一种三维架空电力线模型的构建方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种建立三维架空电力线模型的方法，所述方法在基于实际参数的基础上能自动生成符合实际情况的三维电力线路模型，所述方法包括计算杆塔的海拔高度、计算杆塔的转角、建立杆塔挂点相对于塔基原点的偏移量、计算挂点的实际三维坐标、计算样点处弧垂fx并通过悬链线方程拟合悬挂曲线的步骤。在本发明中只要求提供相邻杆塔的经纬度坐标、该区域的高程数据、该区段的气象条件参数、该耐张段的电力线材参数等即可自动生成基本符合实际情况的导线模型，对于后续基于三维GIS的电力行业空间分析提供极大方便。
【专利说明】一种三维架空电力线模型的构建方法及系统
【技术领域】:
[0001]本发明属于三维地理信息系统数据可视化领域，特别涉及一种三维电力线路模型构建方法和系统。
【背景技术】:
[0002]三维地理信息系统是在传统地理信息系统技术的基础上，以真实三维场景虚拟现实，具有直观、真实、可视和高效等特点，已在数字城市等领域得到广泛应用。与此同时，随着电网规模的不断扩大，电力公司所要管理的电力设备数据等信息成倍增长，针对这些日益增长的信息进行科学有效的管理成为电网管理者亟待解决的问题。故电力模型的高效可视化和有效管理成为三维地理信息系统的一项重要功能。因输电线路一般工作距离较长，覆盖范围广阔，涉及城市、乡村和野外，电力线路错综复杂需要灵活地管理方式。
[0003]目前已有的电力线路建模技术主要分为两类:电力线路模型的手动建模和电力线路模型的自动建模。手动建模方法首先根据实际需求用人工的方式通过建模软件建立杆塔模型、输电线路模型以及附属模型(如绝缘子等)，然后将建立好的模型叠加进三维地理信息系统实现可视化的效果，进而可以根据模型的位置叠加相关的业务信息。这类方法的流程较为简单，虽然实现了电力模型的可视化效果，但是其缺点显而易见主要体现在以下几个方面:
[0004]首先，人工建模成本较大，电力线路模型具有分布广泛的特点，建模是要考虑到地形等因素，对建模人员的技术要求较高；
[0005]其次，模型的重复利用能力较差，如果更换新的应用需要重新建模；
[0006]再次，灵活性差，不便于管理。三维电力地理信息系统的功能主要为电力线路模型的可视化和电力线路模型的管理，电力线路模型错综复杂随着时间的改变电力线路往往存在添加、修改和删除的实际管理需求，采用这种手动建模方式则需要返回建模阶段对模型进行修改，然后重新叠加到场景中。
[0007]目前的电力线路自动建模的方法，采用悬垂度方程生成电力线路。这种方式可实现输电线路的自动建模，但是这种方式要根据具体情况生成悬垂度方程，在不同虚拟地理场景中需要建立不同的悬垂方程，灵活性差，而且线路仿真度不高，悬垂度校正比较繁琐。
【发明内容】
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[0008]本发明为了解决现有技术的不足，特提出一种三维电力线路模型构建系统和方法，在提供一些实际参数的基础上，自动生成符合实际情况的三维电力线路模型。
[0009]本发明提供一种建立三维架空电力线模型的方法，所述方法在基于实际参数的基础上能自动生成符合实际情况的三维电力线路模型，所述方法包括以下步骤:
[0010]I)计算杆塔的海拔高度；
[0011]2)计算杆塔的转角；
[0012]3)建立杆塔挂点相对于塔基原点的偏移量；[0013]4)计算挂点的实际三维坐标；
[0014]5)计算样点处弧垂fx并通过悬链线方程拟合悬挂曲线。
[0015]本发明还提供一种建立三维架空电力线模型的系统，所述系统在基于实际参数的基础上能自动生成符合实际情况的三维电力线路模型，所述系统包括以下计算模块:
[0016]I)杆塔的海拔高度计算模块:用于计算杆塔的海拔高度；
[0017]2)杆塔的转角计算模块:用于计算杆塔的转角；
[0018]3)偏移量计算模块:建立杆塔挂点相对于塔基原点的偏移量；
[0019]4)挂点坐标计算模块:用于计算挂点的实际三维坐标；
[0020]5)悬挂曲线拟合计算模块:用于计算样点处弧垂fx并通过悬链线方程拟合悬挂曲线。
[0021]在本发明中只要求提供相邻杆塔的经纬度坐标、该区域的高程数据、该区段的气象条件参数、该耐张段的电力线材参数等即可自动生成基本符合实际情况的导线模型，对于后续基于三维GIS的电力行业空间分析提供极大方便。
【专利附图】
【附图说明】:
[0022]图1为本发明中杆塔转角示意图；
[0023]图2为本发明中杆塔转角转换图；
[0024]图3为本发明中塔挂点相对于塔基原点的偏移量的示意图；
[0025]图4为本发明中导线悬链线及坐标系；
[0026]图5为本发明中导线受力情况示意图；
[0027]图6为本发明的一个实际的三维电力线路模型图；
[0028]图7为本发明的另一个实际的三维电力线路模型图。
【具体实施方式】:
[0029]以下内容结合说明书附图对本发明的【具体实施方式】作详细说明:
[0030]一种基于实际情况参数的三维架空电力线模型的程序构建方法，包括以下四个步骤:
[0031]一、计算杆塔的海拔高度:
[0032]根据DEM地形高程数据和杆塔的经纬度坐标计算得到该杆塔的海拔高度:经纬度称为地理坐标系统，它是一种利用三度空间的球面来定义地球上的空间的球面坐标系统，能够标示地球上的任何一个位置，在确定研究范围之后，通过软件可以确定目标范围的中心经纬度或者经纬度范围。
[0033]一个栅格DEM是一个正方形或者像素个网格，每个正方形的方格长度表示该地理位置的高程。
[0034]一旦杆塔的经纬度确定，就能根据该地区的DEM得到该杆塔的海拔高度，本发明中可选择一个GIS工具gdal通过命令行完成。
[0035]二:计算杆塔的转角:
[0036]根据前后两个杆塔计算中间杆塔的转角Θ:
[0037]参见图1:X、Y是坐标轴，圆点A、B、C是杆塔的位置，K'是AB连线的延长线，Ty是线A' B与线BC的角平分线，Tx跟Ty垂直，矩形灰块表示杆塔B的朝向(Ty为杆塔的正面)。
[0038]参见图2，塔身转角Θ:在XY 二维平面坐标系中，以Tx正向相对于X轴负方向的转角作为塔身转角，顺时针方向为正，逆时针方向为负。在经纬网中，塔所在位置对应于O点，经线对应于X轴，纬线对应于Y轴。
[0039]根据图1，图2，若已知A、B、C三级杆塔的位置，以A为起始，则杆塔B的转角计算过程如下:
[0040]1)AB与X轴正向逆时针夹角广AB记为杆塔A至杆塔B的矢量方向，由此可根据ABC与X轴的位置得到Z AB及Z BC ;
[0041]2)Z Ty表示塔身正方向，其方向等于Z AB与Z BC的角平分线方向，其参考值为:Z Ty= ( Z AB+ Z BC) /2 ；
[0042]3) Z Tx表示塔身正左方，其方向等于:Z Tx= Z Ty±90，其中符号加减是为保证Ty与^同在杆塔正方向。即当Ty与記的夹角大于90°时，Z Tx= Z Ty_90 ;反之，Δ Tx= Δ Ty+90 ；
[0043]4)步骤3)计算所得角度为以X轴正方向开始逆时针的转角，转换为塔身的转角Θ，则利用以下公式:Θ =180- Z Tx。
[0044]三、建立杆塔挂点相对于塔基原点的偏移量
[0045]根据原始数据建立挂点相对于塔基原点的偏移量，原始数据由设计图纸提供，如图3所示，图中选中的挂点相对于塔基原点的偏移量就为offset_x=2.5，offset_y=l.0，offset_z=18,单位均为米。`
[0046]四、计算挂点的实际三维坐标:
[0047]在步骤一中根据杆塔的经纬度(二维地理坐标)和地形DEM数据得到每个杆塔的三维地理坐标(经纬度和高程)，其坐标系为Cl ；
[0048]在步骤三中根据设计图纸建立电力杆塔模型，根据设计图纸提供的数据建立挂点相对于塔基原点的偏移量，其坐标系为C2 ；
[0049]根据欧几里德空间仿射变换和大地测量学进行坐标变换，变换后挂点的三维地理坐标(经纬度和高程)其坐标系为C ；
[0050]则C=C1+C2 (这里的加号是向量代数中的加)
[0051]具体变换方程为(xyz为杆塔的塔基原点的三维地理坐标，X’、y’、z’为杆塔的每个挂点的三维地理坐标)
[0052]offset_x, offset_y, offset_z为挂点相对于塔基原点的偏移量,左手坐标系，Θ为杆塔转角
[0053]a=l./ (3600.0*30.887)表示I米在地球赤道圆周上的度数
[0054]b=a*cos(y)表示I米在地球相应纟韦度的度数
[0055]X1 =x+offset_x*b*cos(Θ)+offset_y*b*sin(Θ))
[0056]y1 =y+x*a*sin(θ)-offset_y*a*cos ( θ))
[0057]z' =z+offset_z
[0058]五、计算样点处弧垂fx并通过悬链线方程拟合悬挂曲线[0059]获得相邻两个挂线点A，B的三维地理坐标后，在连线AB上等间距取样点，分别计算样点处弧垂fx，从而得到每个样点对应电线上点的高程值，进而得到电线上此点的坐标，通过这些坐标最终得到电线上各样点，连接后近似为曲线。
[0060]样点处弧垂fx的计算方法比较复杂，先根据厂家提供的耐张段电力线的线材参数(截面积，计算拉断力，导线计算质量，导线计算直径，弹性系数，热膨胀系数)和根据电力线巡检记录获得该杆塔所在耐张段的气象条件(最大覆冰厚度，最大风速)，计算出全年平均运行应力TO和各种情况下的比载W，具体算法如下:
[0061]计算参数:截面积A，拉断力tp，导线计算质量G，导线计算直径d，弹性系数E，热膨胀系数a
[0062]瞬时破坏应力:
【权利要求】
1.一种建立三维架空电力线模型的方法，所述方法在基于实际参数的基础上能自动生成符合实际情况的三维电力线路模型，其特征在于，所述方法包括以下步骤: 1)计算杆塔的海拔高度； 2)计算杆塔的转角； 3)建立杆塔挂点相对于塔基原点的偏移量； 4)计算挂点的实际三维坐标； 5)计算样点处弧垂fx并通过悬链线方程拟合悬挂曲线。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述实际参数包括DEM地形高程数据、杆塔的经纬度、厂家提供的耐张段电力线的线材参数、电力线巡检记录获得该杆塔所在耐张段的气象条件。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤I)是根据DEM地形高程数据和杆塔的经纬度坐标得到该杆塔的海拔高度。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2)是根据前后两个杆塔计算中间杆塔的转角Θ:若已知A、B、C三级杆塔的位置，以A为起始，则杆塔B的转角计算过程如下: 1)AB与X轴正向逆时针夹角Z AB记为杆塔A至杆塔B的矢量方向AB ,由此可根据ABC与X轴的位置得到Z A B及Z BC ; 2)ZTy表示塔身正方向，其方向等于ZAB与ZBC的角平分线方向，其参考值为:Z Ty= ( Z AB+ Z BC) /2 ； 3)ZTx表示塔身正左方,其方向等于Tx= Z Ty±90,当Ty与記的夹角大于90°时，Z Tx= Z Ty-90 ;反之，Z Tx= Z Ty+90 ； 4)根据步骤3)计算所得角度为以X轴正方向开始逆时针的转角，利用以下公式:Θ =180- Z Tx转换为塔身的转角Θ。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3)是根据原始数据建立挂点相对于塔基原点的偏移量，原始数据由设计图纸提供。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤4)中设每个杆塔的三维地理坐标为Cl、根据设计图纸建立电力杆塔模型的坐标系为C2，则变换后挂点的三维地理坐标的坐标系为C，则C=CI+C2。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，设X、y、z为杆塔的塔基原点的三维地理坐标，X’、y’、z’为杆塔的每个挂点的三维地理坐标,offset_x, offset_y, offset_z为挂点相对于塔基原点的偏移量，Θ为杆塔转角，则:
X1 =x+offset_x氺b氺cos Θ+offset_y*b*sinΘ y' =y+x*a*sinΘ-offset_y*a*cosθ
z' =z+offset_z 其中a表示I米在地球赤道圆周上的度数，b表示I米在地球相应纬度的度数。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤5)具体是获得相邻两个挂线点A、B的三维地理坐标后，在连线AB上等间距取样点，分别计算样点处弧垂fx，从而得到每个样点对应电线上点的高程值，进而得到电线上此点的坐标，通过这些坐标最终得到电线上各样点，连接后近似为曲线。
9.一种建立三维架空电力线模型的系统，所述系统在基于实际参数的基础上能自动生成符合实际情况的三维电力线路模型，其特征在于，所述系统包括以下计算模块: 1)杆塔的海拔高度计算模块:用于计算杆塔的海拔高度； 2)杆塔的转角计算模块:用于计算杆塔的转角； 3)偏移量计算模块:建立杆塔挂点相对于塔基原点的偏移量； 4)挂点坐标计算模块:用于计算挂点的实际三维坐标； 5)悬挂曲线拟合计算模块:`用于计算样点处弧垂fx并通过悬链线方程拟合悬挂曲线。
【文档编号】G06F17/50GK103559360SQ201310565883
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年11月13日 优先权日:2013年11月13日
【发明者】沈龙, 徐云水, 陇辉, 李锐, 崔光鑫, 邱平, 郭盛琛, 谢俊, 付勇智, 张信波, 许禄云, 高庆虎, 兰雷 申请人:云南电网公司昭通供电局, 云南昶丰科技有限公司