CN112883551A - 一种基于点云数据的输电线路连续档安全系数反算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于点云数据的输电线路连续档安全系数反算方法，结合输电线路设计资料、电线力学理论以及电力线点云数据采集时的气象条件数据，可实现输电线路安全系数的准确、快速反算，为输电线路安全距离分析及预测模拟奠定基础，同时，对于新建线路反算出来的安全系数也可作为线路验收时的重要参考依据。

Description

一种基于点云数据的输电线路连续档安全系数反算方法

技术领域

本发明涉及输电线路安全运维及施工验收技术领域，特别涉及一种基于点云数据的输电线路连续档安全系数反算方法。

背景技术

输电线路安全系数是线路设计以及运维过程中的重要参数。当线路竣工以后，由于施工过程中施工人员放线过松或过紧以及电力线老化等原因均会造成输电线路实际安全系数与设计取值之间存在一定偏差。当前，通过无人机或直升机搭载激光LiDAR设备，获取线路点云数据，进而进行线路安全距离分析及模拟，已成为输电线路运维的主要方式。准确的获取输电线路安全系数，对输电线路安全距离分析及模拟具有重要意义。同时，对于新建线路通过与设计资料进行结合，安全系数可作为验收时的重要参考依据。通过与设计安全系数进行比对，线路验收人员便可知道线路施工时放线是过松或者过紧。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于点云数据的输电线路连续档安全系数反算方法，通过结合输电线路设计资料、电线力学理论以及电力线点云数据采集时的气象条件数据，可实现输电线路安全系数的准确、快速反算，为输电线路安全距离分析及预测模拟奠定基础。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

该种基于点云数据的输电线路连续档安全系数反算方法，包括如下步骤：

步骤S1：结合设计资料将经过点云分类后的架空输电线路通道点云数据按照连续档以及孤立档进行划分，并计算每档档距、高差及高差角；

步骤S2：利用基于正交多项式的最小二乘法在竖直平面以及水平平面对电力线点云数据进行拟合，并通过拟合后的电力线计算连续档档内每一档在垂直比载平面内的最大弧垂；

步骤S3：根据步骤S2计算的连续档档内每一档在垂直比载平面内的最大弧垂，求解每一档电力线弧垂最低点水平应力，并考虑连续档各档之间的相互影响，计算每一档的权重系数，进而求取连续档弧垂最低点水平应力；

步骤S4：根据步骤S3计算的连续档弧垂最低点水平应力，结合输电线路设计资料以及点云数据采集时的实时气象数据，通过对多个设计条件下计算的弧垂最低点水平应力进行对比，确定连续档所允许使用的弧垂最低点水平应力，进而计算连续档安全系数。

特别地，所述步骤S1中，设某一连续档共有n个挂点A₁、A₂、……、A_n，其坐标依次为(x₁，y₁，z₁)、(x₂，y₂，z₂)、……、(x_n，y_n，z_n)。根据电线力学理论，同一档间的高度差简称为高差，两悬挂点间连续的水平距离称为档距，该连线与水平面的夹角称为高差角，依次表示为l_i、h_i、β_i。其对应计算公式如下所示：

h_i＝|z_i+1-z_i| (2)

式中，i＝1，2，...，n-1。

特别地，所述步骤S2中，包括以下计算步骤：

步骤S21：提取电力线点云在竖直平面以及水平平面投影点坐标得到两组新的二维点集；

步骤S22：利用基于正交多项式的最小二乘法对这两组点集进行拟合，获得构成电力线拟合模型的两个二元多项式模型；

步骤S23:通过水平平面拟合多项式可以确定电力线任意点的(x，y)坐标，通过竖直平面拟合多项式可以确定电力线任意点的(x，z)坐标，通过对二者进行组合，即可确定电力线任意点在三维空间点的(x，y，z)坐标；

步骤S24：根据电线力学理论对于弧垂的定义，即可求得连续档档内每一档在垂直比载所在平面内的最大弧垂，分别记录为f_vm1,f_vm2，...，f_vmn-1。

特别地，所述步骤S22中，拟合过程中多项式模型最高次数为2次。

特别地，在计算连续档档内每一档弧垂最低点水平应力时，只需结合电力线的设计资料计算电力线垂直比载γ_v，通过下式(4)即可求得连续档档内每一档弧垂最低点水平应力：

特别地，所述步骤S3中，在计算连续档的弧垂最低点水平应力时，通过考虑连续档档内各档的权重，来降低各档之间的相互影响以及数据采集与拟合计算带来的误差。连续档各档权重系数计算公式如下：

通过式(5)即可求得连续档弧垂最低点水平应力σ：

特别地，所述步骤S4中，输电线路在进行设计时所考虑的气象计算条件包括最高气温、最低气温、最大风、覆冰和平均气温，每个设计条件均对应具体的气象参数。

特别地，通过状态方程揭示从一种气象条件到另一种气象条件下电力线各参数之间的变化关系，如式(7)所示：

式中：σ₀₂、σ₀₁：分别为两种计算条件下架空线弧垂最低点处应力；γ′₂、γ′₁：分别为两种计算条件下架空线综合比载；t₂、t₁：分别为两种计算条件下架空线的温度；η₁、η₂：分别为两种计算条件下架空线风偏角；l_r、β_r：依次为连续档代表档距与代表高差角；α、E：依次为架空线的温度膨胀系数和弹性系数。

特别地，将电力线点云数据采集时的实时气象条件数据以及由步骤S3计算得到的该气象条件下的电力线弧垂最低点水平应力作为已知条件，并将各气象计算条件下电力线弧垂最低点水平应力作为未知条件，带入式(7)，即可求得各计算条件下电力线弧垂最低点水平应力；

然后判断各计算条件下电力线弧垂最低点水平应力的最大值，则该值即为连续档所允许使用的弧垂最低点水平应力，记为σ_max，此时，通过式(8)即可求得连续档的实际安全系数k：

式中：A与T_j分别为电力线截面积与计算拉断力，可通过查表得到；cof为新线系数可通过设计资料查到。

本发明的有益效果是：

当前，基于点云数据输电线路安全距离的分析及模拟预测主要集中在计算单档电力线弧垂最低点水平应力，进而进行电力线弧垂模拟分析。鲜有综合考虑连续档各档之间相互影响以及数据误差带来的影响的。为解决这些问题，本发明结合输电线路设计资料、电线力学理论以及电力线点云数据采集时的气象条件数据，提出一种基于点云数据的输电线路连续档安全系数反算方法，通过该方法可实现输电线路安全系数的准确、快速反算，为输电线路安全距离分析及预测模拟奠定基础。同时，对于新建线路反算出来的安全系数也可作为线路验收时的重要参考依据。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和前述的权利要求书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为输电线路连续、档孤立档示意图；

图2为本发明的方法流程示意图；

图3为计算气象条件的参数数值表。

具体实施方式

以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

需要说明的是，在电线力学理论中，连续档是指包含有若干基直线杆塔构成的耐张段；孤立档是指只包含有耐张型杆塔构成的耐张段。当获取到输电线路通道内点云数据之后，依据地物特征，将点云划分为电力线、杆塔、房屋、植被等类别。提取电力线所属点云数据，结合相应设计资料将电力线所属点云数据依次划分为连续档、孤立档。如图1所示，图中P₁、P₂、……P_n为挂点，P₁、P₂、P₃段为连续档，P_n-1、P_n段为孤立档。注：在实际分析中耐张型杆塔处挂点有两个，分为左右挂点，如P₃处为耐张型杆塔，在其左侧和右侧各有一个挂点。

如图2所示，本发明的一种基于点云数据的输电线路连续档安全系数反算方法，包括如下步骤：

步骤S1：结合设计资料将经过点云分类后的架空输电线路通道点云数据按照连续档以及孤立档进行划分，并计算每档档距、高差及高差角；

在本实施例中，设某一连续档共有n个挂点A₁、A₂、……、A_n，其坐标依次为(x₁，y₁，z₁)、(x₂，y₂，z₂)、……、(x_n，y_n，z_n)；根据电线力学理论，同一档间的高度差简称为高差，两悬挂点间连续的水平距离称为档距，该连线与水平面的夹角称为高差角，依次表示为l_i、h_i、β_i，其对应计算公式如下所示：

h_i＝|z_i+1-z_i| (2)

式中，i＝1，2，...，n-1。

步骤S2：利用基于正交多项式的最小二乘法在竖直平面以及水平平面对电力线点云数据进行拟合，并通过拟合后的电力线计算连续档档内每一档在垂直比载平面内的最大弧垂；

电力线点云数据为三维空间离散点，直接在三维空间中对其进行拟合难度较大也不便于电力线弧垂的计算。因而，本发明利用基于正交多项式的最小二乘法在竖直平面以及水平平面对电力线点云投影数据进行拟合，进而计算连续档档内每一档在垂直比载所在平面内的最大弧垂。具体而言，包括以下计算步骤：

步骤S21：提取电力线点云在竖直平面以及水平平面投影点坐标得到两组新的二维点集；

步骤S22：利用基于正交多项式的最小二乘法对这两组点集进行拟合，获得构成电力线拟合模型的两个二元多项式模型；本实施例中，拟合过程中多项式模型最高次数为2次。

步骤S23:通过水平平面拟合多项式可以确定电力线任意点的(x，y)坐标，通过竖直平面拟合多项式可以确定电力线任意点的(x，z)坐标，通过对二者进行组合，即可确定电力线任意点在三维空间点的(x，y，z)坐标；

步骤S24：根据电线力学理论对于弧垂的定义，即可求得连续档档内每一档在垂直比载所在平面内的最大弧垂，分别记录为f_vm1,f_vm2，...，f_vmn-1。

步骤S3：根据步骤S2计算的连续档档内每一档在垂直比载平面内的最大弧垂，求解每一档电力线弧垂最低点水平应力，并考虑连续档各档之间的相互影响，计算每一档的权重系数，进而求取连续档弧垂最低点水平应力；

电力线一方面受到自重、冰重产生的垂直比载作用，另一方面还经常受到横向水平比载的作用。在综合比载作用下，使原来位于垂直平面内的电力线沿水平比载方向来回摆动。电力线点云数据的采集，往往都是在无冰、微风的气象条件下进行。因而，只需结合电力线的设计资料计算电力线垂直比载γ_v。之后，通过式(4)即可求得连续档档内每一档弧垂最低点水平应力：

在输电线路施工竣工时，连续档内悬垂绝缘子串一般处于铅锤位置，因而连续档档内各档弧垂最低点水平应力是相等的。但运行中气象条件的变化往往会造成连续档档内水平张力的变化，进而使连续档档内各档弧垂最低点水平应力发生变化。同时，由于数据采集以及电力线拟合的误差也会对连续档档内弧垂最低点水平应力的计算产生影响。因而本发明在计算连续档的弧垂最低点水平应力时，通过考虑连续档档内各档的权重，来降低各档之间的相互影响以及数据采集与拟合计算带来的误差。连续档各档权重系数计算公式如下：

通过式(5)即可求得连续档弧垂最低点水平应力σ：

步骤S4：根据步骤S3计算的连续档弧垂最低点水平应力，结合输电线路设计资料以及点云数据采集时的实时气象数据，通过对多个设计条件下计算的弧垂最低点水平应力进行对比，确定连续档所允许使用的弧垂最低点水平应力，进而计算连续档安全系数。

输电线路在进行设计时所考虑的设计条件通常有最高气温、最低气温、最大风、覆冰、平均气温等，每个设计条件均对应具体的气象参数(冰厚(mm)、风速(m/s)、温度(℃))，这将作为后续的气象计算条件，如图3中所示。

注：图3中的数值为某地区输电线路设计的计算气象条件，在进行计算时可通过设计资料查找到。

根据电线力学理论，电力线处在风速、温度等实时变化的自然环境中，其弧垂最低点水平应力时刻发生变化。可通过状态方程揭示从一种气象条件到另一种气象条件下电力线各参数之间的变化关系，如式(7)所示：

式中：σ₀₂、σ₀₁：分别为两种计算条件下架空线弧垂最低点处应力；γ′₂、γ′₁：分别为两种计算条件下架空线综合比载；t₂、t₁：分别为两种计算条件下架空线的温度；η₁、η₂：分别为两种计算条件下架空线风偏角；l_r、β_r：依次为连续档代表档距与代表高差角；α、E：依次为架空线的温度膨胀系数和弹性系数。

将电力线点云数据采集时的实时气象条件数据以及由步骤S3计算得到的该气象条件下的电力线弧垂最低点水平应力作为已知条件，并将图3中的各气象计算条件下电力线弧垂最低点水平应力作为未知条件，带入式(7)，即可求得各计算条件下电力线弧垂最低点水平应力。

然后判断各计算条件下电力线弧垂最低点水平应力的最大值，则该值即为连续档所允许使用的弧垂最低点水平应力，记为σ_max。此时，通过式(8)即可求得连续档的实际安全系数k：

式中：A与T_j分别为电力线截面积与计算拉断力，可通过查表得到；cof为新线系数可通过设计资料查到。

需要说明的是，本发明的流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种基于点云数据的输电线路连续档安全系数反算方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤S1：结合设计资料将经过点云分类后的架空输电线路通道点云数据按照连续档以及孤立档进行划分，并计算每档档距、高差及高差角；

步骤S2：利用基于正交多项式的最小二乘法在竖直平面以及水平平面对电力线点云数据进行拟合，并通过拟合后的电力线计算连续档档内每一档在垂直比载平面内的最大弧垂；

步骤S3：根据步骤S2计算的连续档档内每一档在垂直比载平面内的最大弧垂，求解每一档电力线弧垂最低点水平应力，并考虑连续档各档之间的相互影响，计算每一档的权重系数，进而求取连续档弧垂最低点水平应力；

步骤S4：根据步骤S3计算的连续档弧垂最低点水平应力，结合输电线路设计资料以及点云数据采集时的实时气象数据，通过对多个设计条件下计算的弧垂最低点水平应力进行对比，确定连续档所允许使用的弧垂最低点水平应力，进而计算连续档安全系数。

2.根据权利要求1所述的一种基于点云数据的输电线路连续档安全系数反算方法，其特征在于：所述步骤S1中，设某一连续档共有n个挂点A₁、A₂、……、A_n，其坐标依次为(x₁，y₁，z₁)、(x₂，y₂，z₂)、……、(x_n，y_n，z_n)；根据电线力学理论，同一档间的高度差简称为高差，两悬挂点间连续的水平距离称为档距，该连线与水平面的夹角称为高差角，依次表示为l_i、h_i、β_i，其对应计算公式如下所示：

h_i＝|z_i+1-z_i| (2)

式中，i＝1，2，...，n-1。

3.根据权利要求1所述的一种基于点云数据的输电线路连续档安全系数反算方法，其特征在于：所述步骤S2中，包括以下计算步骤：

步骤S21：提取电力线点云在竖直平面以及水平平面投影点坐标得到两组新的二维点集；

步骤S22：利用基于正交多项式的最小二乘法对这两组点集进行拟合，获得构成电力线拟合模型的两个二元多项式模型；

步骤S23：通过水平平面拟合多项式可以确定电力线任意点的(x，y)坐标，通过竖直平面拟合多项式可以确定电力线任意点的(x，z)坐标，通过对二者进行组合，即可确定电力线任意点在三维空间点的(x，y，z)坐标；

步骤S24：根据电线力学理论对于弧垂的定义，即可求得连续档档内每一档在垂直比载所在平面内的最大弧垂，分别记录为f_vm1，f_vm2，...，f_vmn-1。

4.根据权利要求3所述的一种基于点云数据的输电线路连续档安全系数反算方法，其特征在于：所述步骤S22中，拟合过程中多项式模型最高次数为2次。

5.根据权利要求1所述的一种基于点云数据的输电线路连续档安全系数反算方法，其特征在于：在计算连续档档内每一档弧垂最低点水平应力时，只需结合电力线的设计资料计算电力线垂直比载γ_v，通过下式(4)即可求得连续档档内每一档弧垂最低点水平应力：

6.根据权利要求1所述的一种基于点云数据的输电线路连续档安全系数反算方法，其特征在于：所述步骤S3中，在计算连续档的弧垂最低点水平应力时，通过考虑连续档档内各档的权重，来降低各档之间的相互影响以及数据采集与拟合计算带来的误差，连续档各档权重系数计算公式如下：

通过式(5)即可求得连续档弧垂最低点水平应力σ：

7.根据权利要求1所述的一种基于点云数据的输电线路连续档安全系数反算方法，其特征在于：所述步骤S4中，输电线路在进行设计时所考虑的气象计算条件包括最高气温、最低气温、最大风、覆冰和平均气温，每个设计条件均对应具体的气象参数。

8.根据权利要求7所述的一种基于点云数据的输电线路连续档安全系数反算方法，其特征在于：通过状态方程揭示从一种气象条件到另一种气象条件下电力线各参数之间的变化关系，如式(7)所示：

式中：σ₀₂、σ₀₁：分别为两种计算条件下架空线弧垂最低点处应力；γ₂、γ₁：分别为两种计算条件下架空线综合比载；t₂、t₁：分别为两种计算条件下架空线的温度；η₁、η₂：分别为两种计算条件下架空线风偏角；l_r、β_r：依次为连续档代表档距与代表高差角；α、E：依次为架空线的温度膨胀系数和弹性系数。

9.根据权利要求8所述的一种基于点云数据的输电线路连续档安全系数反算方法，其特征在于：将电力线点云数据采集时的实时气象条件数据以及由步骤S3计算得到的该气象条件下的电力线弧垂最低点水平应力作为已知条件，并将各气象计算条件下电力线弧垂最低点水平应力作为未知条件，带入式(7)，即可求得各计算条件下电力线弧垂最低点水平应力；

然后判断各计算条件下电力线弧垂最低点水平应力的最大值，则该值即为连续档所允许使用的弧垂最低点水平应力，记为σ_max，此时，通过式(8)即可求得连续档的实际安全系数k：

式中：A与T_j分别为电力线截面积与计算拉断力，可通过查表得到；cof为新线系数可通过设计资料查到。

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