基于激光LiDAR技術(shù)的線路參數(shù)校核及耐張塔覆冰厚度計(jì)算模型效益評(píng)估研究

吳建蓉,馬曉紅,姜蘇,彭赤

(1.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，貴陽 550000；2.中國電建集團(tuán)貴州電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴陽 550000；3.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司，貴陽 550000)

南方電網(wǎng)公司于2008年冰災(zāi)之后建設(shè)輸電線路覆冰預(yù)警系統(tǒng)，主要通過在導(dǎo)線上部署拉力傳感器實(shí)時(shí)采集拉力測(cè)量值，并通過數(shù)學(xué)模型折算至線路標(biāo)準(zhǔn)冰厚，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的線路標(biāo)準(zhǔn)冰厚為融冰計(jì)劃安排起到重要的指導(dǎo)意義[1]。由于“準(zhǔn)靜止鋒”的影響，貴州地區(qū)線路覆冰嚴(yán)重程度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其余省份，且2008年所建輸電線路覆冰厚度計(jì)算模型，為南網(wǎng)地區(qū)通用模型，并沒有結(jié)合線路設(shè)計(jì)條件進(jìn)行建模，在實(shí)際覆冰條件下線路弧垂始終是一個(gè)變量，現(xiàn)有模型無法體現(xiàn)這一特征，均是在冰期過程中通過不斷地修正平均等效長(zhǎng)度、最大等效長(zhǎng)度、無冰拉力值來人為干預(yù)計(jì)算冰厚，造成該系統(tǒng)無法真實(shí)反映貴州地區(qū)線路覆冰情況[2]。目前，輸電線路覆冰計(jì)算模型相對(duì)較多，總體上可以分為：力學(xué)模型、物理模型、統(tǒng)計(jì)學(xué)模型，但或多或少存在區(qū)域限制性，且模型本身參數(shù)考慮不夠全面[3-6]。

因此，從2019年開始，貴州電網(wǎng)公司從力學(xué)角度出發(fā)，全面考慮多種因素，重新建立能夠滿足貴州區(qū)域線路覆冰情況的計(jì)算模型，且目前貴州電網(wǎng)公司部署覆冰監(jiān)測(cè)終端700余套，利用監(jiān)測(cè)終端采集的拉力值及相關(guān)導(dǎo)線、桿塔參數(shù)共同作為覆冰計(jì)算模型輸入?yún)?shù)[7-8]，但目前計(jì)算模型所需要的導(dǎo)線、桿塔參數(shù)均是由各運(yùn)維單位人工上報(bào)，由于缺乏準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)資料作為依據(jù)，所上報(bào)的參數(shù)準(zhǔn)確性較低，尤其是無法準(zhǔn)確獲得垂直檔距參數(shù)，而輸入?yún)?shù)準(zhǔn)確程度直接決定覆冰厚度計(jì)算結(jié)果的可靠性，而且由于輸電線路經(jīng)歷多個(gè)冰期的影響，導(dǎo)線弧垂較設(shè)計(jì)資料均會(huì)有存在一定的誤差[9-12]。同時(shí)，在冰期各運(yùn)維單位大多采用手持式觀冰系統(tǒng)或肉眼判斷導(dǎo)線覆冰厚度，手持式觀冰系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)氣象條件要求較高，在高海拔、覆冰以雨霧凇為主的區(qū)域，由于大霧的影響導(dǎo)致手持式觀冰系統(tǒng)無法正常工作，且手持式觀冰系統(tǒng)無法準(zhǔn)確地判斷導(dǎo)線真實(shí)的覆冰類型，所觀測(cè)導(dǎo)線標(biāo)準(zhǔn)冰厚精確度較低。因此，現(xiàn)階段較為準(zhǔn)確地掌握線路覆冰情況還得依靠于貴州電網(wǎng)輸電線路覆冰預(yù)警系統(tǒng)，所以對(duì)輸電線路覆冰預(yù)警系統(tǒng)中新建覆冰厚度計(jì)算模型輸入?yún)?shù)準(zhǔn)確校核具有重要意義。

基于上述分析，本文利用激光LiDAR技術(shù)，對(duì)覆冰厚度計(jì)算模型相關(guān)導(dǎo)線、桿塔輸入?yún)?shù)進(jìn)行校核，保障計(jì)算模型輸入?yún)?shù)準(zhǔn)確性，提高覆冰厚度計(jì)算模型準(zhǔn)確性。通過本文研究能有效減少輸電網(wǎng)防冰建設(shè)資源投入，可以切實(shí)提升貴州電網(wǎng)公司對(duì)輸電變線路防冰、抗冰管理水平，提高工作效率，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題及薄弱點(diǎn)，提升防冰、抗冰工作的運(yùn)行管理能力、關(guān)鍵指標(biāo)分析能力，實(shí)現(xiàn)精益化管理的目標(biāo)。

1 耐張塔覆冰厚度計(jì)算模型

目前，貴州電網(wǎng)公司覆冰監(jiān)測(cè)終端新建耐張塔覆冰厚度計(jì)算模型，核心思想是以考慮設(shè)計(jì)冰厚條件下耐張塔導(dǎo)線已知水平應(yīng)力、垂直荷載為已知狀態(tài)，結(jié)合導(dǎo)線狀態(tài)方程求解導(dǎo)線不同覆冰厚度條件下水平應(yīng)力、垂直荷載變化量，并計(jì)算出理論合力值，并與覆冰監(jiān)測(cè)終端拉力值測(cè)量值進(jìn)行匹配，輸出理論合力與監(jiān)測(cè)拉力值相一致時(shí)所對(duì)應(yīng)的覆冰厚度。核心理論[13]：

(1)

(2)

Gyi=XLvi·gi

(3)

(4)

上述公式中：L為覆冰監(jiān)測(cè)終端所在桿塔與前后檔桿塔水平檔距，h1、h2分別表示覆冰監(jiān)測(cè)終端所在桿塔與前后檔桿塔絕緣子串掛點(diǎn)位置高度差，l1、l2、h2分別表示覆冰監(jiān)測(cè)終端所在桿塔與前后檔桿塔檔距，σ0、g分別為考慮設(shè)計(jì)冰厚條件下導(dǎo)線單位長(zhǎng)度水平應(yīng)力、垂直荷載受力情況，σi、gi分別為覆冰厚度i情況下導(dǎo)線單位長(zhǎng)度水平應(yīng)力、垂直荷載受力情況，Gyi為覆冰厚度i情況下導(dǎo)線垂直方向受力情況，n為導(dǎo)線分裂數(shù)，F(xiàn)bi為覆冰厚度i情況下導(dǎo)線理論拉力值。

由上述核心計(jì)算公式可以看出，L、h1、h2、l1、l2、n桿塔參數(shù)均為輸入定量，其輸入?yún)?shù)的好壞程度直接導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果的可靠性。而貴州電網(wǎng)輸電線路覆冰厚度計(jì)算模型的目的是為貴州省輸電線路防冰減災(zāi)提供依據(jù)，以及冰區(qū)分布圖修編提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，但目前仍存在以下幾點(diǎn)缺陷：

(1)運(yùn)維單位上報(bào)的覆冰厚度計(jì)算模型參數(shù)不準(zhǔn)確，直接降低模型計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，從而導(dǎo)致不能準(zhǔn)確地掌握現(xiàn)場(chǎng)覆冰情況，更不能對(duì)線路融冰計(jì)劃工作安排起到實(shí)際的作用；

(2)通過傳統(tǒng)的RTK、CORS等技術(shù)對(duì)桿塔及導(dǎo)線自身參數(shù)校核，將耗費(fèi)大量人力物力，傳統(tǒng)的方式無法對(duì)大高差線路參數(shù)校核，無法較準(zhǔn)確地捕捉弧垂最低點(diǎn)，從而不能給出準(zhǔn)確的垂直檔距信息；

(3)運(yùn)維單位上報(bào)的參數(shù)信息，沒有區(qū)分相位，均是將A、B、C相的參數(shù)填報(bào)成相同值，但由于各相位在冰期所處的迎風(fēng)條件不同，所形成的覆冰厚度也各不相同，對(duì)導(dǎo)線各相位的損傷也各不相同，因此需要對(duì)各相位導(dǎo)線、桿塔參數(shù)進(jìn)行校核。

2 激光LiDAR技術(shù)參數(shù)校核

本文利用激光LiDAR技術(shù)對(duì)導(dǎo)線分裂數(shù)、終端所在桿塔與前后側(cè)桿塔絕緣子串懸掛點(diǎn)高度差、終端所在桿塔與前后側(cè)桿塔檔距、水平檔距、垂直檔距進(jìn)行校核，基于激光LiDAR技術(shù)參數(shù)校核如圖1所示。

圖1 激光LiDAR技術(shù)參數(shù)校核Fig.1 Calibration of lidar technical parameters

基于激光LiDAR技術(shù)參數(shù)校核簡(jiǎn)要流程：

(1)本文利用激光LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)在實(shí)現(xiàn)對(duì)各項(xiàng)導(dǎo)線點(diǎn)云數(shù)據(jù)分類、矢量化擬合的基礎(chǔ)上，可以確定絕緣子串掛點(diǎn)位置空間坐標(biāo)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)覆冰監(jiān)測(cè)終端所在桿塔與前后側(cè)桿塔每個(gè)相線絕緣子串掛點(diǎn)高度差，以及導(dǎo)線分裂數(shù)的校核；

(2)針對(duì)覆冰監(jiān)測(cè)終端所在桿塔與前后側(cè)桿塔檔距、水平檔距、代表檔距的校核，利用3基桿塔三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，提取同一水平面上3基桿塔中心點(diǎn)，測(cè)量出桿塔檔距、水平檔距值；

(3)針對(duì)導(dǎo)線垂直檔距校核，在實(shí)現(xiàn)基于激光LiDAR技術(shù)對(duì)導(dǎo)線進(jìn)行矢量化擬合的基礎(chǔ)上，采用“兩步走”的原則，一步為：通過擬合出的各個(gè)相線矢量化導(dǎo)線，找出導(dǎo)線高程最低點(diǎn)即為弧垂最低點(diǎn)，然后可以測(cè)量出兩檔之間的垂直檔距；另一步為結(jié)合線路設(shè)計(jì)時(shí)工況資料，對(duì)導(dǎo)線應(yīng)力、比載進(jìn)行計(jì)算，求出各檔最低點(diǎn)弧垂[14-15]，最后計(jì)算出兩檔之間的垂直檔距；根據(jù)“兩步走”原則計(jì)算出的各項(xiàng)導(dǎo)線垂直檔距，綜合實(shí)現(xiàn)對(duì)垂直檔距的校核；

(4)針對(duì)設(shè)計(jì)冰厚的校核，收集線路設(shè)計(jì)資料、冰區(qū)分布圖，分別與各運(yùn)維單位上報(bào)設(shè)計(jì)冰厚資料進(jìn)行比對(duì)，梳理存在差異的導(dǎo)線，并逐一與各運(yùn)維單位進(jìn)行復(fù)核。

2.1 絕緣子串掛點(diǎn)定位研究

為準(zhǔn)確地獲取不同相線絕緣子串掛點(diǎn)位置，由于激光點(diǎn)云為離散點(diǎn)，首先需要對(duì)不同相線激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確切割，其次獲取安裝有拉力傳感器相線的絕緣子串掛點(diǎn)空間坐標(biāo)。導(dǎo)線激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)存在一定的空間分布特征，如同一相線導(dǎo)線，相鄰點(diǎn)云之間往往高程差異性較小，且空間距離較短，而不同相線同一空間位置上點(diǎn)云之間空間距離較遠(yuǎn)。k-d樹最近點(diǎn)搜索算法是一種有效地對(duì)空間多維空間的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分割的方法，能夠有效提高三維激光點(diǎn)云配準(zhǔn)計(jì)算速度以及精確度[16-20]。因此，本文采用k-d樹及歐幾里得相[21-22]結(jié)合的算法，對(duì)各相導(dǎo)線激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，主要步驟如下。

步驟一：以導(dǎo)線激光點(diǎn)云弧垂最低點(diǎn)(高程低點(diǎn))為起始點(diǎn)云，采用k-d樹最近點(diǎn)搜索算法計(jì)算起始點(diǎn)云臨近區(qū)域所有點(diǎn)云數(shù)據(jù)集。

步驟二：將符合步驟一的點(diǎn)云數(shù)據(jù)集采用歐幾里得算法，分別計(jì)算數(shù)據(jù)集中點(diǎn)云與起始點(diǎn)云歐式距離，并形成距離數(shù)據(jù)集。

步驟三：將步驟二計(jì)算出的數(shù)據(jù)集中，與起始點(diǎn)云距離最近的點(diǎn)云進(jìn)行合并，計(jì)算出兩個(gè)點(diǎn)云之間的質(zhì)心，并以此質(zhì)心為新的起始點(diǎn)云，重復(fù)步驟一～三計(jì)算過程，即可完成不同相線點(diǎn)云數(shù)據(jù)分類。

結(jié)合絕緣子串點(diǎn)云數(shù)據(jù)，即可求出絕緣子串掛點(diǎn)位置空間坐標(biāo)，可以完成覆冰監(jiān)測(cè)終端所在桿塔與前后側(cè)桿塔每個(gè)相線絕緣子串掛點(diǎn)高度差，以及對(duì)導(dǎo)線分裂數(shù)校核。

2.2 垂直檔距校核

由于輸電線路常常暴露在大風(fēng)、覆冰的環(huán)境下，導(dǎo)致導(dǎo)線弧垂點(diǎn)與設(shè)計(jì)資料存在一定的差異性，因此本文基于激光LiDAR技術(shù)采用“兩步走”原則對(duì)理想工況條件下導(dǎo)線垂直檔距進(jìn)行校核，主要技術(shù)路線如圖2所示。第一步利用激光LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對(duì)各相導(dǎo)線進(jìn)行矢量擬合，搜索出各相導(dǎo)線高程最低點(diǎn)點(diǎn)云，實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)線垂直檔距第一次校核；第二步結(jié)合激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集時(shí)所記錄的工況條件，計(jì)算當(dāng)前工況條件下導(dǎo)線水平應(yīng)力、垂直比載，計(jì)算出該工況條件下垂直檔距值，實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)線垂直檔距第二次校核；對(duì)“兩步走”校核出的垂直檔距值進(jìn)行比對(duì)，當(dāng)兩者誤差小于0.5m時(shí)，認(rèn)為校核出的垂直檔距是比較合理的，最后取平均值代表覆冰監(jiān)測(cè)終端所在桿塔與前后側(cè)桿塔導(dǎo)線垂直檔距值；如果不滿足誤差要求，需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)重新復(fù)核。

圖2 垂直檔距參數(shù)校核Fig.2 Parameter check of vertical span

3 案例分析

為驗(yàn)證本文桿塔參數(shù)校核后耐張塔覆冰厚度計(jì)算模型效益，以110kV赫韭線A相線為例，該條線路覆冰監(jiān)測(cè)終端安裝于66號(hào)塔，設(shè)計(jì)冰厚40mm，海拔2700m，每年冰期線路覆冰最為嚴(yán)重，表1為利用激光LiDAR技術(shù)參數(shù)校核前后桿塔參數(shù)對(duì)比結(jié)果，可以看出前后側(cè)桿塔檔距差異性較小，前后側(cè)桿塔絕緣子串掛點(diǎn)高差、垂直檔距參數(shù)校核前后均存在較大差異。有研究表明，覆冰期間垂直檔距變化對(duì)線路覆冰厚度的影響較大，且覆冰厚度隨垂直檔距增大呈減小趨勢(shì)[23-25]。

表1 桿塔參數(shù)校核前后比對(duì)Tab.1 Comparison of tower parameters before and after calibration

為定量研究覆冰厚度隨垂直檔距變化特征，本文保持其余變量保持不變，分別計(jì)算垂直檔距100-1000m之間覆冰厚度變化情況，如圖3所示。可以看出覆冰厚度隨垂直檔距呈線性關(guān)系，擬合出覆冰厚度與垂直檔距關(guān)系表達(dá)式為：y=-0.0115x+25.6709，表明當(dāng)垂直檔距每增加100m，同等參數(shù)條件下覆冰厚度降低1.15mm。

圖3 覆冰厚度隨垂直檔距變化特征Fig.3 Variation characteristics of icing thickness with vertical span

為研究利用激光LiDAR技術(shù)對(duì)覆冰厚度計(jì)算模型相關(guān)桿塔參數(shù)校核后，計(jì)算模型準(zhǔn)確性提升效益，本文分別將參數(shù)校核前、后覆冰厚度計(jì)算結(jié)果分別與人工觀冰比對(duì)。貴州電網(wǎng)公司于2019年在該塔位臨近區(qū)域安裝有與線路平行、垂直兩個(gè)方向簡(jiǎn)易式人工觀冰架，模擬導(dǎo)線弧垂最低點(diǎn)離地1.6m、導(dǎo)線型號(hào)為：LGJ-185-45，導(dǎo)線直徑19.6mm。本文于2020年年末至2021年年初進(jìn)行多次模擬導(dǎo)線觀冰，表2、表3分別為2020年12月16日一次垂直、平行線路方向人工觀冰結(jié)果。根據(jù)《架空輸電線路覆冰勘測(cè)規(guī)程》DL/T 5509-2015，本次覆冰計(jì)算垂直于導(dǎo)線方向覆冰密度為0.3821g/cm3、平行于導(dǎo)線覆冰密度為0.4526g/cm3，經(jīng)過計(jì)算垂直、水平方向模擬導(dǎo)線標(biāo)準(zhǔn)冰厚分別為：8.3418mm、10.4514mm，平均標(biāo)準(zhǔn)冰厚為9.3966mm，對(duì)線徑系數(shù)進(jìn)行修正，赫韭線覆冰監(jiān)測(cè)終端所在塔位A相導(dǎo)線型號(hào)為：JLHA1/G1A-250-22/7，導(dǎo)線直徑22.4mm，而模擬導(dǎo)線直徑為19.6mm，計(jì)算出線徑修正系數(shù)為1.0168，高度修正系數(shù)1.3147，考慮微地形風(fēng)場(chǎng)系數(shù)1.5，因此經(jīng)過修正后的導(dǎo)線上標(biāo)準(zhǔn)冰厚為18.8423mm。

表2 垂直線路方向人工觀冰現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.2 Statistical results of Artificial Ice Observation in the vertical direction

表3 平行線路方向人工觀冰現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.3 Field observation and statistics results of Artificial Ice Observation in parallel line direction

(a)長(zhǎng)徑(a)Long diameter

圖5為桿塔參數(shù)校核前后計(jì)算覆冰厚度與人工觀冰比對(duì)，可以看出在6組比對(duì)試驗(yàn)可以看出，僅有第3組桿塔參數(shù)校核后計(jì)算出的覆冰厚度與人工觀冰之間誤差高于校核前，其余5組試驗(yàn)結(jié)果均顯示校核后計(jì)算結(jié)果更加接近于人工觀冰結(jié)果，經(jīng)計(jì)算桿塔參數(shù)校核前后計(jì)算出的覆冰厚度與人工觀冰平均相對(duì)誤差分別為：12.8%、6.62%，可以看出經(jīng)過激光LiDAR技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)桿塔參數(shù)高精度校核，使覆冰厚度計(jì)算模型準(zhǔn)確性能提升6.18%。

圖5 桿塔參數(shù)校核前后計(jì)算覆冰厚度與人工觀冰比對(duì)Fig.5 Comparison of calculated icing thickness and artificial ice observation before and after tower parameter check

4 結(jié)論

針對(duì)電力部門現(xiàn)有輸電線路覆冰厚度計(jì)算模型中部分輸入值與線路參數(shù)相關(guān)，且現(xiàn)有線路參數(shù)均是由運(yùn)維單位人工填報(bào)，由于缺乏設(shè)計(jì)資料支撐，同時(shí)線路運(yùn)行受大風(fēng)、覆冰的影響，導(dǎo)致線路參數(shù)與設(shè)計(jì)時(shí)相差甚遠(yuǎn)。因此，本文利用激光LiDAR技術(shù)對(duì)導(dǎo)線參數(shù)進(jìn)行校核，并以貴州電網(wǎng)公司覆冰厚度計(jì)算模型為例，比對(duì)參數(shù)校核前后模型的效益，研究得出：經(jīng)計(jì)算桿塔參數(shù)校核前后計(jì)算出的覆冰厚度與人工觀冰平均相對(duì)誤差分別為：12.8%、6.62%，激光LiDAR技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)桿塔參數(shù)高精度校核，使覆冰厚度計(jì)算模型準(zhǔn)確性能提升6.18%。