據的輸出、渲染、顯示。應用服務層包括兩部分內容，輸電線路風偏模擬和分析采用C++面向對象語言實現，前端頁面通過可執(zhí)行文件（EXE）方式調用，其他后臺業(yè)務以Spring boot 的MVC架構為骨架，基于RESTful 的設計風格設計，使服務換口更加簡潔、更有層次、更易于實現緩存[11-13]。數據服務層通過地圖服務和數據庫2 種方式組織，高清影像、數據高程和激光點云數據采用地圖服務方式發(fā)布，臺賬、用戶、班組、權限等信息采用MySql 數據庫管理。

4.2 系統(tǒng)功能

4.2.1 數據加載

前端WEB 頁面集成Cesium 的 JavaScript 庫，利用Cesium 提供的API 動態(tài)加載激光點云數據、高清影像、DOM、DEM 和三維模型等數據，如圖2 所示。地形數據利用CesiumTerrainProvider 換口類加載，支持離線切片和在線地形服務；影像數據利用WebMapServiceImageryProvider 換口類加載；點云數據利用后臺服務換口，根據地圖視野范圍和相機高度等參數實現加載和卸載。

圖2 數據加載

4.2.2 風偏模擬

風偏模擬包括參數輸入和模擬分析兩部分。參數輸入換口如圖3 所示，實時的溫度、風速、日照等參數通過手動輸入或調用氣象服務換口兩種方式實現，其他參數根據選擇的線路和桿塔自動從數據庫獲取。模擬分析通過在系統(tǒng)中集成上述模型算法，基于輸入的參數信息對線路進行風偏模擬運算，按照導線弧垂情況決定絕緣子的空間位置，并在三維場景中模擬輸出導線最大風偏軌跡，如圖4 所示。

圖3 模擬參數接口

圖4 導線風偏模擬

4.2.3 隱患分析

基于風偏模擬結果，利用上述弧垂計算模型，參考《線路運行規(guī)程技術要求》，分析模擬導線與地面、水面、植被或交叉跨越物間超出安全距離的地物空間點，并在三維可視化平臺中輸出顯示，如圖5 所示。

4.2.4 空間量算

系統(tǒng)具有在三維場景中進行空間距離量算、面積量算、交跨距離量算、對地高程量算等功能。使用戶可以便捷的在三維可視化場景中獲取多種數據，輔助分析決策。

圖5 隱患分析

5 結 語

本文基于激光點云、數據高程、高清影像等技術，構建了輸電線路工況模擬分析模型，設計開發(fā)了輸電線路風偏模擬分析系統(tǒng)，實現了多源數據加載、風偏模擬、隱患分析及空間量算等功能模塊，為輸電線路的自動化巡檢和隱患智能預警分析提供了技術支撐和科學決策依據。由于造成輸電線路風偏放電的因素很多，分析模型還需要在實踐中進一步完善，從而提高隱患預警效率。