基于三維空間模型的特高壓耐張塔跳線間隙檢測方法

(1.中國南方電網有限責任公司 超高壓輸電公司檢修試驗中心，廣州 510000；2.武漢大學，武漢 430000)

0 引言

目前，超過1 000 kV的超高壓輸電網絡已經成為了我國國家電網的主干網絡框架[1-2]，個別電力網絡的輸電電壓甚至超過了3 000 kV。超高壓輸電能夠滿足我國企業和居民日益增長的用電需求，電網總體運行的穩定性更高，電力輸送的容量更大，同時也能夠保持較低的電網檢修率[3]。超高壓耐張塔的跳線設計[4-5]是電力網絡電氣結構設計核心部分之一，也是耐張塔網絡布線中最復雜的關鍵工作，電網中常用的單柱組合式耐張塔的跳線連接大都采用軟性連接的方式，多點固定于塔身的絕緣子串并將跳線水平引出。在雨雪和強風的作用下耐張塔的絕緣子串和跳線會發生傾斜和偏移，減小了跳線之間的間隙進而產生風偏放電的現象[6-7]，最終影響電力網絡供電的安全性。因此檢測超高壓耐張塔跳線之間的現有間隙是否合理，成為保證電力網絡安全工作的重要內容之一。由于部分耐張塔位置、塔型及線路布置的特殊性，為了保證高空帶電作業的安全性間隙檢測方式的選擇至關重要。文獻[8]提出一種基于懸垂絕緣子串測量的最大跳線間隙測量方法，但該種檢測的方法的準確率較低且存在一定的風險性；文獻[9]提出基于超聲波檢測的方法，這種方法易受到外界環境的影響，實際操作難度也較大。為此本文設計了一種基于三維空間模型的耐張塔跳線間隙檢測方法，利用三維激光掃描的方式準確判斷跳線間隙是否處理合理的空間之內，提高檢測的安全性。

1 基于三維空間模型的跳線間隙檢測方法研究

為保證對耐張塔跳線間隙檢測的安全性，遠距離非接觸檢測是首選的方式，而以全站儀、水平測量儀、和超聲波為主體的傳統遠距離非接觸檢測方法，都是一種單點的局部測量，無法在一個平面空間內獲得連續的可靠跳線間隙數據。而本文三維空間模型的建立是基于三維激光掃描技術，通過激光束的掃描提取出跳線的三維空間坐標數據，進而準確獲得掃描標的物的三維空間坐標，并測量出跳線之間的間隙是否在合理、可控的范圍之內。

1.1 三維空間特高壓耐張塔整體測量模型的建立

基于三維激光掃描的特高壓耐張塔跳線距離測量方式，是一種遠程非接觸的主動間隙測量方式，三維空間測量系統主要由CCD相機、三維激光掃描儀、數據處理芯片、數據存儲系統等組成。在掃描測量的過程中，有三維激光掃描儀向遠端的跳線位置發生激光束，其中掃描的角度和激光束的寬度和波形都可以自由調整，從遠端掃描可以覆蓋整個耐張塔跳線位置全部區域。三維空間特高壓耐張塔整體測量模型圖像如圖1所示。

圖1 特高壓耐張塔整體測量三維模型

激光掃描儀和CCD相機能夠接收到耐張塔上載有跳線空間位置信息的激光回撥信息，進而判斷出一組或多組跳線之間的距離是否位于合理的區間之內。激光束照射到跳線后會發生漫反射，其中一部光束會按照原有光束的方向對象返回被激光器接收，這些激光回波內含有被檢測跳線的空間位置坐標信息，判斷坐標的空間位置信息就能夠計算出跳線間的距離。激光器發出的光束波長較短，基于相位差的測量方式的精度要高于脈沖測量的方式，如果激光束調制波長的頻率越高，測量的精度也會更高。本文基于激光三角法建立三維激光測量模型，激光束照射到耐張塔跳線后會發生形變，激光掃描裝置中的CCD相機會記錄激光束發生形變的位置及位置的空間坐標，并利用空間內測量點的平面三角關系，判斷出耐張塔跳線之間的準確距離，三維激光束測量跳線間隙的基本原理圖，如圖2所示。

圖2 三維空間掃描原理圖

其中發射光束與基線的夾角為β、發射光束的旋轉角度為α，OP的長度為l，可以計算出空間任一點P的坐標P(x,y,z)的坐標：

(1)

經過三維激光束掃描得到了耐張塔跳線上點的空間坐標，與大地坐標呈現出空間上的對應關系。其中點O1到P1間的直線距離為l′，這時跳線上任一點的空間坐標P1(x1,y1,z1)可以表示為：

(2)

提取的耐張塔跳線點云數據集合的夾角β，旋轉角α的變化方向與原始的大地坐標系一致，僅是在空間的位置和距離上不一致，因此可以實現兩個坐標系在空間相對位置上的轉變和參數修正。

1.2 三維空間點云數據的預處理

由于非接觸的跳線間隙檢測距離較遠，因此基于三維空間模型的跳線間隙檢測方式易受到外界環境噪聲因素的干擾，降低了總體測量的準確性。為保證測量的準確性，提取到跳線空間位置的點云數據集合后，需要對含有噪聲因素的點云數據集合進行降噪、配準、拼接等預處理工作，激光位置點云集合的降噪是預處理過程的核心環節，噪聲的過濾需要采用多種過濾方式相結合的方法，具體的噪聲過濾方式包括離群過濾、統計過濾、角度過濾和平滑過濾。離群噪聲過濾可以濾除所有點云數據點中偏離值較大的數據點，這些激光數據點的坐標值不符合耐張塔跳線檢測的基本要求，會產生較大的干擾性，增加數據的掃描誤差。標準的耐張塔跳線空間坐標都位于一個固定的閾值范圍內，如果提取的點云數據集合中存在個別數據點的x、y和z值超過了合理的閾值范圍，離群過濾就能夠首先剔除這些干擾的空間數據點。預處理激光點云跳線圖像如圖3所示。

圖3 預處理激光點云跳線圖像

統計過濾能夠改善提取到的激光點云數據集合密度不均的問題，跳線點云數據集合密度過高或密度不均都會影響到最終的測量精度。點云合集的密度標準以全部數據的平均值為基準，并依據跳線激光點云集合的正太分布規律對密度進行全范圍的動態調整。同樣激光掃描時的系統噪聲和環境噪聲也會導致測量的角度發生一定程度的偏差，對激光束角度偏差的調整也可以提高總體上的跳線測量精度。數據平滑過濾是處理完離群噪點、角度偏差和密度偏差后，對跳線點云數據集合的綜合處理，點云數據的平滑處理采取中值濾波與高斯濾波相結合的方式，提高激光點云數據集合空間排列的平滑度和均衡度。跳線數據點集合的均值有時會受到集合內異常數據的干擾，而經平滑濾波處理后可以降低這種對于總體點云數據的不利影響，是點云數據集合的分布更為均衡，降低測量誤差提高跳線間隙的檢測精度。高斯濾波方式以點云數據點的中值濾波為基礎，抽取點云數據集合中的全部奇數點，以奇數點為中值重新排序，進而刪除差別過大的數據點，高斯平滑濾波的效果如圖4所示。

圖4 高斯平滑濾波效果示意圖

經高斯濾波平滑處理后，點云數據集合中的異常數據點被提出，減少了對耐張塔跳線空間距離檢測的營銷，高斯平滑濾波在去噪同時還點云數據集合的空間位置坐標做加權平均處理，是點云集合內的空間位置坐標分布更為均勻，數據點空間位置狀態越好，對于跳線檢測測量的準確性就越高。提取點云數據集合后為了獲取更為完整的跳線間隙值，需要對多個點云集合進行有機拼接，提高間隙測量的精度，此外多站測量與拼接的方式還有助于提高總體空間位置坐標集合的完整性。激光點云數據集合的拼接主要依靠點云坐標轉換，能夠提高后續數據分析的精度和跳線間隙檢測的精度。在坐標系的坐標值轉換中，將原有點云數據中的多個靶標重疊，并重新平衡x軸、y軸和z軸的數值，以參考面和基礎方向為基準進行距離的轉換和角度的轉換，轉換模型如下所示：

(3)

式中,[x,y,z]原始的大地坐標系，[xi,yi,zi]為耐張塔待測量跳線任一點的坐標集合，[Δx,Δy,Δz]為坐標系的平移參數，τ為坐標系的縮放參數，H(θ)為系統選擇矩陣，激光點云數據集合的具體拼接歷程如圖5所示。

圖5 跳線數據點坐標集合的拼接流程

三維激光掃描儀使得獲取點的效率極大提高，可以快速采集百萬的點云數據，數據建模時，不可能將所有點云全部利用，大量的點云數據占用大量存儲空間，增大計算機的運行負荷，使得運算效率降低。在逆向工程中提取能反應物體特征的點，減少數據冗余，能提高計算機的運算效率。點云數據的精簡方法有許多種，常用的方法包括小波變換方法、八叉樹分解法等，點云數據集合精簡后能夠提高數據的傳輸效率，提高跳線間隙檢測的總體效率。將去噪處理后的點云數據集合從預先設定好的軟件中導出，數據導出的格式主要包括開放矢量模式，二進制模式，其中開放型矢量模式的兼容性較好，但占用了過大的存儲空間；而二進制格式的點云數據集合讀取速度更快，但兼容性略差于開放矢量模式。有時為了三維建模的需要，耐張塔跳線間隙的三維點云數據集合還有必要轉化為DXF文件格式，在這種三維格式下的文件，可以自由在二維平面空間和三維立體空間之間轉換，方便了點云數據文件的編輯和傳遞。在導出跳線的掃描點時，再根據具體的需求設置點云數據的空間閾值范圍，以保證測量數據誤差能夠被控制在最小的范圍之內。

1.3 跳線測量數據誤差控制與間隙精準檢測的實現

任何的跳線間隙檢測手段都不能保持零誤差，基于激光束掃描的三維空間模型也不能始終控制在無誤差的狀態。測量數據通過儀器掃描提取數據，即使將點云數據分析和預處理后系統誤差依然存在。三維激光掃描器所提取數據信息包含有用的信息和誤差信息兩個方面，測量誤差按類別區分可以分為粗差、系統誤差和偶然性誤差等幾個類別，粗差是最容易被識別的誤差，其誤差的絕對值要明顯大于系統性誤差和偶然誤差。這類誤差通常是由人為操作原因或系統原因而導致的錯誤。對于這一類別的誤差要首先予以剔除，因為這類誤差的存在會直接導致耐張塔跳線測量數據的失真，消除這種人為或設備的誤差后再去除系統誤差或偶然性誤差。系統性誤差在概率上表現為一種大概率的事件，這與偶然性誤差有本質的區別，系統誤差是在多次測量的過程所累積誤差總量，系統誤差可以通過設備的維護或軟件系統的更新升級而降低。在針對耐張塔跳線檢測的行為，可以通過多次調整測量的角度，變換測量次序等方式降低系統誤差的不利影響。

系統誤差會隨著設備使用時間的延長而增加，如果系統誤差過高只能通過設備整體更新或主要模塊更新的方式降低系統誤差。偶然性誤差與三維空間測量設備本身無關，主要是由于外界測量環境變化而導致系統誤差的增加，因此控制偶然性誤差特別要重視測量時的外界環境變化，大風和雨雪天氣會提高偶然性誤差發生的概率。偶然性測量誤差沒有具體的規律可尋，有時測量人員的設備使用習慣也會導致誤差的增加，因此對于專業的耐張塔跳線間隙檢測活動，還需要進行統一的專業化培訓，以降低使用習慣不同而導致的偶然性誤差的增加。耐張塔跳線測量數據的總體誤差包括粗差、系統性誤差和偶然性誤差的總和，從整體的分布規律來看，誤差的分布符合整體分布規律，當三維空間模型中的激光器掃描待檢測跳線設備時，光束會向兩側發散，距離越遠光束的發散量會越大，這是設備內部的機械結構與反光鏡的之間同樣會產生誤差，誤差項σ可以表示為：

(4)

其中:σ0為固定的誤差項，同樣在激光束掃描中掃描的角度也會出現誤差，誤差角度β′的正切值可以表示為：

(5)

盡管誤差角度β′的值很小，但也會影響到耐張塔跳線間隙測量的準確性。盡管誤差不會對測量數值產生致命性的影響，但誤差越小對于間隙范圍的控制就會越準確，發生放電現象的風險也就會越低。除了粗差之外系統誤差和偶然性測量誤差都無法從本質上消除，但可以控制在一個較低的范圍之內，具體的誤差控制步驟如下：

1)規范和統一測量系統及測量設備的使用規則和使用方法，降低不同使用習慣而導致的誤差。

2)每次重啟測量設備后具有對系統進行初始化，修正設備的軟件系統。

3)在測量系統中引入一些校準參數，提高系統的測量穩定性。

4)對于個別重要的耐張塔跳線可以將測量系統與遠程衛星系統同步，進一步降低系統本身的誤差和偶然性誤差。經過誤差修正后跳線檢測數據的在精度和完整性都有了顯著性提高，在將這些測量得到的跳線間隙數據與理論數據比對，就能夠準確的預測出每一組耐張塔跳線數據是否存在放電的風險。

2 實驗結果與分析

2.1 檢測點布置

實驗用掃描檢測的距離為距耐張塔跳線直線距離300 m，共提取8個掃描點云數據集合，檢測點的布置圖6所示。

圖6 實驗用跳線間隙檢測點布置圖

分別設置了6擋垂直掃描分別率、水平掃描分別率和掃描時間，具體如表1所示。

表1 掃描分辨率及掃描時間的確定

2.2 測量精度分析與比較

鑒于耐張塔跳線間隙測量的重要性程度，本文選擇了第6種垂直分辨率和水平分辨率(最高分辨率)。為使測量的結果更為直觀和具體，引入了傳統的基于超聲波測量的方法進行對比驗證。隨機提取8個測量點的坐標數據，采用兩種測量方法進行檢測并對比檢測結果，如表2及表3所示：

表2 基于三維空間模型的跳線間隙檢測精度數據

對表2進行分析，從8個測量點提取的測量值可知，本文提出的基于三維空間模型的檢測方法的測量數據接近于標準的理想數據，x、y和z三個方向的最大偏差值均被控制在1°以內。

表3 基于超聲波跳線間隙檢測精度數據

對表3進行分析，從8個測量點提取的測量值可知，傳統的基于超聲波檢測算法的測量數據與標準的理想數據之間的差值較大，甚至有些差值接近10°，如在第四個間的點的y向檢測值就超過了標準值10°。這表明傳統的基于超聲波檢測算法的最大問題是穩定性差，而檢測精度過低會直接影響耐張塔跳線安全性和整個電網供電的穩定性。

綜合表2和表3的結果可知，本文所提方法能夠準確地對跳線間隙數據進行檢測，坐標檢測精度值能夠控制在±1之內，檢測效果更理想。

2.3 跳線檢測殘差計算結果比較與分析

耐張塔跳線檢測的殘差分布情況能夠揭示出多樣本條件下跳線間隙檢測總體效果。本文隨機抽取了1200個檢測點，統計分析總體的殘差分布情況。基于三維空間模型的檢測方法和基于超聲波的檢測方法的全部殘差分布情況分別如圖7和圖8所示。

圖7 基于三維空間模型的跳線檢測殘差分布

通過分析圖7可知，實驗曲線變化較為平穩，這表明實驗中的全部測試點的殘差分布較為均勻，異常波動被控制值在10次以內，總體測試數據的殘差走向呈現出緩慢的增加狀態，這種狀態穩定且可控。

圖8 基于超聲波跳線間隙檢測方法的檢測殘差分布

通過分析圖8可知，實驗數據曲線變化不定，實驗中的全部測試點的總體殘差值更高，最高值超過了-0.01。在全部1200個檢測點中的殘差奇異波動數量較多，明顯多于本文所提的基于三維空間模型的檢驗方法，這表明該種跳線間隙檢測方法的準確性和穩定性均較差。

綜合圖7和圖8的結果可知，本文所提方法能夠準確地對跳線檢測的殘差值進行計算，且總體的檢測殘差分布也位于合理的區間范圍之內，檢測效果比傳統檢測方法更好。

3 結論

特高壓耐張塔的跳線結構是保證高壓供電穩定運行的關鍵因素之一，如果耐張塔的跳線間隙過密會導致高空放電現象的發生，給高壓輸電帶來一定的安全隱患。本文提出一種基于空間模型的跳線間隙檢測方法研究，利用激光束檢測在遠距離、非接觸檢測中精度高、誤差小的優勢，建立了一種三維空間掃描模型，提取了耐張塔跳線間隙的空間點云數據集合，并濾除了來自于系統內部和外界環境的噪聲，保證高壓線系統的安全穩定運行。隨著電力用戶總體數量的增加及用電規模的變大，特高壓輸電網絡的規模還在不斷地擴大，高壓輸電的安全性已經成為電力網絡運行所面臨的首要難題。而三維空間檢測模型作為一種有效的檢測方法，不僅可以應用在跳線檢測的檢測方面，還能夠拓展到電網檢測的其他相關領域。