王和平，鄒 彪，汪 駿，武 藝，孟小前

（1.國(guó)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(duì)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(cè)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(cè)距作為一種遙感技術(shù)，通過(guò)向目標(biāo)發(fā)射探測(cè)信號(hào),然后將換收到的信號(hào)與發(fā)射信號(hào)進(jìn)行比較,獲取探測(cè)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(cè)性能好、數(shù)據(jù)精度高等特點(diǎn)，近年來(lái)廣泛應(yīng)用于無(wú)人駕駛、智慧城市、海洋探測(cè)、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(dòng)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(shí)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(kāi)展大規(guī)模的在線風(fēng)偏工況模擬分析，在三維場(chǎng)景中重構(gòu)高清的輸電通道，對(duì)超過(guò)安全閾值的輸電線路進(jìn)行定位、預(yù)警和預(yù)報(bào)，通過(guò)微信和短信等方式通知檢修人員，及時(shí)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(kāi)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(lèi)規(guī)則，實(shí)現(xiàn)輸電線路點(diǎn)云數(shù)據(jù)的自動(dòng)分類(lèi)，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(shù)木、線路交叉跨越、交通設(shè)施等的空間距離，開(kāi)展不同工況的模擬分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)通道隱患，形成安全評(píng)估報(bào)告。最后在三維場(chǎng)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(jiǎn)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(dòng)、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)?lái)一定的困難。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(kāi)始的四萬(wàn)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(duì)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(guò)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(wú)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(guò)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(guò)運(yùn)算消除在空間、時(shí)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(shí)間特征的合成影像數(shù)據(jù)，最后按照切片級(jí)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(gè)相同大小的空間格網(wǎng)，通過(guò)輸電線路與空間格網(wǎng)的空間相交進(jìn)行過(guò)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(duì)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(duì)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(jí)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(kāi)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(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，前端頁(yè)面通過(guò)可執(zhí)行文件（EXE）方式調(diào)用，其他后臺(tái)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(jiǎn)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(guò)地圖服務(wù)和數(shù)據(jù)庫(kù)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(tái)賬、用戶、班組、權(quán)限等信息采用MySql 數(shù)據(jù)庫(kù)管理。

4.2 系統(tǒng)功能

4.2.1 數(shù)據(jù)加載

前端WEB 頁(yè)面集成Cesium 的 JavaScript 庫(kù)，利用Cesium 提供的API 動(dòng)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(lèi)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(lèi)加載；點(diǎn)云數(shù)據(jù)利用后臺(tái)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(shí)的溫度、風(fēng)速、日照等參數(shù)通過(guò)手動(dòng)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(dòng)從數(shù)據(jù)庫(kù)獲取。模擬分析通過(guò)在系統(tǒng)中集成上述模型算法，基于輸入的參數(shù)信息對(duì)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(chǎng)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(tái)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(chǎng)景中進(jìn)行空間距離量算、面積量算、交跨距離量算、對(duì)地高程量算等功能。使用戶可以便捷的在三維可視化場(chǎng)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(yǔ)

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(kāi)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(dòng)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。