CN117589069A - 基于数据分析及激光雷达的输电线路运检方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于输电线路检测特定计算模型的技术领域，更具体地，涉及一种基于数据分析及激光雷达的输电线路运检方法。所述方法包括：构建坐标系，基于激光雷达获取输电导线上的任意两点，并基于坐标系确定两点的坐标值，基于这两点的坐标值计算输电导线任意一点的物理坐标高度，以计算输电导线最大弧垂处的弧垂值，在多轮监测中，获取当前监测日期与历史监测日期在相同时间段内输电导线最大弧垂处的弧垂变化量，并与预设阈值进行比较：若在覆冰易发季同时间段，该弧垂变化量超过预设阈值，则判定输电导线覆冰。本发明解决了现有技术中采用在导线上安装传感器的方式所存在的设备成本高、安装难度大等问题。
Description
技术领域
本发明属于输电线路检测特定计算模型的技术领域，更具体地，涉及一种基于数据分析及激光雷达的输电线路运检方法。
背景技术
随着社会对用电质量要求逐步提高，以及人力成本的增加，对输电运检的智能化水平和实时性有了更高的要求，其中输电运检工作中的通道安全及线路运行工况是重点关注项。针对输电通道安全，基于通道监拍设备的管控手段已在广泛应用。而对导线运行工况的监测，弧垂变化和覆冰分析均为其中重点关注项，目前的常用技术手段是在导线加装传感器，但该方法存在设备成本价格高，难以批量应用，另外需要带电安装，具备作业资质的人员稀缺、工单审批难度大、安装施工成本高、安全风险高等诸多问题。
中国专利文献CN116428992A公开一种基于激光点云输电线覆冰厚度检测与融冰防灾方法及系统，其利用输电线的空间维度特征快速、准确地识别输电线，并采用基于密度聚类的方法够准确的提取单根覆冰输电线，并根据曲线方程计算弧垂值和无风工况下的覆冰厚度，为输电线的运行状态与覆冰险情检测、防止识别不同类冰害事故的发生和输电线路结冰状况检测、监测与预警快速提供技术参考。但是该方法所涉及的操作及算法较为复杂，且应用成本高，不利于推广应用。
中国专利文献CN113324489A公开一种基于导线弧垂变化精确测量的等值覆冰厚度监测方法，通过在覆冰地区选择拟监测的输电线路的一个档距段，采集杆塔呼称高、线路档距和地形特征原始数据，获得导线覆冰在线监测的位置信息和基础信息；在杆塔塔身上安装激光跟踪装置，在导线弧垂最低点安装激光捕获反射装置，采集导线的最低弧垂；建立包含所选择输电线路所在地形位置在各种天气条件下弧垂变化的线路状态方程，得到以地面基点和杆塔塔身激光发射点为参考位置的弧垂变化曲线；建立监测线段弧垂变化与冰厚关系的数学模型；根据弧垂变化与等值覆冰厚度的关系，得到等值覆冰厚度值。该方法是在导线弧垂最低点安装激光捕获反射装置，并与杆塔上的激光跟踪装置相呼应，当导线覆冰厚度过厚时可能会影响两者之间的信号收发，进而影响监测的准确度。
基于此，如何提供一种高效、低成本、易用的方式实现对输电线路导线运行工况进行监测，包括导线弧垂监测、覆冰分析等是目前本领域技术人员亟待解决的问题之一。
发明内容
本发明旨在克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种基于数据分析及激光雷达的输电线路运检方法，用于在进行输电智能运检导线运行工况监测时，可以准确获知导线弧垂变化、以及及时发现弧垂异常、导线覆冰等隐患，为运检人员提供可靠的数据支撑，以便对相关隐患及时处置。
本发明详细的技术方案如下：
一种基于数据分析及激光雷达的输电线路运检方法，所述方法包括：
步骤S1、基于输电导线以及所述输电导线的挂载杆塔构建坐标系；
步骤S2、基于激光雷达获取所述输电导线上的任意两点，并基于所述坐标系确定所述任意两点的坐标值；
步骤S3、基于所述输电导线任意两点的坐标值计算所述输电导线任意一点的物理坐标高度，并基于所述输电导线任意一点的物理坐标高度计算输电导线任意一点的弧垂值；
步骤S4、确定所述输电导线的最大弧垂处，并计算所述输电导线最大弧垂处的弧垂值；
步骤S5、在多轮监测中，获取当前监测日期与历史监测日期在相同时间段内输电导线最大弧垂处的弧垂变化量，并将所述弧垂变化量与预设阈值进行比较：若在覆冰易发季同时间段，所述弧垂变化量超过所述预设阈值，则判定所述输电导线覆冰。
根据本发明优选的，所述步骤S1中，基于输电导线以及所述输电导线的挂载杆塔构建坐标系，具体包括：
以输电导线挂载点较低一端的杆塔塔基作为原点，并以该挂载点所在杆塔构建/>轴，以输电导线在水平面上的投影构建/>轴，构建/>坐标系。
根据本发明优选的，所述步骤S1还包括：基于输电导线以及所述输电导线的挂载杆塔构建平面ɑ，所述平面ɑ即为对应的输电导线所在的平面。
根据本发明优选的，所述步骤S2中，所述激光雷达通过云台安装于挂载输电导线任意一端的杆塔上，且所述激光雷达位于所述平面ɑ的一侧、安装高度位于输电导线的挂载点与其最大弧垂点之间，以使所述激光雷达发射出的激光信号采集到输电导线上的任意两点。
根据本发明优选的，所述步骤S3中，基于所述输电导线任意两点的坐标值计算所述输电导线任意一点的物理坐标高度为：
（1）；
式（1）中，表示输电导线上任意一点的横坐标，/>表示输电导线上任意一点的纵坐标，即输电导线上任意一点的物理坐标高度，/>、/>表示输电导线上任意两点的坐标值，/>表示输电导线挂载点较低的一端的物理坐标高度。
根据本发明优选的，所述步骤S3中，基于所述输电导线任意一点的物理坐标高度计算输电导线任意一点的弧垂值为：
（2）；
式（2）中，为输电导线挂载点较低的一端的物理坐标高度，/>为输电导线另一端挂载点的物理坐标高度，/>为挂载输电导线两端的相邻两级杆塔之间的档距。
根据本发明优选的，所述步骤S4中，所述输电导线的最大弧垂处为处，所述确定输电导线的最大弧垂处，并计算所述输电导线最大弧垂处的弧垂值，即：
（3）。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
（1）本发明提供的一种基于数据分析及激光雷达的输电线路运检方法，利用单点激光雷达获取输电导线上的任意两点，然后基于两点的坐标值计算输电导线任意一点的物理坐标高度，进而计算出输电导线任意一点的弧垂值，然后基于该方式计算出输电导线最大弧垂处的弧垂值，并将相近监测日期在相同时间段内输电导线最大弧垂处的弧垂变化量与预设阈值进行比较，以此分析输电导线是否覆冰，具有高效、低成本、易应用等优点。
（2）本发明的方法相较于人工巡检，能大幅减轻人力成本，提高监测实时性。
（3）本发明的方法相较于在导线加装传感器，成本减少至少一个数量级，不仅更为经济，而且避开了传感器带电安装所产生的安全风险、施工困难等问题。
附图说明
图1是本发明本发明所述基于数据分析及激光雷达的输电线路运检方法的流程图。
图2是本发明实施例1中激光雷达扫描输电导线的侧视示意图。
图3是本发明实施例1中激光雷达扫描输电导线的俯视示意图。
图4是本发明实施例1中输电导线弧垂监测的示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本公开做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
术语解释：
导线弧垂，是指在平坦地面上，相邻两基电杆上导线悬挂高度相同或不同时，导线最低点与两悬挂点间连线的垂直距离。一般地，当输电距离较远时，由于导线自重，会形成轻微的弧垂。
导线覆冰：是指云中、雾中或空气中的水分在0℃或更低时与输电线路导线表面碰撞并冻结的现象。
以下结合具体实施例对本发明的基于数据分析及激光雷达的输电线路运检方法作进一步说明。
实施例1、
参图1，本实施例提供一种基于数据分析及激光雷达的输电线路运检方法，所述方法包括：
步骤S1、基于输电导线以及所述输电导线的挂载杆塔构建坐标系。
本实施例中，输电导线的两端分别挂载于相邻的两级杆塔上，可以设为输电导线一端的挂载点的物理坐标高度为，输电导线另一端的挂载点的物理坐标高度为/>，用于挂载输电导线两端的相邻两级杆塔之间的档距为/>。
一般情况下，输电导线两端的挂载点之间会存在一个高度差，此处可以默认为输电导线挂载点较低的一端的物理坐标高度，/>为输电导线另一端挂载点的物理坐标高度。上述杆塔数据为杆塔建设施工数据，可直接获得，也可通过现场测量的方式获取更准确的数据。
参照图4，为便于建模，本实施例中可以以输电导线挂载点较低一端的杆塔塔基作为原点，并以该挂载点所在杆塔（设为杆塔A）构建/>轴（杆塔A顶端延伸方向为/>轴正方向），以输电导线在水平面上的投影构建/>轴（输电导线另一端的延伸方向为/>轴正方向），构建坐标系。
应当理解，在实际应用场景中，两级杆塔之间可以挂载有多相输电导线，上述的坐标系是基于单相输电导线所构建的一个平面坐标系，因此，可以理解对应各单相输电导线均存在一个/>坐标系。
进一步地，本实施例中还可以基于输电导线以及所述输电导线的挂载杆塔构建平面ɑ，该平面ɑ即为对应的输电导线所在的平面。
步骤S2、基于激光雷达获取所述输电导线上的任意两点，并基于所述坐标系确定所述任意两点的坐标值。
本实施例中优选采用单点激光雷达获取输电导线上的任意两点，且该单点激光雷达通过云台安装于挂载输电导线任意一端的杆塔上。为了确保该单点激光雷达能够获取到输电导线上的两点，调整单点激光雷达的安装位置，即该单点激光雷达可以安装在输电导线所在的平面ɑ的左侧或右侧，且安装高度位于输电导线的挂载点与其最大弧垂点之间。
进一步地，参照图3，本实施例中所安装的云台可以设置为仅能在其左右方向上转动，以带动单点激光雷达转动进而对输电导线进行扫描采点，且该单点激光雷达的扫描范围构成一个扇形平面β，扇形平面β与平面ɑ相交，最终使得单点激光雷达发射出的激光信号在时刻可以采集到输电导线上的任意两个点。
参照图2，最后结合所构建的坐标系，从而可以得到这两个点的坐标值，可分别设为/>、/>。
此处应当理解，上述的单点激光雷达的安装位置、安装高度、扫描方向等都可以根据实际使用需求进行调整。
步骤S3、基于所述输电导线任意两点的坐标值计算所述输电导线任意一点的物理坐标高度，并基于所述输电导线任意一点的物理坐标高度计算输电导线任意一点的弧垂值。
具体地，输电导线符合抛物线模型，因此本实施例中基于不等高抛物线模型，利用单点激光雷达在时刻采集输电导线上的任意两个点，即点/>和点/>，然后根据抛物线的方程式/>，将点/>和点/>代入抛物线方程，可以得出，，/>，/>。
然后将上式代入抛物线方程中，计算出输电导线任意一点的物理坐标高度为：
（1）；
式中，/>表示输电导线上任意一点的横坐标，/>表示输电导线上任意一点的纵坐标，即输电导线上任意一点的物理坐标高度，/>、/>表示输电导线上任意两点的坐标值，/>表示输电导线挂载点较低的一端的物理坐标高度。
然后根据输电导线任意一点的物理坐标高度、输电导线两端挂载点的物理坐标高度以及相邻两级杆塔之间的档距，计算输电导线任意一点的弧垂值为：
（2）；
式中，/>为输电导线挂载点较低的一端的物理坐标高度，/>为输电导线另一端挂载点的物理坐标高度，/>为挂载输电导线两端的相邻两级杆塔之间的档距。
步骤S4、确定所述输电导线的最大弧垂处，并计算所述输电导线最大弧垂处的弧垂值。
本实施例中，采用以下方式来确定输电导线的最大弧垂处：已知输电导线的函数为，连接输电导线两端挂载点的直线函数为/>，两函数均经过坐标点/>、/>，即、/>、/>，故有/>，/>，其中，/>表示输电导线上的任意点坐标，/>表示连接输电导线两端挂载点的直线上的任意点坐标，、/>均为项系数。
基于输电导线的函数以及连接输电导线两端挂载点的直线函数/>可以推导出输电导线的弧垂公式，即为：/>又由可得，/>，代入可得简化后的导线弧垂公式为：，然后通过对简化后的导线弧垂公式/>求导可得：/>，令，可得/>时输电导线弧垂最大。即输电导线的最大弧垂处为/>处。
因此，可以得到输电导线的最大弧垂处的弧垂值为：
（3）。
步骤S5、在多轮监测中，获取当前监测日期与历史监测日期在相同时间段内输电导线最大弧垂处的弧垂变化量，并将所述弧垂变化量与预设阈值进行比较：若在覆冰易发季同时间段，所述弧垂变化量超过所述预设阈值，则判定所述输电导线覆冰。
应当理解，所述的历史监测日期是指在当前监测日期以前进行监测的日期。进一步地，本实施例中优选采用与当前监测日期相近的历史监测日期的监测数据，用于对导线弧垂进行分析。例如，当前监测日期为2022.6.21日，那么在对输电导线进行弧垂分析时，优先选择2022.6.20日、2022.6.19日、2022.6.18日等日期的监测数据。
选择与当前监测日期相近的历史监测日期的监测数据，目的在于，可以跟踪弧垂连续变化，能分析出气象对弧垂的影响，气象虽然短期有突变性，但以分钟级观测其变化具有连续性。
而选择相同时间段监测结果分析是为抵消负荷对弧垂变化的影响，负荷产热是影响弧垂变化的因素之一，每天不同时间段负荷不同，相近日期在同一时间段负荷接近。例如当前监测日期为2022.6.21 13:30，那么历史监测日期的相同时间段即可以是2022.6.2013:30、2022.6.19 13:30、2022.6.18 13:30等。
具体地，继续参图4，图4中，L1和L2分别用于表示同一输电导线在不同监测日期下对应的状态，其中L2的弧垂度明显大于L1的弧垂度，可以理解L1与L2之间的弧垂差值即为弧垂变化量，然后将该弧垂变化量与预设阈值进行比较，以此来分析输电导线是否覆冰。
本实施例中的预设阈值为1m。即在相近监测日期相同时间段内输电导线最大弧垂处的弧垂变化量大于1m时，即判定输电导线覆冰。应当理解，不同地区、不同电压等级下的阈值不同，具体可以根据实际运行情况进行微调。
以下以某220kV线路为例对本实施例的方法进行验证说明。某220kV线路存在大档距杆塔且部分区段容易覆冰，为保障输电线路安全稳定运行，需要对大档距导线弧垂进行监测。其中一个档距两级杆塔导线挂载点的物理坐标高度分别为25m、27m，即25m，27m，两级杆塔档距为290m，即/>。在该点使用本实施例所公开的方法进行弧垂监测。
监测日期2022.6.21 13:30，采集到该区间下相导线上的两个点数据，根据本实施例中所构建的坐标系，经转换为本实施例所公开数学模型坐标系后，其坐标点为(28.51,24.20)、(261.49,25.80)。
然后将上述数据代入公式中，计算输电导线最大弧垂处的弧垂值，即有：
。
即得到输电导线最大弧垂处的弧垂值为2.81m。经与其他监测方式（如基于传感器的监测方式）及现场实际测量对比，测量差异在2%以内，结果精确，可以看出，本实施例的方法能够达到准确监测导线弧垂的效果，且更稳定、成本更低。
仍以上述的大档距杆塔继续监测，监测日期2023.1.14 05:00，采集到该区间下相导线上的两个点数据，根据本实施例中所构建的坐标系，经转换为本实施例所公开数学模型坐标系后，其坐标点为(28.86,24.20)、(261.14,25.80)；然后根据公式/>计算输电导线最大弧垂处的弧垂值为2.79m。相较2023.1.13 05:00所采集数据(53.57,24.37)、(236.43,25.63)计算的弧垂值1.66m有了明显增加，初步判断为输电导线发生了覆冰。通过杆塔上安装的图像监拍设备，于2023.1.14 08:00-09:00多次图像采集人工确认，发现导线、地线均发生了覆冰。
综上可知，基于本实施例的方法对输电导线进行弧垂监测以及覆冰分析，均取得了非常好的效果，提升了智能运检水平；该方法相较人工巡检，能大幅减轻人力成本，提高监测实时性；同时解决了现有技术中采用在导线上安装传感器的方式所存在的设备成本高、安装难度大等问题。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明技术方案所作的举例，而并非是对本发明的具体实施方式的限定。凡在本发明权利要求书的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于数据分析及激光雷达的输电线路运检方法，其特征在于，所述方法包括：
S1：基于输电导线以及所述输电导线的挂载杆塔构建坐标系；
S2：基于激光雷达获取所述输电导线上的任意两点，并基于所述坐标系确定所述任意两点的坐标值；
S3：基于所述输电导线任意两点的坐标值计算所述输电导线任意一点的物理坐标高度，并基于所述输电导线任意一点的物理坐标高度计算输电导线任意一点的弧垂值；
S4：确定所述输电导线的最大弧垂处，并计算所述输电导线最大弧垂处的弧垂值；
S5：在多轮监测中，获取当前监测日期与历史监测日期在相同时间段内输电导线最大弧垂处的弧垂变化量，并将所述弧垂变化量与预设阈值进行比较：若在覆冰易发季同时间段，所述弧垂变化量超过所述预设阈值，则判定所述输电导线覆冰。
2.根据权利要求1所述的基于数据分析及激光雷达的输电线路运检方法，其特征在于，所述步骤S1中，基于输电导线以及所述输电导线的挂载杆塔构建坐标系，具体包括：
以输电导线挂载点较低一端的杆塔塔基作为原点，并以该挂载点所在杆塔构建/>轴，以输电导线在水平面上的投影构建/>轴，构建/>坐标系。
3.根据权利要求1所述的基于数据分析及激光雷达的输电线路运检方法，其特征在于，所述步骤S1还包括：基于输电导线以及所述输电导线的挂载杆塔构建平面ɑ，所述平面ɑ即为对应的输电导线所在的平面。
4.根据权利要求3所述的基于数据分析及激光雷达的输电线路运检方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述激光雷达通过云台安装于挂载输电导线任意一端的杆塔上，且所述激光雷达位于所述平面ɑ的一侧、安装高度位于输电导线的挂载点与其最大弧垂点之间，以使所述激光雷达发射出的激光信号采集到输电导线上的任意两点。
5.根据权利要求1所述的基于数据分析及激光雷达的输电线路运检方法，其特征在于，所述步骤S3中，基于所述输电导线任意两点的坐标值计算所述输电导线任意一点的物理坐标高度为：
（1）；
式中，/>表示输电导线上任意一点的横坐标，/>表示输电导线上任意一点的纵坐标，即输电导线上任意一点的物理坐标高度，/>、/>表示输电导线上任意两点的坐标值，/>表示输电导线挂载点较低的一端的物理坐标高度。
6.根据权利要求5所述的基于数据分析及激光雷达的输电线路运检方法，其特征在于，所述步骤S3中，基于所述输电导线任意一点的物理坐标高度计算输电导线任意一点的弧垂值为：
（2）；
式中，/>为输电导线挂载点较低的一端的物理坐标高度，/>为输电导线另一端挂载点的物理坐标高度，/>为挂载输电导线两端的相邻两级杆塔之间的档距。
7.根据权利要求6所述的基于数据分析及激光雷达的输电线路运检方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述输电导线的最大弧垂处为处，计算所述输电导线最大弧垂处的弧垂值为：
（3）。
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