CN114036453A - 一种利用点云数据计算架空线路导地线受力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力系统输电专业力学计算与计算机测绘领域，具体涉及一种利用点云数据计算架空线路导地线受力的方法，实现该方法的具体步骤包括：步骤S1：转换架空线路导地线点云数据为二维坐标数据；步骤S2：对架空线路导地线二维坐标数据进行二次函数拟合；步骤S3：计算架空线路导地线弧垂最低点水平应力σ₀；步骤S4：计算架空线路导地线各项受力状态。该发明根据架空线路区域的各气象工况条件，以“导地线无接触”的安全方式，利用导地线点云数据计算架空线路导地线受力，为输电运维单位准确掌握架空线路导地线受力状态提供一种技术手段。

Description

一种利用点云数据计算架空线路导地线受力的方法

技术领域

本发明涉及电力系统输电专业力学计算与计算机测绘领域，特别是涉及一 种利用点云数据计算架空线路导地线受力的方法。

背景技术

输电架空线路是架设在地面之上、暴露在自然环境下的重要电网设备，因 工作条件差、易受环境影响的因素，需定期对其各部件进行巡视与检测。其中， 导地线的受力状态是重要检测内容。目前主要通过安装拉力传感器进行导地线 的受力测量，但在工作实践中仍然存在拉力传感器安装繁琐、拉力传感器自身 故障、覆冰季节测量误差增加等诸多问题，从而影响运维单位对导地线受力状 态的掌握能力，使电网安全运行存在一定程度的隐患。

随着近年来无人机技术与激光雷达技术的普及发展，越来越多的输电线路 运维单位采用无人机作业的方式对户外架空线路进行巡检，在大幅度提升巡检 效率的同时，也产生大量传感型数据，包括：机载相机产生的高清影像数据、 机载激光雷达产生的激光点云数据、多摄像头倾斜摄影产生的可见光点云数据 等。目前，各输电线路运维单位与技术研究单位对这些数据的应用，还是停留 在人眼辨识、数据展示与场景仿真的基础阶段，缺乏在输电专业力学计算层面 对这些数据进行深层次应用的研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用点云数据计算架空线路导地线受力的方法， 以解决上述背景技术中提出的问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种利用点云数据计算架空线路导地线受力的方法，其特征在于，该计算 方法的具体步骤如下：

步骤S1：转换架空线路导地线点云数据为二维坐标数据；

步骤S2：对架空线路导地线二维坐标数据进行二次函数拟合；

步骤S3：计算架空线路导地线弧垂最低点水平应力σ₀；

步骤S4：计算架空线路导地线各项受力状态。

所述步骤S1中，根据架空线路导地线在无(微)风自然环境下呈自由下垂、 且形成经过两端悬挂点的铅垂平面的力学特征，将导地线点云数据的三维坐标 数据(经纬度坐标或投影坐标)，转换为小号侧悬挂点为坐标原点的铅垂平面 的二维坐标数据。

所述步骤S2中，通过“最小二乘法”对导地线二维坐标数据的拟合，建立 导地线二次函数，得到导地线二次函数系数a、b、c，其二次多项式公式如下：

y＝ax²+bx+c

所述步骤S3计算导地线弧垂最低点水平应力时，具体步骤如下：

S31：导地线作为悬垂曲线的斜抛物线方程，如下：

式中：

表示导线两端悬挂点高差角，σ₀表示导地线弧垂最低点水平应力， g表示无(微)风条件下的导线比载，导线比载公式如下：

式中：G表示重力加速度，取值9.807，g1表示导线单位长重量，S表示导 线截面积；

S32：将S31步骤中的导地线斜抛物线方程与S2步骤中的导地线二次函数 的二次项a联立方程，即可计算出σ₀的值,具体方程式如下：

式中：σ₀表示导地线弧垂最低点水平应力；

所述步骤S4中，根据导线状态方程，计算导地线在各工况下的各受力状态 量，具体公式如下：

式中：t表示温度、g表示比载，E表示弹性模量、α表示热膨胀系数、l表 示导地线档距，当σ_n(即σ₀)确定，即可根据导地线的具体物理参数值，计算 工况(即：温度、比载)改变后的σ_m，从而计算出导地线的各项计算值，具体 公式如下：

S41计算架空线路导地线最大弧垂，具体公式如下：

式中：f_max表示架空线路导地线最大弧垂，单位为：米；

S42计算架空线路两基杆塔之间的导线长，具体公式如下：

式中：L表示架空线路两基杆塔之间的导线长，单位为：米；

S43计算架空线路杆塔小号侧悬挂点的应力，具体公式如下：

式中：σ_A表示架空线路杆塔小号侧悬挂点的应力，单位为：kN；

S44计算架空线路杆塔大号侧悬挂点的应力。具体公式如下：

式中：σ_B表示架空线路杆塔大号侧悬挂点的应力，单位为：kN；

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明通过对架空线路导地线点云数据进行生产采集、电脑处理,到编 程计算出最终结果，整个过程与架空线路导地线等电力设备没有任何接触，实 现了无安装无接触状态下测算导地线受力状态，相比传统测量手段(安装拉力 传感器)更经济，更安全。

2、本发明利用架空线路导地线点云数据的高精度、采样数据足够丰富的特 点，合理选用数学工具，有效降低测量过程的误差积累效应，保证计算结果的 高准确度。相比传统测量手段(安装拉力传感器)的单点采样机制，本发明的 计算结果容错性更强，误差更低，准确度更高。

3、本发明所使用的点云数据，通常是由无人机挂载激光雷达进行采集产生， 其受自然环境与气象环境影响较小，在非极端天气工况下都可执行作业，完成 数据采集与测算要求。相比传统测量手段(安装拉力传感器)易受低温影响的 特点，本发明可适用的技术条件要求更低，环境适应性更强。

4、通过本发明所计算出的架空线路导地线弧垂最低点水平应力σ₀，是输电 专业力学计算中最关键的一个参量。在σ₀可计算的条件下，输电运维单位可进 行多种专业扩展应用。如：根据夏季计算结果，可以预判在冬季覆冰时导地线 的抗冰厚程度，可以在冬季覆冰时再次测算出覆冰厚度等效值，可以根据每根 导地线的受力值计算出档内的受力均衡程度和是否产生扭距，等等。这些专业 层面的扩展应用，能为输电运维单位精确掌握导地线受力状况提供数据支撑， 最终为安全生产辅助决策过程提供科学依据。

附图说明

图1为本发明的计算方法流程图；

图2为本发明的计算方法效果图；

图3-1为本发明的覆冰厚度10mm时导线运行状态参数图；

图3-2为本发明的覆冰厚度43mm时导线运行状态参数图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清 楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是 全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造 性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种利用点云数据计算架空线路导地线受力的方法，所述计 算步骤如下：

步骤S1：转换架空线路导地线点云数据为二维坐标数据；

步骤S2：对架空线路导地线二维坐标数据进行二次函数拟合；

步骤S3：计算架空线路导地线弧垂最低点水平应力σ₀；

步骤S4：计算架空线路导地线各项受力状态。

其中步骤S1根据架空线路导地线在无(微)风自然环境下呈自由下垂、且 形成经过两端悬挂点的铅垂平面的力学特征，将导地线点云数据的三维坐标数 据(经纬度坐标或投影坐标)，转换为小号侧悬挂点为坐标原点的铅垂平面的 二维坐标数据。

根据步骤S1中，通过“最小二乘法”对导地线二维坐标数据的拟合，建立 导地线二次函数，得到导地线二次函数系数a、b、c，其二次多项式公式如下：

y＝ax²+bx+c

导地线作为悬垂曲线的斜抛物线方程，如下：

式中：

表示导线两端悬挂点高差角，σ₀表示导地线弧垂最低点水平应力， g表示无(微)风条件下的导线比载，导线比载公式如下：

式中：G表示重力加速度，取值9.807，g1表示导线单位长重量，S表示 导线截面积；

再将S31步骤中的导地线斜抛物线方程与S2步骤中的导地线二次函数的二 次项a联立方程，即可计算出σ₀的值,如下：

式中：σ₀表示导地线弧垂最低点水平应力；

最后，结合导线状态方程，计算导地线在各工况下的各受力状态量，具体 公式如下：

式中：t表示温度、g表示比载，E表示弹性模量、α表示热膨胀系数、l表 示导地线档距。当σ_n(即σ₀)确定，即可根据导地线的具体物理参数值，计算 工况(即：温度、比载)改变后的σ_m，从而计算出导地线各项计算值。例如：

1、计算架空线路导地线最大弧垂，具体公式如下：

式中：f_max表示架空线路导地线最大弧垂，单位为：米；

2、计算架空线路两基杆塔之间的导线长，具体公式如下：

式中：L表示架空线路两基杆塔之间的导线长，单位为：米；

3、计算架空线路杆塔小号侧悬挂点的应力，具体公式如下：

式中：σ_A表示架空线路杆塔小号侧悬挂点的应力，单位为：kN；

4、计算架空线路杆塔大号侧悬挂点的应力。具体公式如下：

式中：σ_B表示架空线路杆塔大号侧悬挂点的应力，单位为：kN；

下面是本发明的实际算例，结合算例说明一种利用点云数据计算架空线路 导地线受力的方法的具体实施方式。

实际算例一：以某电网运维单位管辖的沙某甲线30#塔的导线为测算对象， 采用无人机+激光雷达在户外温度为30℃时，对该塔段的地表区域进行扫描，生 成导线点云数据。将导线点云数据转换为小号侧悬挂点为坐标原点的铅垂平面 的二维坐标数据，对导线点二维坐标数据进行二次函数拟合，系数列表如下：

a	b	c
			0.0002603	-0.0867164	-1.078263

通过查询线路技术手册，获取该导线类型为JL/G1A-300/40-24/7钢芯铝绞 线，具体技术参数如下：

参数	数值	单位
			截面积(S)	338.99	mm<sup>2</sup>
单位长重量	1131.0	kg/km
			膨胀系数	19.6×10<sup>-6</sup>	1/℃
弹性模量	73.0	GPa

根据S32公式计算σ₀＝62.8349，并计算该工况下导线的各项力学计算项如 下表：

计算项	温度60℃	温度-5℃,覆冰20mm	单位
				导线水平应力(σ<sub>m</sub>)	40.891	62.835	N/mm<sup>2</sup>
无风比载	0.03272	0.05748	N/m.mm
				最大弧垂(fmax)	18.6815	11.941	m
导线长度(L)	434.276	433.002	m
				小号侧悬挂点拉力(Na)	13.9796	39.119	kN
大号侧悬挂点拉力(Nb)	14.0584	38.148	kN

由计算结果可以得知，当温度逐渐下降、导线出现覆冰时，导线两端悬挂 点所受拉力逐渐增大。计算结果与实际观察结果一致。

实际算例二：以某电网运维单位管辖的平某线6#塔的导线为测算对象，采 用无人机+激光雷达在户外温度为20℃时，对该塔段的地表区域进行扫描，生成 导线点云数据。将导线点云数据转换为小号侧悬挂点为坐标原点的铅垂平面的 二维坐标数据，对导线点二维坐标数据进行二次函数拟合，系数列表如下：

a	b	c
			0.000259	-0.161986	0.014826

通过查询线路技术手册，获取该导线类型为LGJ-300/40钢芯铝绞线，具体 技术参数如下：

参数	数值	单位
			截面积(S)	338.99	mm<sup>2</sup>
单位长重量	1131.0	kg/km
			膨胀系数	19.6×10<sup>-6</sup>	1/℃
弹性模量	73.0	GPa
			计算拉断力	92.22	kN

根据S32公式计算σ₀＝58.03。

在户外覆冰无风，气温-5℃，计算得到该工况下导线的各项力学计算项如 下表，具体计算参数如图3。

由计算结果可以得知，在户外低温条件下，导线覆冰厚度为10mm时，大小 号侧两端悬挂点所受拉力均为42kN，当导线覆冰越来越厚，两端悬挂点所受拉 力逐渐增大，到覆冰厚度达43mm时，大小号侧两端悬挂点所受拉力为95kN，大 于导线的计算拉断力92.22kN，导线将会因覆冰断线。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节， 而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现 本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非 限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落 在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权 利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (5)

1.一种利用点云数据计算架空线路导地线受力的方法，其特征在于，该识别方法的具体步骤如下：

步骤S1：转换架空线路导地线点云数据为二维坐标数据；

步骤S2：对架空线路导地线二维坐标数据进行二次函数拟合；

步骤S3：计算架空线路导地线弧垂最低点水平应力σ₀；

步骤S4：计算架空线路导地线各项受力状态。

2.根据权利要求1所述的一种利用点云数据计算架空线路导地线受力的方法，其特征在于，所述步骤S1中，根据架空线路导地线在无(微)风自然环境下呈自由下垂、且形成经过两端悬挂点的铅垂平面的力学特征，将导地线点云数据的三维坐标数据(经纬度坐标或投影坐标)，转换为小号侧悬挂点为坐标原点的铅垂平面的二维坐标数据。

3.根据权利要求1所述的一种利用点云数据计算架空线路导地线受力的方法，其特征在于，所述步骤S2中，通过“最小二乘法”对导地线二维坐标数据进行拟合，建立导地线二次函数，得到导地线二次函数系数a、b、c，其二次多项式公式如下：

y＝ax²+bx+c。

4.根据权利要求1所述的一种利用点云数据计算架空线路导地线受力的方法，其特征在于，所述步骤S3计算导地线弧垂最低点水平应力σ₀，具体步骤如下：

S31：导地线作为悬垂曲线的斜抛物线方程，如下：

式中：

表示导线两端悬挂点高差角，σ₀表示导地线弧垂最低点水平应力，g表示无(微)风条件下的导线比载，导线比载公式如下：

式中：G表示重力加速度，取值9.807，g1表示导线单位长重量，S表示导线截面积；

S32：将S31步骤中的导地线斜抛物线方程与S2步骤中的导地线二次函数的二次项a联立方程，即可计算出σ₀的值,具体方程式如下：

式中：σ₀表示导地线弧垂最低点水平应力。

5.根据权利要求2所述的一种利用点云数据计算架空线路导地线受力的方法，其特征在于，所述步骤S4中，根据导线状态方程，计算导地线在各工况下的各项受力状态量，具体公式如下：

式中：t表示温度、g表示比载，E表示弹性模量、α表示热膨胀系数、l表示导地线档距，当σ_n(即σ₀)确定，即可根据导地线的具体物理参数值，计算工况(即：温度、比载)改变后的σ_m，从而计算出导地线的各项受力值，具体公式如下：

S41计算架空线路导地线最大弧垂，具体公式如下：

式中：f_max表示架空线路导地线最大弧垂，单位为：米；

S42计算架空线路两基杆塔之间的导线长，具体公式如下：

式中：L表示架空线路两基杆塔之间的导线长，单位为：米；

S43计算架空线路杆塔小号侧悬挂点的应力，具体公式如下：

式中：σ_A表示架空线路杆塔小号侧悬挂点的应力，单位为：kN；S44计算架空线路杆塔大号侧悬挂点的应力。具体公式如下：

式中：σ_B表示架空线路杆塔大号侧悬挂点的应力，单位为：kN。

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