李 斌，朱亞光，吳 帥

(山東電力工程咨詢(xún)?cè)河邢薰?，山東 濟(jì)南 250100)

免棱鏡激光測(cè)距法在電力線舞動(dòng)治理中的應(yīng)用研究

李 斌，朱亞光，吳 帥

(山東電力工程咨詢(xún)?cè)河邢薰?，山東 濟(jì)南 250100)

目前，我國(guó)輸電線路的舞動(dòng)治理正成為一個(gè)電力行業(yè)重要的研究課題。而其治理的主要措施便是加裝防舞裝置，為此需要精確測(cè)量安裝位置的電力線導(dǎo)線相間三維距離才能保證防舞裝置安裝準(zhǔn)確。通過(guò)多種方法比較，全站儀免棱鏡激光測(cè)距法可以認(rèn)為是目前最為成熟，實(shí)施效率較高，且測(cè)量精度滿足施工要求的一種測(cè)量方法。

免棱鏡激光測(cè)距法；電力線 ；舞動(dòng)治理；精度。

1 概述

由于我國(guó)幅員遼闊，地理及氣象條件復(fù)雜多變，使得我國(guó)很多地區(qū)的電網(wǎng)在冬季易遭受冰雪、大風(fēng)天氣影響，引發(fā)氣象災(zāi)害，加之近年來(lái)的氣候變化，惡劣氣象頻繁出現(xiàn)，造成我國(guó)電網(wǎng)遭受氣象災(zāi)害的概率、程度都大為增加。在我國(guó)電網(wǎng)氣象災(zāi)害中，架空導(dǎo)線覆冰舞動(dòng)是發(fā)生頻率高、影響范圍廣、造成損失較大的一種災(zāi)害形式，嚴(yán)重威脅到電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。面對(duì)復(fù)雜的環(huán)境因素，為建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)國(guó)家電網(wǎng)、確保大電網(wǎng)的長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行，需要安全、先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)、可靠的防舞動(dòng)措施作為保證。在運(yùn)輸電線路舞動(dòng)治理的主要措施是加裝防舞裝置，因此為保證防舞裝置的準(zhǔn)確安裝，需要精確測(cè)量出電力線需安裝位置的相間三維距離。

2 技術(shù)方法分析

根據(jù)測(cè)量技術(shù)要求，經(jīng)過(guò)多次討論及調(diào)研分析，現(xiàn)階段可采用機(jī)載激光掃描測(cè)高系統(tǒng)法、三維激光掃描儀法、全站儀激光測(cè)距法這三種方法作為可實(shí)施方法，這三種方法的作業(yè)特點(diǎn)如下。

(1)機(jī)載激光掃描測(cè)高系統(tǒng)法

采用機(jī)載激光掃描測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行電力線勘測(cè)設(shè)計(jì)測(cè)量及生產(chǎn)運(yùn)行監(jiān)測(cè)，是目前國(guó)際常用的方法，但利用直升機(jī)進(jìn)行電力線掃描，雖然作業(yè)效率很高，但無(wú)論是前期設(shè)備的購(gòu)買(mǎi)，還是后期的使用，其費(fèi)用都相當(dāng)昂貴。由于我國(guó)目前經(jīng)濟(jì)實(shí)力和科技水平的限制，尚不具備全面、系統(tǒng)開(kāi)展直升機(jī)電力作業(yè)的條件。因此目前來(lái)看此方法尚不滿足本工程實(shí)際作業(yè)需要。

(2)三維激光掃描儀法

采用三維激光掃描儀進(jìn)行電力線測(cè)量，具體的是在電力線中心位置架設(shè)儀器，對(duì)電力線進(jìn)行掃描，待掃描結(jié)束后從掃描的空間數(shù)據(jù)中量取需要測(cè)量電力線位置的空間距離。相比較機(jī)載激光掃描測(cè)高系統(tǒng)，設(shè)備費(fèi)用較低，但作業(yè)過(guò)程中需要人工搬運(yùn)，儀器設(shè)備較重(約60kg)。而且三維激光掃描儀對(duì)掃描距離也有要求，一般不能超過(guò)300m，但500kV電力線的檔距一般會(huì)超過(guò)300m，需要進(jìn)行兩次掃描觀測(cè)才能完成，因此測(cè)量一檔耗時(shí)長(zhǎng)；且內(nèi)業(yè)處理數(shù)據(jù)量非常大，需要采購(gòu)專(zhuān)門(mén)的軟件系統(tǒng)和大容量計(jì)算機(jī)。因此現(xiàn)階段該作業(yè)方法作業(yè)效率一般，同時(shí)造價(jià)相對(duì)較高。

(3)全站儀激光測(cè)距法

采用此方法進(jìn)行電力線測(cè)量，具體來(lái)說(shuō)就是先用GPS RTK方法測(cè)量電力線鐵塔，根據(jù)設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)要求找到需要測(cè)量電力線的位置，然后在偏離電力線的一定位置架設(shè)全站儀，采用全站儀的免棱鏡激光測(cè)距法測(cè)出需要測(cè)量位置電力線的空間坐標(biāo)，然后根據(jù)空間坐標(biāo)計(jì)算其空間距離。此方法跟上兩種方法相比，其特點(diǎn)是儀器設(shè)備輕便靈活、操作方便，作業(yè)效率較高。因此免棱鏡激光測(cè)距法便于推廣應(yīng)用。

3 免棱鏡激光測(cè)距法技術(shù)分析

(1)作業(yè)原理

前面比較分析可知，全站儀激光測(cè)距法作業(yè)效率較高，其具體作業(yè)流程如下：

①用GPS RTK方法測(cè)量電力線鐵塔鐵腿，計(jì)算塔中心坐標(biāo)T1和T2，在測(cè)量手薄中根據(jù)中心坐標(biāo)連T1和T2成線。

②根據(jù)設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)提供的電力線測(cè)量位置表，找到距離T1為Sm的線路中心位置，然后在此距離處垂直線路方向上偏離中心Mm的位置，讀出此處的手薄顯示的累距值和偏距值，即以S為X、M為Y、H為此點(diǎn)高程。即此處空間坐標(biāo)為(S，M，H)。

③將全站儀架設(shè)在此位置，利用極坐標(biāo)法進(jìn)行電力線空間距離測(cè)量。測(cè)量電力線讀數(shù)中所測(cè)點(diǎn)的X值應(yīng)都為S，這樣也就保證所測(cè)位置準(zhǔn)確。

④將測(cè)量各點(diǎn)的數(shù)據(jù)輸出整理，計(jì)算出各電力線空間距離。

作業(yè)示意見(jiàn)圖1。

圖1 電力線空間距離測(cè)量示意圖

(2)精度分析

全站儀激光測(cè)距法的測(cè)量精度主要包括GPS-RTK的測(cè)點(diǎn)精度和全站儀的測(cè)點(diǎn)精度。

G P S-R T K的標(biāo)稱(chēng)精度為：平面10mm+1ppm，高程20mm+1ppm。其作業(yè)距離一般都小于5km，且工作基點(diǎn)和后視工作基點(diǎn)都有GPS-RTK測(cè)得，因此點(diǎn)位精度最大可視為：平面±2cm，高程±5cm。而GPS-RTK主要是測(cè)量出工作基點(diǎn)A和后視工作基點(diǎn)B的坐標(biāo)高程，而通過(guò)在A點(diǎn)架設(shè)全站儀測(cè)得a、b、c三點(diǎn)的坐標(biāo)高程，通過(guò)坐標(biāo)差和高差計(jì)算電力線相間距離。因此GPS-RTK只有平面點(diǎn)位精度影響電力線相間距離測(cè)量精度。

全站儀的測(cè)量精度首先跟使用的測(cè)量?jī)x器有關(guān)，目前我院常用的免棱鏡激光測(cè)距儀的標(biāo)稱(chēng)精度為2mm+2ppm、角度閉合差2.0″。

①全站儀測(cè)量平面精度分析

如果設(shè)工作基點(diǎn)為A，后視工作基點(diǎn)為B，AB的方位角為α，測(cè)量的電力線上的點(diǎn)為P，測(cè)得水平距離為D，水平角為β，則可得P點(diǎn)的坐標(biāo)為：

若先不計(jì)儀器和測(cè)點(diǎn)的對(duì)中誤差，則P點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差為：

若采用標(biāo)稱(chēng)精度為2mm+2ppm、角度閉合差2.0″的全站儀極坐標(biāo)觀測(cè)一測(cè)回，取mD=2+2×10-6，mβ=3'' ，當(dāng)D為200m時(shí)，可求得mp為3.8mm。

實(shí)際上野外作業(yè)時(shí)，由于工作基點(diǎn)都為臨時(shí)架設(shè)點(diǎn)，儀器和測(cè)點(diǎn)的對(duì)中誤差存在且較大，因此根據(jù)工作經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際，可考慮m對(duì)中為3mm。

② 全站儀測(cè)量高程精度分析

設(shè)工作基點(diǎn)到電力線測(cè)量點(diǎn)的距離為D，垂直角α、儀器高i、目標(biāo)高V，顧及大氣折光系數(shù)K的影響，單向觀測(cè)計(jì)算高差的公式為：

由式(5)可以看出，影響高程測(cè)量精度的因素有測(cè)距誤差mD垂直角觀測(cè)誤差mα、儀器高測(cè)量誤差mi、站標(biāo)高測(cè)量誤差mv、大氣折光誤差mk。采用高精度的測(cè)距儀器和短距離測(cè)量，可大大減弱測(cè)距誤差的影響，垂直角觀測(cè)誤差對(duì)高程中誤差的影響較大，且與距離成正比的關(guān)系；對(duì)非強(qiáng)制對(duì)中點(diǎn)位，可采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄌ岣吡咳【?；大氣折光誤差隨地區(qū)、氣候、季節(jié)、地面覆蓋物、視線超出地面的高度等不同而發(fā)生變化，其影響與距離的平方成正比。若采用標(biāo)稱(chēng)精度為2+2×10-6、2.0''的全站儀觀測(cè)一測(cè)回，取mD= 2+2×10-6，mβ=3''并設(shè)D=200m，α=±3''，mi= mv= mK= ±1mm，mK= ±0.2，根據(jù)式(5)可求得mh= ±3.1mm。

通過(guò)以上分析可以看出，采用免棱鏡激光測(cè)距法測(cè)量電力線相間距離，平面精度m平= mGPS+ mP+ m對(duì)中=36.8mm；高程精度m高=±3.1mm，導(dǎo)線點(diǎn)位測(cè)量誤差36.9mm，距離誤差為52.2mm。而電力線安裝測(cè)量要求精度只要達(dá)到±10cm，即能滿足施工要求。因此此方法作為電力線測(cè)量的主要技術(shù)手段從作業(yè)方法和精度上分析都滿足要求。

4 應(yīng)用實(shí)例

2010年5月至8月，先后完成了山東境內(nèi)的500kV益川線、濱油線、壽油線、光壽線、霞昆線、辛聊線的部分線路的電力線測(cè)量工作，共測(cè)量完成電力線近400km。

為檢驗(yàn)全站儀激光測(cè)距法的測(cè)量精度，在作業(yè)期間，也采用了三維激光掃描儀法進(jìn)行作業(yè)比較，兩種方法共同共測(cè)量了24組數(shù)據(jù)，從作業(yè)成果上來(lái)看，兩方法測(cè)量精度相當(dāng)，相差最大為3cm，最小的為3mm，但作業(yè)效率相差較大，完成8檔24個(gè)測(cè)量距離工作，全站儀激光測(cè)距法需要1天的時(shí)間，而三維激光掃描儀法需要2天的時(shí)間。

表1 三維激光掃描儀法與全站儀激光測(cè)距法比較

5 結(jié)語(yǔ)

5.1 注意事項(xiàng)

(1)由于電力線導(dǎo)線的直徑只有26.8mm，采用免棱鏡激光測(cè)距法應(yīng)考慮全站儀測(cè)距架設(shè)基點(diǎn)點(diǎn)的選擇問(wèn)題，經(jīng)實(shí)地測(cè)量比較分析，儀器架設(shè)基點(diǎn)應(yīng)偏離中心在60m～120m之間為宜，這樣既能保證激光可以反射讀數(shù)，也不會(huì)出現(xiàn)因全站儀視線仰角角度過(guò)大而無(wú)法觀測(cè)的情況。

(2)測(cè)量記錄的數(shù)據(jù)為坐標(biāo)形式，野外作業(yè)應(yīng)編制專(zhuān)門(mén)的記錄表格。記錄人員應(yīng)根據(jù)坐標(biāo)數(shù)據(jù)判斷所測(cè)值之間的差值在允許范圍之內(nèi)，經(jīng)實(shí)地測(cè)量分析，坐標(biāo)和高程的差值應(yīng)保證在5cm之內(nèi)，所測(cè)電力線相間三維距離精度可以達(dá)到±10cm。

(3)避免出現(xiàn)測(cè)量粗差，如測(cè)錯(cuò)了電力線，應(yīng)采用兩次架站的方法觀測(cè)同一個(gè)電力線位置，以及在測(cè)量過(guò)程中采用正倒鏡觀測(cè)的方法保證瞄準(zhǔn)電力線的正確性。在相間距離計(jì)算完成后，應(yīng)根據(jù)相間距離規(guī)律進(jìn)行距離驗(yàn)證，如在需測(cè)量的1/4處和3/4處在相同塔型的情況下相間距離近似相等。

⑷電力線測(cè)量工作也受天氣的影響較大。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)室外風(fēng)力達(dá)到3級(jí)以上時(shí)，免棱鏡激光測(cè)距法一般無(wú)法測(cè)量，應(yīng)選擇微風(fēng)天氣觀測(cè)才能保證測(cè)量精度。

5.2 結(jié)論

通過(guò)以上的研究分析，全站儀激光測(cè)距法的測(cè)量精度能滿足施工技術(shù)要求，具備操作簡(jiǎn)單、靈活的特點(diǎn)，且測(cè)量數(shù)據(jù)整理簡(jiǎn)單，能較快提供測(cè)量成果，因此該方法值得在此類(lèi)工程中加以推廣應(yīng)用。鑒于目前全站儀激光測(cè)距法測(cè)量應(yīng)用的地形多為平地或丘陵，因此，還需要進(jìn)一步開(kāi)展機(jī)載激光掃描測(cè)高系統(tǒng)法在山區(qū)進(jìn)行高壓線導(dǎo)線相間距離精確測(cè)量的應(yīng)用研究。

[1]田林亞，等．利用全站儀同時(shí)監(jiān)測(cè)公路施工階段水平位移和垂直位移[J]．勘察科學(xué)技術(shù)，2004，(6)．

[2]孔祥元，梅是義．控制測(cè)量學(xué)[M]．武漢：武漢測(cè)繪科技大學(xué)出版社，1996．

[3]章書(shū)壽，華錫生．工程測(cè)量[M]．北京：水利電力出版社．1994．

Application of Non-prism Laser Ranging to Galloping Control of Electric Transmission Lines

LI Bin, ZHU Ya-guang, WU Shuai
(Shangdong Electric Power Engineering Consulting Institute Corporation, Ltd, Ji'nan 250013, China)

At present, the galloping control of electric transmission lines in our country is becoming an important subject in the electric power research fi eld. The main method is to install a device to avoid the swing. And therefore the distance between the power lines at the points to install the device has to be known with high precision, so as to achieve the installation accurately. Through the many kinds of methods, the total station without prism laser ranging method may be thought as a mature approach of high ef fi ciency, and it can satisfy the requirement of survey accuracy.

non-prism total station laser ranging; electric transmission line; galloping control; precision.

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1671-9913(2011)03-0011-04

2011-03-03

李斌(1981- )，男，山東沂源人，工程師，從事電力工程測(cè)量工作。