基于電網(wǎng)信息模型的輸電線路交叉跨越距離測(cè)量應(yīng)用研究

張勁波，尹元，石建，林少遠(yuǎn)，顏磊，黃曉予，林宇彬，楊迪珊，程諾

（1.國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，福建 福州 350012；2.國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司，福建 福州 350001）

輸電線路屬于電力系統(tǒng)中關(guān)鍵構(gòu)成部分，主要承擔(dān)電能輸送任務(wù)。特別是作為電網(wǎng)主干線路的高壓輸電線路，其運(yùn)行穩(wěn)定性對(duì)經(jīng)濟(jì)平穩(wěn)發(fā)展具有直接影響作用[1-2]。隨著我國(guó)電網(wǎng)線路架設(shè)工程規(guī)模的逐漸擴(kuò)大，電網(wǎng)越發(fā)密集，交叉跨越、并行、遠(yuǎn)距離的輸電線路越來(lái)越多，因輸電線路交叉跨越距離過(guò)低而導(dǎo)致線路放電跳閘等事故也隨之增加[3]。

因此，針對(duì)輸電線路交叉跨越距離的監(jiān)測(cè)與測(cè)量工作成為輸電線路施工與運(yùn)行的關(guān)鍵。當(dāng)輸電線路所架設(shè)環(huán)境較為復(fù)雜時(shí)，監(jiān)測(cè)與測(cè)量輸電線路交叉跨越距離變得尤為困難[4]。架空輸電線路在長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行過(guò)程中，因受到本身運(yùn)行狀態(tài)干擾，導(dǎo)致線路在懸垂線夾中發(fā)生滑動(dòng)現(xiàn)象，致使輸電線路弧垂增加；同時(shí)，由于高溫膨脹作用，也會(huì)導(dǎo)致輸電線路間距逐漸變小，造成電容、電磁嚴(yán)重耦合及相間閃絡(luò)等問(wèn)題發(fā)生，令電力系統(tǒng)出現(xiàn)異常[5-6]。故為有效保障電力工作人員的人身安全及電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，需對(duì)輸電線路交叉跨越距離實(shí)施精準(zhǔn)測(cè)量。文獻(xiàn)[7]提出了一種基于雙目測(cè)距的空間交叉輸電線路測(cè)量方法。該方法首先將鏈碼算法進(jìn)行改進(jìn)，獲取電力線路的坐標(biāo)點(diǎn)，通過(guò)雙目測(cè)距構(gòu)建測(cè)量模型，實(shí)現(xiàn)了交叉輸電線路的測(cè)量。該方法可有效降低交叉輸電線路測(cè)量誤差，但針對(duì)跨度較大的交叉線路測(cè)量存在一定難度。

電網(wǎng)信息模型（grid information model，GIM）是依托于地理信息系統(tǒng)（geographic information system，GIS），將數(shù)據(jù)庫(kù)作為其基礎(chǔ)，具備統(tǒng)一編碼系統(tǒng)與通用模型接口技術(shù)，貫穿于輸變電工程全壽命周期的信息模型，可高效精準(zhǔn)地采集并整合輸變電不同階段數(shù)據(jù)資料，將其存儲(chǔ)于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)，便于輸變電工程全壽命周期內(nèi)不同階段用戶使用，具有高效、全面、精準(zhǔn)等特點(diǎn)[8-9]。

因此本文研究一種基于電網(wǎng)信息模型的輸電線路交叉跨越距離測(cè)量平臺(tái)，通過(guò)電網(wǎng)信息模型高效精準(zhǔn)地采集包含輸電線路施工與運(yùn)行等過(guò)程中輸變電工程全壽命周期數(shù)據(jù)信息，創(chuàng)建輸電線路懸鏈線模型與交叉跨越空間模型，實(shí)現(xiàn)輸電線路交叉跨越距離的測(cè)量。與傳統(tǒng)方法相比，所提方法在實(shí)際測(cè)量中可高效精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電線路交叉跨越距離的測(cè)量，依據(jù)所得測(cè)量結(jié)果可及時(shí)預(yù)判輸電線路運(yùn)行的穩(wěn)定性，為保障電力系統(tǒng)的正常安全運(yùn)行提供有效幫助。

1 輸電線路交叉跨越距離測(cè)量研究

1.1 測(cè)量平臺(tái)整體架構(gòu)

為了提升輸電線路交叉跨越距離測(cè)量的精度，設(shè)計(jì)基于電網(wǎng)信息模型的輸電線路交叉跨越距離測(cè)量平臺(tái)，該平臺(tái)主要由數(shù)據(jù)采集單元、傳輸網(wǎng)絡(luò)及測(cè)量單元構(gòu)成。整體測(cè)量平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1中，數(shù)據(jù)采集單元核心為電網(wǎng)信息模型，任務(wù)是采集電網(wǎng)輸變電工程不同階段數(shù)據(jù)信息，并進(jìn)行整合、存儲(chǔ)，便于平臺(tái)應(yīng)用相應(yīng)信息，實(shí)時(shí)測(cè)量輸電線路交叉跨越距離；傳輸網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集單元與測(cè)量單元之間的信息傳輸；測(cè)量單元依據(jù)測(cè)量需求，經(jīng)傳輸網(wǎng)絡(luò)由數(shù)據(jù)采集單元內(nèi)提取所需信息，運(yùn)用相應(yīng)測(cè)量算法實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電線路交叉跨越距離的測(cè)量。

圖1 整體測(cè)量平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall measurement platform structure diagram

1.2 基于電網(wǎng)信息模型的數(shù)據(jù)采集單元設(shè)計(jì)

輸電線路交叉跨越距離測(cè)量時(shí)需使用輸電線路設(shè)備等相關(guān)數(shù)據(jù)信息，這些數(shù)據(jù)可通過(guò)數(shù)據(jù)采集單元獲取。數(shù)據(jù)采集單元的核心即為電網(wǎng)信息模型（GIM），通過(guò)GIM 可實(shí)時(shí)采集輸變電工程不同階段數(shù)據(jù)信息，提升數(shù)據(jù)采集能力，為輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)及測(cè)量等工作提供結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化信息數(shù)據(jù)[10]；同時(shí)GIM 作為開(kāi)放式信息載體，可將所采集數(shù)據(jù)信息同步存儲(chǔ)于自身的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)，有效實(shí)現(xiàn)信息的共享與傳遞，解決數(shù)據(jù)斷層問(wèn)題，達(dá)到數(shù)據(jù)信息的一次錄入數(shù)次應(yīng)用的目的。

GIM 以地理信息系統(tǒng)（GIS）作為依托，是數(shù)字化電網(wǎng)重要組成元素，將信息模型作為其載體，對(duì)各元素全壽命周期中全部信息實(shí)施有效采集，提升信息應(yīng)用的全面性、精確性及高效性[11-12]。GIM結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 GIM結(jié)構(gòu)框架圖Fig.2 GIM frame diagram

1.3 輸電線路交叉跨越距離測(cè)量算法設(shè)計(jì)

1.3.1 懸鏈線模型設(shè)計(jì)

由于架空輸電線路均具有較大檔距跨度，懸于空中的輸電線幾何形態(tài)受材料剛性的影響極低[13]，故可假設(shè)輸電線為一根柔索，其懸鏈線模型如圖3 所示。

圖3 懸鏈線模型圖Fig.3 Catenary model diagram

圖3 中，h，l分別為懸掛點(diǎn)高差與檔距；O為輸電線最低點(diǎn)；C，D分別為低懸掛點(diǎn)和高懸掛點(diǎn)；H為低懸掛點(diǎn)C的弧垂；c為低懸掛點(diǎn)C同輸電線最低點(diǎn)O之間的水平間距；d為高懸掛點(diǎn)D同輸電線最低點(diǎn)O之間的水平間距；z為輸電線的垂直坐標(biāo)；x為輸電線的水平坐標(biāo)。通過(guò)懸鏈線方程表示其數(shù)學(xué)模型為

式中：p為輸電線最低點(diǎn)的水平應(yīng)力同自重力比載的比值，即荷重比。

荷重比p作為已知量其直接影響因素為輸電線的結(jié)構(gòu)與材質(zhì)。通過(guò)荷重比p可反映懸鏈線的高度與形狀等信息。為簡(jiǎn)化運(yùn)算，選取坐標(biāo)原點(diǎn)為低懸掛點(diǎn)C位置，此時(shí)懸鏈線方程可表示為

1.3.2 弧垂測(cè)量算法

在上述分析基礎(chǔ)上，選用檔端角度法計(jì)算輸電線懸掛點(diǎn)的弧垂，此方法操作簡(jiǎn)便且適用范圍廣[14-15]。測(cè)量時(shí)，在檔距端點(diǎn)處放置測(cè)量?jī)x器，觀測(cè)人員位于一檔線路兩側(cè)桿塔下方，通過(guò)儀器觀測(cè)輸電線弧垂，當(dāng)視線同輸電線相切時(shí)將測(cè)量數(shù)據(jù)記錄。檔端角度法計(jì)算輸電線弧垂的表達(dá)式為

式中：φ為觀測(cè)點(diǎn)同視點(diǎn)輸電線懸掛點(diǎn)的豎直夾角；L為觀測(cè)檔檔距；λ為觀測(cè)點(diǎn)同輸電線弧垂切點(diǎn)的豎直夾角；b為觀測(cè)點(diǎn)同輸電線懸掛點(diǎn)的垂直距離。

1.3.3 交叉跨越空間模型與運(yùn)算

輸電線路交叉跨越的空間模型圖如圖4 所示。

圖4 輸電線路交叉跨越空間模型圖Fig.4 Spatial model diagram of transmission line crossing

圖4 中共有2 條輸電線路，分別為輸電線路CX1D，EX2F。其中，X1，X2分別為輸電線路CX1D和EX2F的交叉跨越點(diǎn)；輸電線路EX2F由CX1D下方跨越，在X1X2位置兩條輸電線路產(chǎn)生交叉；X′，β為X1X2的對(duì)地投影與投影夾角，兩條輸電線路交叉跨越距離即為線段X1X2的長(zhǎng)度。將輸電線路CX1D的低懸掛點(diǎn)C作為坐標(biāo)原點(diǎn)，創(chuàng)建空間直角坐標(biāo)系，輸電線路CX1D的表達(dá)式為

式中：p1為輸電線路CX1D的荷重比；H1為輸電線路CX1D低懸掛點(diǎn)C的弧垂。通過(guò)極坐標(biāo)變換與反變換可得出輸電線路EX2F，如果將E點(diǎn)坐標(biāo)設(shè)為(xe,ye,ze)，輸電線路EX2F的表達(dá)式為

式中：p2為輸電線路EX2F的荷重比；H2為低懸掛點(diǎn)F的弧垂；f為低懸掛點(diǎn)F同最低點(diǎn)的水平間距。兩條輸電線路CX1D與EX2F上每個(gè)點(diǎn)空間坐標(biāo)可通過(guò)式（4）與式（5）獲取，運(yùn)用所獲取到的各點(diǎn)空間坐標(biāo)創(chuàng)建輸電線路交叉跨越的三維空間模型。其中，兩條輸電線路交叉跨越的位置信息可通過(guò)X1X2的對(duì)地投影點(diǎn)X′反映出，將此投影點(diǎn)的水平面坐標(biāo)設(shè)為(yecotβ+xe,0)，代入式（4）與式（5）中后所得交叉跨越距離為

通過(guò)交叉跨越空間模型的構(gòu)建，分析其中坐標(biāo)點(diǎn)之間的關(guān)系，創(chuàng)建輸電線路交叉跨越的三維空間模型，完成輸電線路交叉跨越距離的測(cè)量。

2 實(shí)驗(yàn)分析

2.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

將本文平臺(tái)應(yīng)用于某電力公司輸電線路監(jiān)測(cè)系統(tǒng)內(nèi)，通過(guò)檢驗(yàn)實(shí)際應(yīng)用結(jié)果分析本文平臺(tái)的采集與測(cè)量效果。實(shí)驗(yàn)電力公司的輸電線路覆蓋范圍較廣，存在的交叉跨越輸電線路較多，實(shí)際應(yīng)用中隨機(jī)選取10 組交叉線路作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，每組路線均進(jìn)行10 次實(shí)驗(yàn)分析，獲取的每組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均為10次實(shí)驗(yàn)的均值，以保證實(shí)驗(yàn)的精度。運(yùn)用本文平臺(tái)采集各組實(shí)驗(yàn)交叉線路的詳細(xì)數(shù)據(jù)信息，并依據(jù)采集信息測(cè)量跨越距離。實(shí)驗(yàn)環(huán)境如圖5 所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)環(huán)境Fig.5 Experimental environment

2.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

通過(guò)采集實(shí)驗(yàn)交叉線路數(shù)據(jù)信息，以其中2組為例呈現(xiàn)所采集信息情況，詳見(jiàn)表1。

表1 本文平臺(tái)采集的兩組實(shí)驗(yàn)交叉線路信息Tab.1 Two groups of experimental crossing line information collected by this platform

通過(guò)統(tǒng)計(jì)采集10 組實(shí)驗(yàn)交叉線路信息所消耗的時(shí)長(zhǎng)，以及所采集信息同實(shí)驗(yàn)電力公司系統(tǒng)記錄大數(shù)據(jù)相比精確度，檢驗(yàn)不同平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集效果。

2.3 結(jié)果分析

為驗(yàn)證所提方法的有效性，實(shí)驗(yàn)分析了本文方法、文獻(xiàn)[4]方法和文獻(xiàn)[5]方法在進(jìn)行輸電線路交叉跨越距離測(cè)量時(shí)獲取數(shù)據(jù)的耗時(shí)和精度，得到的結(jié)果如圖6 所示。

通過(guò)圖6可得出，在相同實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，采用三種方法進(jìn)行輸電線路交叉跨越距離測(cè)量時(shí)獲取數(shù)據(jù)的耗時(shí)和精度存在一定差異。其中，所提方法的采集耗時(shí)最短，約為31 ms，采集精度最高，約為97%；其他兩種方法的性能始終低于所提方法。驗(yàn)證了所提方法可實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)輸電線路的相關(guān)信息采集，采集效率高且十分精準(zhǔn)，為之后的測(cè)量提供精確的數(shù)據(jù)依據(jù)。

圖6 不同方法性能分析Fig.6 Performance analysis of different methods

為進(jìn)一步驗(yàn)證所提方法的有效性，實(shí)驗(yàn)通過(guò)美國(guó)天寶Trimble S8 型號(hào)高精度精密監(jiān)測(cè)全站儀測(cè)得各組實(shí)驗(yàn)交叉線路的跨越距離作為實(shí)際值，與本文方法各組測(cè)量值實(shí)施對(duì)比，檢驗(yàn)本文方法的測(cè)量效果，對(duì)比結(jié)果如表2所示。

表2 本文平臺(tái)測(cè)量值與實(shí)際值對(duì)比結(jié)果Tab.2 Comparison results between the measured value and the actual value of this platform

由表2 能夠得知，在對(duì)10 組交叉線路的跨越距離實(shí)施測(cè)量中，本文平臺(tái)所得測(cè)量結(jié)果的誤差范圍在0.01～0.20 m 之間。由誤差結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，隨著交叉線路組的增加，測(cè)量誤差不斷下降，誤差最終保持在0.01 m 內(nèi)?？梢?jiàn)，本文平臺(tái)測(cè)量結(jié)果與實(shí)際情況較為吻合，測(cè)量精度較高，且測(cè)量性能十分穩(wěn)定，具有較高的可靠性與實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

3 結(jié)論

輸電線路交叉跨越距離過(guò)小易導(dǎo)致輸電線路事故的發(fā)生，對(duì)工作人員的人身安全及電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行均會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重后果，為此本文設(shè)計(jì)基于電網(wǎng)信息模型的輸電線路交叉跨越距離測(cè)量平臺(tái)。運(yùn)用平臺(tái)中數(shù)據(jù)采集單元內(nèi)電網(wǎng)信息模型采集輸變電工程全壽命周期數(shù)據(jù)信息，整合后并存儲(chǔ)于自身的數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)，將所提取數(shù)據(jù)用于測(cè)量單元內(nèi)的測(cè)量算法中，創(chuàng)建相關(guān)運(yùn)算模型獲取到待測(cè)輸電線路的交叉跨越距離，完成輸電線路交叉跨越距離測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：本文平臺(tái)可高效精準(zhǔn)地采集所需輸電線路相關(guān)信息數(shù)據(jù)，可為后期測(cè)量奠定扎實(shí)基礎(chǔ)，所得測(cè)量結(jié)果誤差較低，且誤差波動(dòng)范圍較小，整體性能穩(wěn)定可靠，可用于實(shí)際輸電線路交叉跨越距離的測(cè)量。