王和平，鄒 彪，汪 駿，武 藝，孟小前

（1.國網(wǎng)通用航空有限公司，北京 102209）

隨著電網(wǎng)規(guī)模的發(fā)展，輸電線路設(shè)備日趨復(fù)雜，一些極端的氣候環(huán)境如高溫、大風(fēng)、覆冰等對輸電線路的安全造成極大的威脅，風(fēng)偏閃絡(luò)導(dǎo)致的斷電現(xiàn)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(jīng)很難滿足輸電線路安全管理需求。

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

機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)的誕生和發(fā)展，為輸電線路的自動化巡檢和隱患智能預(yù)警分析提供了可能[9-10]。本文采用激光點(diǎn)云、數(shù)據(jù)高程、高清影像等技術(shù)，構(gòu)建輸電線路工況模擬分析模型，實(shí)時集成第三方環(huán)境參數(shù)（如溫度、濕度、風(fēng)速、覆冰）、運(yùn)行參數(shù)及導(dǎo)線參數(shù)，開展大規(guī)模的在線風(fēng)偏工況模擬分析，在三維場景中重構(gòu)高清的輸電通道，對超過安全閾值的輸電線路進(jìn)行定位、預(yù)警和預(yù)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(chǎn)運(yùn)行檢修計(jì)劃的制定、科學(xué)有序地開展設(shè)備狀態(tài)檢修、設(shè)備退役、技改大修等提供科學(xué)的決策依據(jù)。

1 風(fēng)偏模擬分析流程

參照輸電線路地物分類規(guī)則，實(shí)現(xiàn)輸電線路點(diǎn)云數(shù)據(jù)的自動分類，建立導(dǎo)地線、絕緣子和桿塔模型。集成環(huán)境參數(shù)、線路運(yùn)行參數(shù)和導(dǎo)線參數(shù)，分析不同工況條件下的導(dǎo)地線弧垂?fàn)顟B(tài)和桿塔絕緣子狀態(tài)，進(jìn)行電力線弧垂模擬及張力計(jì)算。參考《輸電線路運(yùn)行規(guī)程》，結(jié)合導(dǎo)地線在不同工況條件下的弧垂?fàn)顟B(tài)，重新計(jì)算輸電導(dǎo)線之間及導(dǎo)線與地面、建筑物、樹木、線路交叉跨越、交通設(shè)施等的空間距離，開展不同工況的模擬分析，及時發(fā)現(xiàn)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(dǎo)線和通道隱患點(diǎn)。風(fēng)偏模擬分析流程如圖1 所示。

圖1 風(fēng)偏模擬分析流程

2 模擬分析算法

2.1 導(dǎo)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(yīng)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(yīng)力分量；φ為高差角。

2.2 導(dǎo)線風(fēng)偏

導(dǎo)線風(fēng)偏（舞動、弧垂）是威脅架空輸電線路安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素之一，常常造成線路跳閘、導(dǎo)線電弧燒傷、斷股、斷線等嚴(yán)重后果。風(fēng)偏的發(fā)生常伴有大風(fēng)和雷雨現(xiàn)象，給故障的判斷及查找?guī)硪欢ǖ睦щy。輸電工程中經(jīng)常需要計(jì)算架空線風(fēng)偏后，在垂直及水平投影平面內(nèi)的弧垂、應(yīng)力及懸掛點(diǎn)應(yīng)力等。

2.2.1 導(dǎo)線風(fēng)偏角

導(dǎo)線風(fēng)偏角計(jì)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(shè)計(jì)。

式中，g1為架空線的自重力比載；g4為架空線的風(fēng)力比載。

2.2.2 絕緣子風(fēng)偏角

絕緣子風(fēng)偏角計(jì)算公式如下：

式中，Pj為絕緣子串風(fēng)壓；Pd為導(dǎo)線風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值；lh為水平檔距；Gj為絕緣子串垂重量；Wd為導(dǎo)線重；lv為垂直檔距。

2.3 最大弧垂

為確定桿塔高度，校驗(yàn)導(dǎo)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(dǎo)線的最大弧垂及其出現(xiàn)的氣象條件。最大弧垂出現(xiàn)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(jì)算公式如下：

式中，tb為當(dāng)前溫度；γ1為最高氣溫氣象比載；γ2為無風(fēng)氣象比載；σb為應(yīng)力。

將計(jì)算的臨界溫度tj和最高氣溫tmax相比較，溫度高為出現(xiàn)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(shù)據(jù)處理

3.1 地形數(shù)據(jù)處理

3.2 影像數(shù)據(jù)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(biāo)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(kuò)，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(yùn)算消除在空間、時間或波譜上存在冗余或互補(bǔ)的多源遙感數(shù)據(jù)，獲得比任何單一數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，最后按照切片級別和地理空間范圍創(chuàng)建格網(wǎng)，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(wǎng)，通過輸電線路與空間格網(wǎng)的空間相交進(jìn)行過濾篩選，并將篩選出的空間格網(wǎng)分成若干組，利用分布式計(jì)算技術(shù)和GPU 計(jì)算技術(shù)將格網(wǎng)范圍內(nèi)的影像數(shù)據(jù)切片發(fā)布。

3. 3 激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

根據(jù)指定檔距拼換輸電線路的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)、直觀的顯示線路走廊內(nèi)地物地貌，提高顯示效果。將激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)與高清遙感影像進(jìn)行映射，參照輸電線路地物賦色方案對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行賦色處理，生成真彩色的三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，得到具有真實(shí)顏色的點(diǎn)云模型；最后對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化處理，按照500×500 米網(wǎng)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(shù)據(jù)的加載效率。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)架構(gòu)

輸電線路風(fēng)偏模擬分析系統(tǒng)采用B/S 架構(gòu)，為了便于系統(tǒng)開發(fā)、維護(hù)、部署、擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)負(fù)載平衡，降低業(yè)務(wù)模塊間耦合度，系統(tǒng)采用分層架構(gòu)模式設(shè)計(jì)，包括數(shù)據(jù)服務(wù)層、應(yīng)用服務(wù)層、業(yè)務(wù)展現(xiàn)層。應(yīng)用展現(xiàn)層采用EasyUI、JQuery、WebGL、HTML5、Cesium 等技術(shù)實(shí)現(xiàn)激光點(diǎn)云、高清影像、地形數(shù)據(jù)的輸出、渲染、顯示。應(yīng)用服務(wù)層包括兩部分內(nèi)容，輸電線路風(fēng)偏模擬和分析采用C++面向?qū)ο笳Z言實(shí)現(xiàn)，前端頁面通過可執(zhí)行文件（EXE）方式調(diào)用，其他后臺業(yè)務(wù)以Spring boot 的MVC架構(gòu)為骨架，基于RESTful 的設(shè)計(jì)風(fēng)格設(shè)計(jì)，使服務(wù)換口更加簡潔、更有層次、更易于實(shí)現(xiàn)緩存[11-13]。數(shù)據(jù)服務(wù)層通過地圖服務(wù)和數(shù)據(jù)庫2 種方式組織，高清影像、數(shù)據(jù)高程和激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)采用地圖服務(wù)方式發(fā)布，臺賬、用戶、班組、權(quán)限等信息采用MySql 數(shù)據(jù)庫管理。

4.2 系統(tǒng)功能

4.2.1 數(shù)據(jù)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(diǎn)云數(shù)據(jù)、高清影像、DOM、DEM 和三維模型等數(shù)據(jù)，如圖2 所示。地形數(shù)據(jù)利用CesiumTerrainProvider 換口類加載，支持離線切片和在線地形服務(wù)；影像數(shù)據(jù)利用WebMapServiceImageryProvider 換口類加載；點(diǎn)云數(shù)據(jù)利用后臺服務(wù)換口，根據(jù)地圖視野范圍和相機(jī)高度等參數(shù)實(shí)現(xiàn)加載和卸載。

圖2 數(shù)據(jù)加載

4.2.2 風(fēng)偏模擬

風(fēng)偏模擬包括參數(shù)輸入和模擬分析兩部分。參數(shù)輸入換口如圖3 所示，實(shí)時的溫度、風(fēng)速、日照等參數(shù)通過手動輸入或調(diào)用氣象服務(wù)換口兩種方式實(shí)現(xiàn)，其他參數(shù)根據(jù)選擇的線路和桿塔自動從數(shù)據(jù)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(shù)信息對線路進(jìn)行風(fēng)偏模擬運(yùn)算，按照導(dǎo)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(dǎo)線最大風(fēng)偏軌跡，如圖4 所示。

圖3 模擬參數(shù)接口

圖4 導(dǎo)線風(fēng)偏模擬

4.2.3 隱患分析

基于風(fēng)偏模擬結(jié)果，利用上述弧垂計(jì)算模型，參考《線路運(yùn)行規(guī)程技術(shù)要求》，分析模擬導(dǎo)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(diǎn)，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(jìn)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(shù)據(jù)，輔助分析決策。

圖5 隱患分析

5 結(jié) 語

本文基于激光點(diǎn)云、數(shù)據(jù)高程、高清影像等技術(shù)，構(gòu)建了輸電線路工況模擬分析模型，設(shè)計(jì)開發(fā)了輸電線路風(fēng)偏模擬分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了多源數(shù)據(jù)加載、風(fēng)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(yù)警分析提供了技術(shù)支撐和科學(xué)決策依據(jù)。由于造成輸電線路風(fēng)偏放電的因素很多，分析模型還需要在實(shí)踐中進(jìn)一步完善，從而提高隱患預(yù)警效率。