CN105160054A - 一种获取架空线路塑蠕伸长后参数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种获取架空线路塑蠕伸长后参数的方法，包括：拟合瞬时工况条件下的机载激光LiDAR点云数据，得到瞬时工况条件下电力线的最大弧垂；依据电力线的最大弧垂和最低点应力的关系，瞬时工况条件下的电力线的最大弧垂，计算瞬时工况条件下的电力线的最低点应力；根据得到的瞬时工况条件下的电力线的最低点应力，计算待求工况条件下的电力线的最低点应力；根据得到的待求工况条件下电力线的最低点应力，电力线悬链线方程，机载激光LiDAR点云数据，得到待求工况条件下电力线曲线。通过本发明方法获得的电力线参数可信度高；使得对塑蠕伸长后参数的测量具有一个统一标准；且在不同工况条件下均能够使用本发明方法。

Description

一种获取架空线路塑蠕伸长后参数的方法

技术领域

本发明涉及输电线路智能化巡检技术领域，特别涉及一种获取架空线路塑蠕伸长后参数的方法。

背景技术

架空线路电力线常由多股钢线、铝线绞制而成，由于其结构的特点，电力线不是完全的弹性体，在受力后除产生弹性伸长外，还产生永久性塑性伸长和蠕变伸长。大部分塑蠕伸长在线路运行后逐渐放出，增加了档内线长，引起弧垂增大和应力减小。在规划设计时，虽然已经基于电力线理论强度，特殊工况，计算了电力线应力及安全系统，但是由于实际运行工况复杂多变，尤其是受间断性高温输电的影响，加速了架空线路电力线的塑蠕变形，导致了电力线实际运行应力可能超出设计安全值，长期受外力侵蚀发生老化、劣化，造成架空线路断线、倒塔等安全事故。

目前获得电力线蠕变后参数的主要手段是由试验获得蠕变曲线，再根据蠕变曲线预计电力线的蠕变特性，得到电力线蠕变后参数。此种方法虽然能够获得电力线蠕变后参数，但仍存在以下几点问题有待于进一步解决，包括：

1)受到测量设备、操作人员熟练程度等方面的影响，试验结果可能存在不可信的情况，需要进一步地研究影响试验结果的因素及其作用机理，筛选可信值加以利用。

2)我国设计规程规定：导、地线架设后的塑性伸长应按厂家提供的数据或通过试验确定，但只根据部分试验数据和工程经验对塑性伸长给出粗略的范围，使得对电力线塑蠕后参数的测量缺少统一的标准。

3)现有方法是通过试验模拟自然环境下的电力线获得蠕变曲线，再根据蠕变曲线预计电力线的蠕变特性，得到电力线蠕变后参数。但自然界的环境复杂，无法通过试验方法对受到极端自然灾害和人为外力破坏后的电力线进行模拟，因而难以预测电力线的塑蠕特性，因此现有的电力线塑蠕伸长后的参数识别方法不具有适用性。

发明内容

本发明实施例提供了一种获取架空线路塑蠕伸长后参数的方法，通过本发明方法获得的测量数据可信度高，使得对电力线塑蠕后参数的测量具备了统一的标准，并且本发明方法具有适用性。包括：

拟合瞬时工况条件下的机载激光探测与测量LiDAR点云数据，得到瞬时工况条件下电力线的最大弧垂；

依据电力线的最大弧垂和最低点应力的关系，根据瞬时工况条件下的电力线的最大弧垂，计算得到瞬时工况条件下的电力线的最低点应力；

依据电力线状态方程，根据得到的瞬时工况条件下的电力线的最低点应力，计算得到待求工况条件下的电力线的最低点应力；

根据得到的待求工况条件下电力线的最低点应力，电力线悬链线方程，机载激光探测与测量LiDAR点云数据，得到待求工况条件下电力线曲线。

在一个实施例中，所述电力线的最大弧垂和最低点应力的关系表达式如下：

$f=\frac{{\mathrm{gl}}^2}{8{\mathrm{\σ}}_0};$

其中，f为电力线的最大弧垂，m；

σ₀为电力线最低点应力，MPa；

g为电力线的比载，N/m.mm²；

l为档距，m。

在一个实施例中，所述电力线状态方程按照如下公式计算：

${\mathrm{\σ}}_n-\frac{{\mathrm{Eg}}_n^2{l}^2}{24{\mathrm{\σ}}_n^2}={\mathrm{\σ}}_m-\frac{{\mathrm{Eg}}_m^2{l}^2}{24{\mathrm{\σ}}_m^2}-\mathrm{\α}E(t_n-t_m);$

其中，g_m为瞬时工况条件下的电力线的比载，N/m.mm²；

g_n为待测工况条件下的电力线的比载，N/m.mm²；

t_m为瞬时工况条件下的温度，℃；

t_n为待测工况条件下的温度，℃；

σ_m为瞬时工况条件下的电力线的最低点应力，MPa；

σ_n为待测工况条件下的电力线的最低点应力，MPa；

α为电力线的膨胀系数，1/℃；

E为电力线的弹性系数，MPa；

l为档距，m。

在一个实施例中，所述根据得到的待求工况条件下电力线的最低点应力，电力线悬链线方程，机载激光探测与测量LiDAR点云数据，得到待求工况条件下电力线曲线，按照如下公式计算：

$y=\frac{g}{2{\mathrm{\σ}}_0}{x}^2;$

其中，x为电力线的横坐标，m；

y为电力线的纵坐标，m；

σ₀为电力线最低点应力，MPa；

g为电力线的比载，N/m.mm²。

本发明实施例提供的技术方案，通过拟合瞬时工况条件下的机载激光探测与测量LiDAR点云数据，得到瞬时工况条件下电力线的最大弧垂；依据电力线的最大弧垂和最低点应力的关系，根据瞬时工况条件下的电力线的最大弧垂，计算得到瞬时工况条件下的电力线的最低点应力；依据电力线状态方程，根据得到的瞬时工况条件下的电力线的最低点应力，计算得到待求工况条件下的电力线的最低点应力；根据得到的待求工况条件下电力线的最低点应力，电力线悬链线方程，机载激光探测与测量LiDAR点云数据，得到待求工况条件下电力线曲线，可以达到如下有益技术效果：

(1)不会受到测量设备、操作人员熟练程度等方面的影响，获得的测量数据可信度高；

(2)使得对电力线塑蠕后参数的测量具备了统一的标准；

(3)不需要对自然环境下的电力线进行模拟，通过本发明实施例提供的技术方案可以获得受到极端自然灾害和人为外力破坏下的电力线塑蠕后的参数，本发明实施例提供的技术方案具有适用性。

(4)可以根据工程需要，设置待求工况，求取电力线曲线方程，得到不同工况条件下，电力线最大弧垂、最低点应力，电力线曲线等信息，为了解架空线路覆冰、大风、高温等工况条件下，输电线路运行状况，做好线路巡检、安全隐患排查、重大活动保电等工作提供了有力的技术支撑。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1是本发明实施例提供的一种获取架空线路塑蠕伸长后参数的方法流程图；

图2是本发明实施例提供的一种悬挂点等高的电力线弧垂应力模型示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

现有的架空线路塑蠕伸长后的参数预测方法一般采用试验的方法，这种试验方法由于受到测量设备和操作人员熟练程度等方面的影响，会存在试验结果不可信的情况；只根据部分试验数据和工程经验对塑蠕伸长后参数给出粗略的范围，使得对架空线路塑蠕伸长后参数的测量缺少测量标准；该试验方法通过模拟自然环境下的电力线获得蠕变曲线，再根据蠕变曲线预计电力线的蠕变特性，得到电力线蠕变后参数，但当电力线受到极端自然灾害和人为外力破坏后，通过该试验方法无法对电力线进行模拟，使得塑蠕特性难以预测，因此该试验方法是不适用的。如果可以提出一种不受测量设备和操人员熟练程度影响，对塑蠕伸长后参数的测量具有一个统一标准，且在不同工况条件下均能够使用的预测方法，则能够解决上述现有技术存在的问题。基于此，本发明提出一种获取架空线路塑蠕伸长后参数的方法。

图1是本发明实施例提供的一种获取架空线路塑蠕伸长后参数的方法流程图；如图1所示，该方法包括：

步骤101：拟合瞬时工况条件下的机载激光探测与测量LiDAR点云数据，得到瞬时工况条件下电力线的最大弧垂；

步骤102：依据电力线的最大弧垂和最低点应力的关系，根据瞬时工况条件下的电力线的最大弧垂，计算得到瞬时工况条件下的电力线的最低点应力；

步骤103：依据电力线状态方程，根据得到的瞬时工况条件下的电力线的最低点应力，计算得到待求工况条件下的电力线的最低点应力；

步骤104：根据得到的待求工况条件下电力线的最低点应力，电力线悬链线方程，机载激光LiDAR点云数据，得到待求工况条件下电力线曲线。

具体实施时，步骤101的可以采取如下方法进行，首先通过机载激光探测与测量LiDAR在设定的瞬时工况条件下采集点云数据，对LiDAR点云数据进行拟合，采用基于不规则三角网加密(TIN)的滤波方法，将原始LiDAR点云数据分类成地面点与非地面点；其次根据电力线走廊狭长范围内主要地物类型为植被和电力线，且架空线路点在局部小面积区域里的高程基本相同的特性，运用角度滤波方法，将非地面点分离为植被点和电力线点；再次利用二维Hough变化，从电力线点中获取电力线条数，判断每个电力线点的归类，对单条电力线进行曲线拟合，得到点云扫描时刻的电力线。

具体实施时，步骤102中提到的电力线的最大弧垂和最低点应力的关系，在本发明实施例中具体的指的是悬挂点等高情况下的电力线的最大弧垂和最低点应力的关系。

将电力线悬挂曲线上任意一点至两悬挂点连线在铅直方向上的距离称为该点的弧垂。一般所说的弧垂，均指档内最大弧垂(除了特别说明外)。

如图2所示，悬挂点为A和B，OA的距离为l_a，OB的距离为l_b，在悬挂点等高的条件下，依据电力线悬链线方程：

$y=\frac{{\mathrm{\σ}}_0}{g}(ch\frac{gx}{{\mathrm{\σ}}_0}-1)=\frac{{\mathrm{gx}}^2}{2{\mathrm{\σ}}_0}+\frac{g^3{x}^4}{24{\mathrm{\σ}}_0^3}+\mathrm{...}\left(1\right)$

其中，ch表示双曲余弦函数。

假设其作用在电力线弧长上的荷载沿电力线在X轴上的投影均匀分布，得到电力线悬链线方程(1)的简化形式—平面抛物线方程：

$y=\frac{g}{2{\mathrm{\σ}}_0}{x}^2$

当弧垂与档距之比f/l≤10％时，令x＝l/2得最大弧垂的近似计算公式：

$f=\frac{{\mathrm{gl}}^2}{8{\mathrm{\σ}}_0}---\left(2\right)$

式(2)中，f为电力线的最大弧垂，m；

σ₀为电力线最低点应力，MPa；

g为电力线的比载，N/m.mm²；

l为档距，m。

式(2)即为悬挂点等高情况下，电力线的最大弧垂和最低点应力的关系表达式。

采用式(2)和步骤101获得的瞬时工况条件下电力线的最大弧垂，即可以得到瞬时工况条件下的电力线的最低点应力。

具体实施时，在步骤103中已知瞬时工况条件下的最低点应力，要求得待求工况条件下的电力线的最低点应力，要用到电力线的状态方程。状态方程是电力线力学计算中的重要工具。状态亦指电力线承受什么气象条件，电力线在不同状态下与其应力之间的变化关系，即为状态方程。

设已知电力线在温度t_m，比载(指导线单位长度、单位截面积上的荷载，为矢量)为g_m，应力为σ_m时的线长为L_m，称m状态(瞬时工况条件下)，而气象条件变化后，设温度为t_n，比载为g_n，应力为σ_n时的线长为L_n，称n状态(待测工况条件下)。显然前后两种状态下，L_n≠L_m，这是由于弹性变形和热膨胀变形的共同影响结果，则L_m与L_n满足如下关系

$L_n=L_m(1+\mathrm{\α}\mathrm{\Δ}t)(1+\frac{1}{E}\mathrm{\Δ}\mathrm{\σ})---\left(3\right)$

将式(3)展开为

$L_n=L_m(1+\mathrm{\α}\mathrm{\Δ}t+\frac{1}{E}\mathrm{\Δ}\mathrm{\σ}+\mathrm{\α}\frac{1}{E}\mathrm{\Δ}t\mathrm{\Δ}\mathrm{\σ})=L_m+L_m(\mathrm{\α}\mathrm{\Δ}t+\frac{1}{E}\mathrm{\Δ}\mathrm{\σ}+\mathrm{\α}\frac{1}{E}\mathrm{\Δ}t\mathrm{\Δ}\mathrm{\σ})---\left(4\right)$

由于两者乘积后数量级很小，略去式(4)尾项后得

$L_n=L_m+L_m(\mathrm{\α}\mathrm{\Δ}t+\frac{1}{E}\mathrm{\Δ}\mathrm{\σ})---\left(5\right)$

将改变量Δt＝t_n-t_m；Δσ＝σ_n-σ_m代入式(5)则为

$L_n=L_m+L_m\[\mathrm{\α}(t_n-t_m)+\frac{1}{E}({\mathrm{\σ}}_n-{\mathrm{\σ}}_m)\]---\left(6\right)$

利用电力线线长公式，m，n两状态下分别为

$L_m=l+\frac{g_m^2{l}^3}{24{\mathrm{\σ}}_m^2}$

$L_n=l+\frac{g_n^2{l}^3}{24{\mathrm{\σ}}_n^2}$

代入式(6)得

$l+\frac{g_n^2{l}^3}{24{\mathrm{\σ}}_n^2}=l+\frac{g_m^2{l}^3}{24{\mathrm{\σ}}_m^2}+\[\mathrm{\α}(t_n-t_m)+\frac{1}{E}({\mathrm{\σ}}_n-{\mathrm{\σ}}_m)\]L_m---\left(7\right)$

由于式(7)中右边尾项数值较小，假定令L_m＝l代入，整理后得：

${\mathrm{\σ}}_n-\frac{{\mathrm{Eg}}_n^2{l}^2}{24{\mathrm{\σ}}_n^2}={\mathrm{\σ}}_m-\frac{{\mathrm{Eg}}_m^2{l}^2}{24{\mathrm{\σ}}_m^2}-\mathrm{\α}E(t_n-t_m)---\left(8\right)$

式(8)中：g_m为瞬时工况条件下的电力线的比载，N/m.mm²；

g_n为待测工况条件下的电力线的比载，N/m.mm²；

t_m为瞬时工况条件下的温度，℃；

t_n为待测工况条件下的温度，℃；

σ_m为瞬时工况条件下的电力线的最低点应力，MPa；

σ_n为待测工况条件下的电力线的最低点应力，MPa；

α为电力线的膨胀系数，1/℃；

E为电力线的弹性系数，MPa；

l为档距，m；

Δt为瞬时工况下和待测工况下的温度差；

Δσ为瞬时工况下和待测工况下的电力线的最低点应力差。

式(8)即为架空线路在悬挂点等高时的电力线的状态方程，如果温度为t_m，比载为g_m时的电力线应力σ_m为已知，可按式(8)求出温度为t_n，比载为g_n时的电力线最低点应力σ_n。

具体实施时，在步骤104中，已知待求工况条件下电力线的最低点应力，电力线悬链线方程和机载激光探测与测量LiDAR点云数据，可以按照如下公式计算得到待求工况条件下电力线曲线：

$y=\frac{g}{2{\mathrm{\σ}}_0}{x}^2---\left(9\right)$

其中，x为电力线的横坐标，m；

y为电力线的纵坐标，m；

σ₀为电力线最低点应力，MPa；

g为电力线的比载，N/m.mm²。

采用步骤104获得的待求工况条件下电力线曲线，还可以通过量测得到的待求工况下电力线的最大弧垂，电力线与建筑物的垂直距离、电力线与植被的垂直距离、电力线与建筑物的水平距离、电力线与植被的水平距离和净空距离等信息。

上述的技术方案是以悬挂点等高，孤立档距下的架空线路为例，阐述了电力线弧垂和应力关系，状态方程，进而得到电力线蠕变后参数。同理可以推导架空线路连续档距的代表档距，悬挂点不等高时电力线弧垂和应力关系，电力线状态方程，重复步骤101-104即可得到架空线路蠕变后不同工况下电力线参数(电力线曲线、电力线的最大弧垂、电力线的最低点应力、电力线与建筑物的垂直距离、电力线与植被的垂直距离、电力线与建筑物的水平距离、电力线与植被的水平距离和净空距离等)，为了解架空线路覆冰、大风、高温等工况条件下，输电线路运行状况，做好线路巡检、安全隐患排查、重大活动保电等工作提供了有力的技术支撑。

综上所述，本发明实施例提出的获取架空线路塑蠕伸长后参数的方法，规避了现有的试验测量方法由于受到测量设备、操作人员熟练程度等方面的影响，使得测量数据可信度不高；只根据部分试验数据和工程经验对塑性伸长给出粗略的范围，使得对电力线塑蠕后参数的测量缺少统一的标准；受自然界复杂环境影响，无法通过试验方法对受到极端自然灾害和人为外力破坏后的电力线进行模拟，因而难以预测电力线的塑蠕特性，使得试验方法不具有适用性等问题，建立了一种适应不同工况(不同的气象条件)、不同架空线路电力线材质、结构的架空线路塑蠕后的电力线参数计算方法，为架空线路设计施工，电网安全运行提供了有利的数据支持。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明实施例的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明实施例不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种获取架空线路塑蠕伸长后参数的方法，其特征在于，包括：

拟合瞬时工况条件下的机载激光探测与测量LiDAR点云数据，得到瞬时工况条件下电力线的最大弧垂；

依据电力线的最大弧垂和最低点应力的关系，根据瞬时工况条件下的电力线的最大弧垂，计算得到瞬时工况条件下的电力线的最低点应力；

依据电力线状态方程，根据得到的瞬时工况条件下的电力线的最低点应力，计算得到待求工况条件下的电力线的最低点应力；

根据得到的待求工况条件下电力线的最低点应力，电力线悬链线方程，机载激光探测与测量LiDAR点云数据，得到待求工况条件下电力线曲线。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电力线的最大弧垂和最低点应力的关系表达式如下：

$f=\frac{{\mathrm{gl}}^2}{8{\mathrm{\σ}}_0};$

其中，f为电力线的最大弧垂，m；

σ₀为电力线最低点应力，MPa；

g为电力线的比载，N/m.mm²；

l为档距，m。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电力线状态方程按照如下公式计算：

${\mathrm{\σ}}_n-\frac{{\mathrm{Eg}}_n^2{l}^2}{24{\mathrm{\σ}}_n^2}={\mathrm{\σ}}_m-\frac{{\mathrm{Eg}}_m^2{l}^2}{24{\mathrm{\σ}}_m^2}-\mathrm{\α}E(t_n-t_m);$

其中，g_m为瞬时工况条件下的电力线的比载，N/m.mm²；

g_n为待测工况条件下的电力线的比载，N/m.mm²；

t_m为瞬时工况条件下的温度，℃；

t_n为待测工况条件下的温度，℃；

σ_m为瞬时工况条件下的电力线的最低点应力，MPa；

σ_n为待测工况条件下的电力线的最低点应力，MPa；

α为电力线的膨胀系数，1/℃；

E为电力线的弹性系数，MPa；

l为档距，m。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据得到的待求工况条件下电力线的最低点应力，电力线悬链线方程，机载激光探测与测量LiDAR点云数据，得到待求工况条件下电力线曲线，按照如下公式计算：

$y=\frac{g}{2{\mathrm{\σ}}_0}{x}^2;$

其中，x为电力线的横坐标，m；

y为电力线的纵坐标，m；

σ₀为电力线最低点应力，MPa；

g为电力线的比载，N/m.mm²。