一种输电线路广域冰情监测方法
【专利摘要】本发明提供一种输电线路广域冰情监测方法，包括以下步骤：采用激光雷达设备采集覆冰导线的点云数据；确定覆冰导线点空间坐标和导线覆冰厚度；计算等效等值覆冰厚度。本发明提供的输电线路广域冰情监测方法利用激光雷达设备对覆冰导线位移形变和覆冰厚度进行测量，建立有限元模型，根据覆冰在导线上的实际分布计算得到导线的等效等值覆冰厚度，评估冰害程度。
【专利说明】一种输电线路广域冰情监测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种监测方法，具体涉及一种输电线路广域冰情监测方法。
【背景技术】
[0002] 线路覆冰，尤其是大面积覆冰是影响电网安全运行的关键因素之一。导线覆冰后， 挂点实际承受荷载增大；当覆冰厚度较大时，杆塔所受荷载超过设计值，易引发倒塔、断线 事故。目前主要通过人工巡线采取称重测量法观测导线覆冰厚度，进而换算至等值覆冰厚 度对线路覆冰风险进行评估，准确性不高。且在大范围雨雪冰冻灾害天气条件下，难以及时 对输电线路广域覆冰风险进行准确评估分析，进而采取针对性防治措施。
[0003] 目前，对线路覆冰的检测主要分为两大类：人工巡检和在线监测。早期，人工巡检 方法对保障线路安全起到了重大的作用，目前作为辅助手段仍保留此种方式。对于人工巡 检无法完成的区域，则一方面建立观冰站，通过模拟线路检测法来实现。然而在部分高压线 路分布的区域地形复杂、环境恶劣，给巡检工作带来了很大的困难。且巡检需要一定的周 期，属于定期的离线检测，对灾害的出现无法做到快速的反应。
[0004] 在线监测方法中，从覆冰检测原理及分析方法来说，可以分为图像法、称重法、导 线倾角-弧垂法。图像法是利用安装在塔杆等处的高性能摄像头拍摄导线上的覆冰情况， 通过图像处理技术，获取覆冰导线的尺寸特征，然后通过模型计算，最终得到等值覆冰厚 度。该方法简单易行，能够直观的检测到地形气候条件复杂地区的输电线路。但是摄像头 只能获取近距离的影像，采集的信息量有限，且摄像头有可能被冰雪覆盖，导致整个检测系 统瘫痪。称重法是利用拉力传感器测量一个档距内覆冰导线的质量，通过排除法，最终得到 覆冰的质量，再换算成覆冰的厚度。倾角-弧垂法将采集到的导线倾角、弧垂等参数，结合 输电线路状态方程、线路参数和气象环境参数，计算导线的覆冰重量和覆冰平均厚度。这种 方案计算出的覆冰厚度是档内平均值，无法反应覆冰具体分布情况，并在覆冰分布不均匀 的情况下，使用线路状态方程计算，误差较大。
[0005] 上述的三种方法虽然在现实工作中有所应用，但是都属于点监测方法，无法对大 面积雨雪冰冻灾害天气线路覆冰进行监测和风险评估。有鉴于此，有必要提供一种输电线 路广域冰情监测技术，在无人机飞行平台上搭载激光雷达设备，对导线覆冰分布进行测量， 并通过有限元软件计算等效等值覆冰厚度的方法，实现对输电线路广域冰情监测。
[0006] 激光雷达系统（LiDAR，Light Detection and Ranging)的基本工作原理：先通过 激光扫描仪发射出激光脉冲信号，经过反射棱镜把激光脉冲信号射向目标，然后再通过信 号接收机探测接收目标反射回来的信号，然后再把这些信号记录下来，最后转化成能被计 算机识别的数据，再将这些数据输入到计算机的存储系统中，利用相关软件实现扫描目标 的建模。激光雷达是无合作目标激光测距仪与角度测量系统组合的自动化快速测量系统， 在复杂的现场和空间对被测物体进行快速扫描测量，直接获得激光点所接触的物体表面的 水平方向、天顶距、斜距和反射强度，自动存储并计算，获得点云数据。点云数据经过计算机 处理后，可快速重构出导线各点的空间位置。
[0007] 申请号为200910097184. 7的发明专利提供一种架空输电线路导线覆冰实时监测 方法及系统，该方法包括如下步骤：1)将倾角-温度监测装置设置在各档线路导线上，用于 实时测量线路导线的悬挂点倾角和导线温度；2)将偏移角-风偏角监测装置设置在各悬垂 绝缘子串上，用于实时测量悬垂绝缘子串沿导线方向偏移角和垂直导线方向风偏角；通过 实时测量线路导线悬挂点倾角、导线温度和悬垂绝缘子串偏移角，实时计算线路导线覆冰 综合荷载和覆冰厚度。在实际工程应用中，该方法仅可对一个或少数覆冰位置进行监测，且 需要在线路上安装多个装置，会对线路运行造成影响。
【发明内容】
[0008] 为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种输电线路广域冰情监测方法，利 用激光雷达设备对覆冰导线位移形变和覆冰厚度进行测量，建立有限元模型，根据覆冰在 导线上的实际分布计算得到导线的等效等值覆冰厚度，评估冰害程度。
[0009] 为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：
[0010] 本发明提供一种输电线路广域冰情监测方法，所述方法包括以下步骤：
[0011] 步骤1 :采用激光雷达设备采集覆冰导线的点云数据；
[0012] 步骤2 :确定覆冰导线点空间坐标和导线覆冰厚度；
[0013] 步骤3 :计算等效等值覆冰厚度。
[0014] 所述步骤1中，激光雷达设备搭载在无人机上，无人机起飞后沿覆冰导线方向飞 行巡检，并使用激光雷达设备对覆冰导线进行扫描，获取其点云数据；所述点云数据包括空 间位置坐标、球面坐标、反射量和强度值。
[0015] 所述步骤2包括以下步骤：
[0016] 步骤2-1:提取目标点；
[0017] 步骤2-2 :确定覆冰导线点空间坐标；
[0018] 步骤2-3 :计算导线覆冰厚度。
[0019] 所述步骤2-1包括以下步骤：
[0020] 步骤2-1-1 :根据获取的点云数据，确定点云最低点，构成不规则三角网凸壳；
[0021] 步骤2-1-2 :根据点云数据的稀疏程度设置坡度阈值，并选取坡度阈值范围内的 扫描点形成覆冰目标初始表面；
[0022] 步骤2-1-3 :从覆冰目标初始表面的扫描点中选取种子点插值为不规则三角网， 并计算剩余扫描点与不规则三角网的高度差；
[0023] 步骤2-1-4:判断高度差是否在坡度阈值范围内，同时结合点云数据的稀疏程度 区分扫描点中的目标点和非目标点，所述目标点即为覆冰导线点。
[0024] 所述步骤2-2中，以杆塔为原点、以沿覆冰导线方向为X轴、垂直覆冰导线方向为 Y轴、垂直地面的方向为Z轴建立输电线路坐标系，将覆冰导线点的空间位置坐标从以激光 雷达设备所在位置为原点的设备坐标系转换到输电线路坐标系中，即可得到覆冰导线点的 空间坐标。
[0025] 所述步骤2-3中，在垂直覆冰导线方向建立椭圆方程，根据覆冰导线点的空间坐 标计算椭圆长短轴，使得中误差最小；椭圆截面为覆冰导线截面，椭圆中心为导线中心，长 轴与短轴差值的一半即为导线覆冰厚度。
[0026] 所述步骤3包括以下步骤：
[0027] 步骤3-1 :建立覆冰导线悬链线形式的有限元模型；
[0028] 步骤3-2 :计算单元的平均覆冰厚度；
[0029] 步骤3-3 :确定实际冰密度；
[0030] 步骤3-4 :确定等效等值覆冰厚度，实现输电线路广域冰情监测。
[0031] 所述有限元模型中，沿覆冰导线方向每隔0. lm?5.0m取为一个单元，将冰荷载施 加在单元上；同时计算覆冰导线两端张力N1和N2,且Nl > N2,张力为N1的导线端位置记 为A。
[0032] 所述步骤3-2中，按覆冰体积相等的原则，由确定的导线覆冰厚度计算单元的平 均覆冰厚度。
[0033] 所述步骤3-3包括以下步骤：
[0034] 步骤3-3-1 :设定冰密度初值，冰荷载施加在每个单元上，计算覆冰导线各点位 移；
[0035] 步骤3-3-2 :将计算出的覆冰导线各点位移与激光雷达设备扫描的各点位移相比 较，分为以下情况：
[0036] (1)当覆冰导线各点位移与激光雷达设备扫描的各点位移相等时，设定的冰密度 初值即为实际冰密度；
[0037] (2)当覆冰导线各点位移小于激光雷达设备扫描的各点位移时，增大冰密度，重新 计算覆冰导线各点位移，直至二者相等，即可得到实际冰密度；
[0038] (3)当覆冰导线各点位移大于激光雷达设备扫描的各点位移时，减小冰密度，重新 计算覆冰导线各点位移，直至二者相等，即可得到实际冰密度。
[0039] 所述步骤3-4包括以下步骤：
[0040] 步骤3-4-1 :根据确定的实际冰密度，假设覆冰导线上所有单元覆冰厚度相等，设 定覆冰厚度初值；
[0041] 步骤3-4-2:根据悬链方程计算导线端A的张力Ν'，将张力Ν'和张力N1相比较， 分为以下情况：
[0042] (1)若Ν' = Ν1，则此时覆冰厚度即为该覆冰导线的等效等值覆冰厚度；
[0043] (2)若Ν' > Ν1，则减小覆冰厚度，重新计算导线端Α的张力Ν'，直至Ν' = Ν1， 即可得到覆冰导线的等效等值覆冰厚度；
[0044] (3)若Ν' < Ν1，则增大覆冰厚度，重新计算导线端Α的张力Ν'，直至Ν' = Ν1， 即可得到覆冰导线的等效等值覆冰厚度。
[0045] 与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
[0046] 1.本发明通过无人机搭载激光雷达设备，可迅速对覆冰线路进行扫描，实现对大 面积冰情迅速监测；
[0047] 2.本发明可直接测量得到覆冰导线的形变位移、输电线路上覆冰厚度实际分布；
[0048] 3.本发明可计算得到覆冰导线的等效等值覆冰厚度，在简化工程计算的同时，提 高广域线路覆冰风险评估准确性。
【专利附图】
【附图说明】
[0049] 图1是输电线路广域冰情监测方法流程图。
【具体实施方式】
[0050] 下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
[0051] 如图1，本发明提供一种输电线路广域冰情监测方法，所述方法包括以下步骤：
[0052] 步骤1 :采用激光雷达设备采集覆冰导线的点云数据；
[0053] 步骤2 :确定覆冰导线点空间坐标和导线覆冰厚度；
[0054] 步骤3 :计算等效等值覆冰厚度。
[0055] 所述步骤1中，激光雷达设备搭载在无人机上，无人机起飞后沿覆冰导线方向飞 行巡检，并使用激光雷达设备对覆冰导线进行扫描，获取其点云数据；所述点云数据包括空 间位置坐标、球面坐标、反射量和强度值。
[0056] 所述步骤2包括以下步骤：
[0057] 步骤2-1 :提取目标点；
[0058] 步骤2-2 :确定覆冰导线点空间坐标；
[0059] 步骤2-3 :计算导线覆冰厚度。
[0060] 所述步骤2-1包括以下步骤：
[0061] 步骤2-1-1 :根据获取的点云数据，确定点云最低点，构成不规则三角网凸壳；
[0062] 步骤2-1-2 :根据点云数据的稀疏程度设置坡度阈值，并选取坡度阈值范围内的 扫描点形成覆冰目标初始表面；
[0063] 步骤2-1-3 :从覆冰目标初始表面的扫描点中选取种子点插值为不规则三角网， 并计算剩余扫描点与不规则三角网的高度差；
[0064] 步骤2-1-4:判断高度差是否在坡度阈值范围内，同时结合点云数据的稀疏程度 区分扫描点中的目标点和非目标点，所述目标点即为覆冰导线点。
[0065] 所述步骤2-2中，以杆塔为原点、以沿覆冰导线方向为X轴、垂直覆冰导线方向为 Y轴、垂直地面的方向为Z轴建立输电线路坐标系，将覆冰导线点的空间位置坐标从以激光 雷达设备所在位置为原点的设备坐标系转换到输电线路坐标系中，即可得到覆冰导线点的 空间坐标。
[0066] 所述步骤2-3中，在垂直覆冰导线方向建立椭圆方程，根据覆冰导线点的空间坐 标计算椭圆长短轴，使得中误差最小；椭圆截面为覆冰导线截面，椭圆中心为导线中心，长 轴与短轴差值的一半即为导线覆冰厚度。
[0067] 所述步骤3包括以下步骤：
[0068] 步骤3-1 :建立覆冰导线悬链线形式的有限元模型；
[0069] 步骤3-2 :计算单元的平均覆冰厚度；
[0070] 步骤3-3 :确定实际冰密度；
[0071] 步骤3-4 :确定等效等值覆冰厚度，实现输电线路广域冰情监测。
[0072] 所述有限元模型中，沿覆冰导线方向每隔0. lm?5.0m取为一个单元，将冰荷载施 加在单元上；同时计算覆冰导线两端张力N1和N2,且Nl > N2,张力为N1的导线端位置记 为A。
[0073] 所述步骤3-2中，按覆冰体积相等的原则，由确定的导线覆冰厚度计算单元的平 均覆冰厚度。
[0074] 所述步骤3-3包括以下步骤：
[0075] 步骤3-3-1 :设定冰密度初值，冰荷载施加在每个单元上，计算覆冰导线各点位 移；
[0076] 步骤3-3-2 :将计算出的覆冰导线各点位移与激光雷达设备扫描的各点位移相比 较，分为以下情况：
[0077] (1)当覆冰导线各点位移与激光雷达设备扫描的各点位移相等时，设定的冰密度 初值即为实际冰密度；
[0078] (2)当覆冰导线各点位移小于激光雷达设备扫描的各点位移时，增大冰密度，重新 计算覆冰导线各点位移，直至二者相等，即可得到实际冰密度；
[0079] (3)当覆冰导线各点位移大于激光雷达设备扫描的各点位移时，减小冰密度，重新 计算覆冰导线各点位移，直至二者相等，即可得到实际冰密度。
[0080] 所述步骤3-4包括以下步骤：
[0081] 步骤3-4-1 :根据确定的实际冰密度，假设覆冰导线上所有单元覆冰厚度相等，设 定覆冰厚度初值；
[0082] 步骤3-4-2:根据悬链方程计算导线端A的张力Ν'，将张力Ν'和张力N1相比较， 分为以下情况：
[0083] (1)若Ν' = Ν1，则此时覆冰厚度即为该覆冰导线的等效等值覆冰厚度；
[0084] (2)若Ν' > Ν1，则减小覆冰厚度，重新计算导线端Α的张力Ν'，直至Ν' = Ν1， 即可得到覆冰导线的等效等值覆冰厚度；
[0085] (3)若Ν' < Ν1，则增大覆冰厚度，重新计算导线端Α的张力Ν'，直至Ν' = Ν1， 即可得到覆冰导线的等效等值覆冰厚度。
[0086] 最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所 属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的【具体实施方式】进行修改或者 等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发 明的权利要求保护范围之内。
【权利要求】
1. 一种输电线路广域冰情监测方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤： 步骤1 :采用激光雷达设备采集覆冰导线的点云数据； 步骤2 :确定覆冰导线点空间坐标和导线覆冰厚度； 步骤3 :计算等效等值覆冰厚度。
2. 根据权利要求1所述的输电线路广域冰情监测方法，其特征在于：所述步骤1中，激 光雷达设备搭载在无人机上，无人机起飞后沿覆冰导线方向飞行巡检，并使用激光雷达设 备对覆冰导线进行扫描，获取其点云数据；所述点云数据包括空间位置坐标、球面坐标、反 射量和强度值。
3. 根据权利要求1所述的输电线路广域冰情监测方法，其特征在于：所述步骤2包括 以下步骤： 步骤2-1 :提取目标点； 步骤2-2 :确定覆冰导线点空间坐标； 步骤2-3:计算导线覆冰厚度。
4. 根据权利要求3所述的输电线路广域冰情监测方法，其特征在于：所述步骤2-1包 括以下步骤： 步骤2-1-1 :根据获取的点云数据，确定点云最低点，构成不规则三角网凸壳； 步骤2-1-2 :根据点云数据的稀疏程度设置坡度阈值，并选取坡度阈值范围内的扫描 点形成覆冰目标初始表面； 步骤2-1-3:从覆冰目标初始表面的扫描点中选取种子点插值为不规则三角网，并计 算剩余扫描点与不规则三角网的高度差； 步骤2-1-4 :判断高度差是否在坡度阈值范围内，同时结合点云数据的稀疏程度区分 扫描点中的目标点和非目标点，所述目标点即为覆冰导线点。
5. 根据权利要求4所述的输电线路广域冰情监测方法，其特征在于：所述步骤2-2中， 以杆塔为原点、以沿覆冰导线方向为X轴、垂直覆冰导线方向为Y轴、垂直地面的方向为Z 轴建立输电线路坐标系，将覆冰导线点的空间位置坐标从以激光雷达设备所在位置为原点 的设备坐标系转换到输电线路坐标系中，即可得到覆冰导线点的空间坐标。
6. 根据权利要求1所述的输电线路广域冰情监测方法，其特征在于：所述步骤2-3中， 在垂直覆冰导线方向建立椭圆方程，根据覆冰导线点的空间坐标计算椭圆长短轴，使得中 误差最小；椭圆截面为覆冰导线截面，椭圆中心为导线中心，长轴与短轴差值的一半即为导 线覆冰厚度。
7. 根据权利要求1所述的输电线路广域冰情监测方法，其特征在于：所述步骤3包括 以下步骤： 步骤3-1 :建立覆冰导线悬链线形式的有限元模型； 步骤3-2 :计算单元的平均覆冰厚度； 步骤3-3 :确定实际冰密度； 步骤3-4 :确定等效等值覆冰厚度，实现输电线路广域冰情监测。
8. 根据权利要求7所述的输电线路广域冰情监测方法，其特征在于：所述有限元模型 中，沿覆冰导线方向每隔〇. lm?5. Om取为一个单元，将冰荷载施加在单元上；同时计算覆 冰导线两端张力N1和N2,且Nl > N2,张力为N1的导线端位置记为A。
9. 根据权利要求7所述的输电线路广域冰情监测方法，其特征在于：所述步骤3-2中， 按覆冰体积相等的原则，由确定的导线覆冰厚度计算单元的平均覆冰厚度。
10. 根据权利要求7所述的输电线路广域冰情监测方法，其特征在于：所述步骤3-3包 括以下步骤： 步骤3-3-1 :设定冰密度初值，冰荷载施加在每个单元上，计算覆冰导线各点位移； 步骤3-3-2 :将计算出的覆冰导线各点位移与激光雷达设备扫描的各点位移相比较， 分为以下情况： (1) 当覆冰导线各点位移与激光雷达设备扫描的各点位移相等时，设定的冰密度初值 即为实际冰密度； (2) 当覆冰导线各点位移小于激光雷达设备扫描的各点位移时，增大冰密度，重新计算 覆冰导线各点位移，直至二者相等，即可得到实际冰密度； (3) 当覆冰导线各点位移大于激光雷达设备扫描的各点位移时，减小冰密度，重新计算 覆冰导线各点位移，直至二者相等，即可得到实际冰密度。
11. 根据权利要求8所述的输电线路广域冰情监测方法，其特征在于：所述步骤3-4包 括以下步骤： 步骤3-4-1 :根据确定的实际冰密度，假设覆冰导线上所有单元覆冰厚度相等，设定覆 冰厚度初值； 步骤3-4-2:根据悬链方程计算导线端A的张力Ν'，将张力Ν'和张力N1相比较，分 为以下情况： (1) 若Ν' = N1，则此时覆冰厚度即为该覆冰导线的等效等值覆冰厚度； (2) 若Ν' >N1，则减小覆冰厚度，重新计算导线端A的张力Ν'，直至Ν' =N1，即可 得到覆冰导线的等效等值覆冰厚度； (3) 若Ν' <N1，则增大覆冰厚度，重新计算导线端A的张力Ν'，直至Ν' =N1，即可 得到覆冰导线的等效等值覆冰厚度。
【文档编号】G01S17/88GK104122560SQ201410328447
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年7月11日 优先权日:2014年7月11日
【发明者】邵瑰玮, 付晶, 陈怡 , 曾云飞, 蔡焕青, 文志科, 胡霁, 闵绚 申请人:国家电网公司, 中国电力科学研究院