三維激光掃描儀在電網(wǎng)線路分析中的應(yīng)用

葛俊杰, 何志琴, 吳興華

(1. 貴州大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 貴陽 550025; 2. 杭州中科天維科技有限公司， 杭州 310000)

0 引 言

改革開放到現(xiàn)在，我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展的是相當(dāng)?shù)目臁⒏哞F的建設(shè)也不斷增多，國家對電力的需求也呈現(xiàn)高速增長的姿態(tài)，同時(shí)，我國對電網(wǎng)線路建設(shè)的需求也越來越高[1]。而且，變電站和輸電系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)往往非常復(fù)雜，所處的工作環(huán)境也較為危險(xiǎn)，如果利用傳統(tǒng)測量手段，搜集到完整的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息是非常困難的。同時(shí)一些復(fù)雜設(shè)備的工程圖紙往往不能記錄本設(shè)備的實(shí)際情況，有時(shí)候會有一些細(xì)小的改變或者重造，使用工程圖紙無法頻繁修改檔案[2]。對于這些設(shè)備的更新和改造計(jì)劃，有必要使用最新的、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)檔案，所以需要對現(xiàn)有的設(shè)備重新進(jìn)行高精度的測量。從成本考慮，再次測量花費(fèi)的時(shí)間以及影響設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)間必須越短越好。利用三維激光掃描儀進(jìn)行掃描測量[3]，只需要花費(fèi)1 d的時(shí)間來進(jìn)行掃描勘察，就能得到完整的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)與圖像，而且不會影響到變電站及輸電線路的正常運(yùn)作，無接觸式測量[4]，現(xiàn)場作業(yè)安全。

1 三維激光掃描原理

三維激光掃描技術(shù)[5]又稱為實(shí)景復(fù)制技術(shù)，它突破了傳統(tǒng)的單個(gè)點(diǎn)單個(gè)點(diǎn)的測量方法，具有很高的效率以及很高精度，這是不同于其他測量儀器的。三維激光掃描技術(shù)能夠通過掃描，得到掃描物體表面的三維坐標(biāo)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以用于獲取高精度、高分辨率的三維數(shù)字模型[6]。其工作原理如圖1所示。

圖1 三維激光掃描儀工作原理圖

結(jié)合逆向工程和三維檢測的軟件Geomagic Studio 12[7]，它可根據(jù)物體掃描所得的點(diǎn)陣模型創(chuàng)建出良好的多邊形模型或網(wǎng)格模型，轉(zhuǎn)換NURBS曲面[8-10]，并采用點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采樣精簡算法[11-12]，同時(shí)克服了其他同類軟件中對點(diǎn)云數(shù)據(jù)操作時(shí)，軟件進(jìn)行圖形的拓?fù)溥\(yùn)算速度慢、顯示慢等弊端，流程如圖2所示。

圖2 處理流程框圖

2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取

點(diǎn)處理階段，使用三維激光掃描儀對附近一個(gè)電塔以及一小段線路進(jìn)行了一次掃描。使用Geomagic Studio 12對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，去除噪點(diǎn)、雜點(diǎn)，減少點(diǎn)云密度，減少數(shù)據(jù)量后能更方便地進(jìn)行后續(xù)處理，電塔圖像見圖3。

圖3 優(yōu)化后的電塔圖

3 電塔測量數(shù)據(jù)分析處理

對處理好的電塔圖封裝后得到三角網(wǎng)模型[13]，進(jìn)一步處理，然后分別對塔高、線路對地最小距離、塔基距離等進(jìn)行測距，如圖4所示。

圖4 線路對地最小距離

測得塔高約66 m,長度約9 m，由于塔基比塔底稍大，這里取10 m，電塔塔基長寬為10 m，測得線路對地最小距離a≈20 m。

塔高40 m左右的鐵塔為500 kV的超高壓線路，塔高超過60 m的為1 100 kV的特高壓輸電線路。此鐵塔高66 m，所以為特高壓輸電線路，由國家規(guī)定可知特高壓輸電線路的下方線路走廊寬度為56 m，線路走廊邊緣距電力線的最小距離x=56-10÷2=23 m。導(dǎo)線與周邊建筑的距離d≥30 m。鐵塔導(dǎo)線最小對地距離至少為

實(shí)際線路對地a=20≥19.3，符合國家規(guī)定。

該段線路為附近一條500 kV的超高壓線路；線路最高處到地面的距離為37.38 m，考慮電力線弧垂因素，本線路電塔高超過40 m,符合500 kV超高壓輸電線路規(guī)定[14]。線路走廊要求為38 m，最低處到地面的距離為18.90 m，見圖5。

圖5 電力線到地面距離

同時(shí)，如圖6三維矢量模型可知某段線路到地面植被的距離分別是19.9 m和19.3 m。因此不存在安全隱患。

圖6 線路到地面植被距離

4 線路及其線路走廊的測量分析

黃山供電公司因檢修需要，需對線路及其線路走廊情況進(jìn)行測量。為有效排除危險(xiǎn)點(diǎn)，防范和避免植被過近觸碰到線路導(dǎo)致故障[15]，故采用三維激光掃描系統(tǒng)對吳潛線塔基進(jìn)行全面的三維掃描測量，紅線區(qū)域?yàn)閽呙鑵^(qū)域，如圖7所示。

圖7 探測范圍

此次測量通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取下方兩條導(dǎo)線的真實(shí)模型，通過以導(dǎo)線為中心，計(jì)算周邊植被到導(dǎo)線的距離，排查危險(xiǎn)點(diǎn)，見圖8。以50～51塔基為正方向，靠左下方的導(dǎo)線命名為左線，靠右下方的導(dǎo)線命名為右線。通過測量分析，得出左右線評估報(bào)告如圖9所示。

圖8 線路走廊現(xiàn)場三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)

圖9 左右線評估報(bào)告

評估數(shù)值中，最小數(shù)值3.203 m即為距導(dǎo)線最近的植被的距離，超過安全距離4.5 m，為危險(xiǎn)點(diǎn)，右線存在安全隱患，需要排除。

圖10為色譜圖與危險(xiǎn)點(diǎn)，通過色譜圖的顏色分析，辨別危險(xiǎn)點(diǎn)植被所在位置，顏色較深處即為危險(xiǎn)點(diǎn)位置。對應(yīng)的位置如圖中塔基約60 m處。

通過分析處理可知，在山區(qū)地形的輸電線路的危險(xiǎn)點(diǎn)的排查仍然存在較大的困難與不足，加強(qiáng)對線路危險(xiǎn)點(diǎn)的定期檢測和巡查是防范危險(xiǎn)點(diǎn)事故發(fā)生的有效和長效方法。

5 結(jié) 語

通過三維激光掃描測量技術(shù)采集和處理的電網(wǎng)沿線數(shù)據(jù)，自動(dòng)測量電線到地面的距離和相鄰電線間距，計(jì)算垂曲度，跨度等并對得到的有用數(shù)據(jù)分析。實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)點(diǎn)預(yù)警，以便及時(shí)調(diào)整與維修線路，為電力線路優(yōu)化，外業(yè)勘測，設(shè)計(jì)施工提供數(shù)據(jù)支持與指導(dǎo)，有著良好的應(yīng)用前景。

圖10 危險(xiǎn)點(diǎn)