变电站工程软导线装配三维仿真测控系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种变电站工程中软导线的测控技术，特别是一种变电站工程软导线装配三维仿真测控系统，采用无棱镜式全站仪加三维立体模拟仿真模型系统，以完成软导线坐标测量与计算机模拟电缆整体三维空间效果，进而高效安全完成导线实地安装。采用的全站仪进行非接触式测量，对变电工程软导线下料长度的数学模型进行研究和验证，并通过计算机设计导线三维空间布局安装效果图。技术效果在于：1、在变电站架空导线及引下线安装中使用，提高施工效率；2、改扩建工程中减少停电时间及降低施工中高空作业风险；3、提高软导线安装的精确性，观感达到施工质量优质；4、良好的人机对话界面，操作简单方便；5、通用性强，多种材质多种规格软导线适用。
【专利说明】变电站工程软导线装配三维仿真测控系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种变电站工程中软导线的测控技术，特别是一种变电站工程软导线装配三维仿真测控系统。
【背景技术】
[0002]随着变电架空线向高压迅速发展和环保的要求，变电站结构越来越复杂，电塔在软导线架设中普遍应用。电塔高度高、结构根开大以及电塔斜率大，变电站中横担高、线路多，给软导线测量、架设与施工带来质量误差、效率低下与安全隐患。
[0003]在导线施工中，软导线安装的步骤有:测量、计算、放样压接、架线安装。在改扩建工程中，软导线的档距测量必须在相邻设备或者主导线停电后，使用钢卷尺等硬尺寸工具进行实地测量，并经过现场计算后得出实际需要的软导线长度。关于软导线长度的计算，由于涉及参数多，计算过程复杂，计算时间长，工作效率低，同时还会带来许多人为的误差。这种安装流程增加了施工人员多次上下塔架高空作业的危险性，同时严重浪费大量的停电时间，造成电网经济损失。例如，2011年，在宁德500kV变电站核电间隔扩建工程软导线安装中，需要更换2档高空导线及安装6档高空导线。停电施工需要10个阶段，每个阶段都必须有设备停役时间按在8天以上。2012年，在东台500kV变电站福清核电间隔扩建工程软导线安装中，需要更换4档高空导线及安装6档高空导线。停电施工需要9个阶段，每个阶段都必须有设备停役时间按在6天以上，有些甚至需要停电10天。诸如此类的事情，造成经济损失的情况下，还严重影响电网的运行安全，并增加了施工中安全风险的管控难度。
[0004]伴随着计算机软件和硬件技术的快速发展，计算机图形学也得到了质的发展并在各个行业中广泛应用。电力行业中，如输电线连接设计大多是基于AutoCAD的二维平面制图，500kV变电站设备多，结构复杂，整个变电站的设计施工图大多也是由基于AutoCAD的十几张二维平面图纸组成。这些图纸画面粗糙、制图时间久、且可设置性差。输电线电塔连接和变电站建设缺乏预先观察设计效果，往往会造成设计失误、细节忽略、延长工期等后果O
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于根据现有技术的不足之处而提供一种能够在安装前预先模拟导线安装效果，使得施工过程简化、工作效率高、避免人为误差，减少停电时间，确保导线精确安装的变电站工程软导线装配三维仿真测控系统。
[0006]本发明的目的是通过以下途径来实现的:
[0007]变电站工程软导线装配三维仿真测控系统，其要点在于，包括如下组成:
[0008]提供全站仪，其能够测量角度、坐标、距离，对测量数据进行自动记录、储存、计算和通讯；固定好全站仪并调整好全站仪本身的坐标系，全站仪为坐标系原点，测量单相或者三相的每根软导线的两个悬挂点的空间坐标值，绝缘子金具串长、导线的档距以及高差，并保存在全站仪的数据存储空间中；[0009]提供参数输入设置模块，将标准参数以及全站仪所测量的参数传送给该参数输入设置模块，所述标准参数包括软导线在内的与软导线架设连接的变电站设备的标准参数，例如耐张串、间隔棒、绝缘子、软导线、气象区等标准输入参数；测量参数为绝缘子金具串长，分为左边和右边长度，
[0010]对软导线下料长度进行建模，建模步骤如下:
[0011]I)利用导线在各状态下的荷重、支点反力、剪力、力矩以及荷重因数的计算获得导线在各状态时的水平应力、水平张力和导线的弧垂:
[0012]On2(On-A)=Cn
[0013]其中Cn= ξ DnCos2 Y , A= σ m- ξ Dm/ σ m2- a E (tn~tm) cos y ；
[0014]σ m，Dffl和tm分别为在已知条件m时的导线应力，导线荷重因数和导线温度；σ n、Dn和、分别在待求条件m时的导线应力、导线荷重因数和导线温度；α为导线的温度线膨胀系数，E为导线材料的弹性系数；ξ为导线材料的弹性模量，€=(Ec0SY)/(21d S2)，S为导线截面；Y为悬挂点连线与水平线间的夹角；
[0015]2)先假定最大弧垂fmax发生在某一状态，用牛顿迭代法求出此状态的水平拉力H，求出应力σ ;
[0016] [0017]3)然后由步骤2)的结果作为已知条件，求解另一状态时的σ，进而求出H，最后得到弧垂f的数学模型；
[0018]4)若解得其他状态的弧垂均小于fmax，则假定正确。否则重新假定fmax发生在另一状态，跳到步骤(2)，并且进行一样的计算，直至假定正确；从而获得导线的控制状态；
[0019]5)根据导线的控制状态获得施工条件下的弧垂，并由该弧垂获得下料长度的数学模型；
[0020]对获得的下料长度的数学模型进行如下校验:
[0021]A通过全站仪对现场实际的导线在某一档距下的弧垂进行测量，并提取该实际测量导线的下料长度；
[0022]B以全站仪所测量的数据，以及实际测量导线上的各设备标准数据通过上述步骤
5)获得的下料长度数学模型进行计算，比较计算获得的下料长度值和实际测量导线的下料长度值，获得模型误差；
[0023]C根据误差对下料长度的数学模型进行改进，并获得最终的弧垂和下料长度的数学模型；
[0024]根据校验后的下料长度数学模型计算获得最终的施工用下料长度；
[0025]提供变电站仿真系统，导入变电站的场景模型和设备模型，以及变电站标准数据，并根据导线形态数学模型以及连接方式模型将最终获得的施工用下料长度的软导线，以装配三维模拟图的形式进行生成和显示。
[0026]本发明采用的全站仪进行非接触式测量，对变电工程软导线下料长度的数学模型进行研究和验证，并通过计算机设计导线三维空间布局安装效果图，为输变电工程改扩建工程提供快速有效的评估方案，能大大简化施工过程，改进安装工艺，提高工作效率和施工安全性，能够在安装前预先模拟导线安装效果，避免人为误差，减少停电时间，确保导线精确安装。本发明所述变电站工程软导线装配三维仿真测控系统整体造型简单轻便实用，单人可以使用，操作简单，使用方便。从根本上改善了传统的软导线安装模式，大大提高了安装效率，适用于多电压等级多类型软导线设备安装。
[0027]本发明可以进一步具体为:
[0028]全站仪包括有测角部分、补偿部分、测距部分、中央处理器、输入/输出模块、电源和数据通信单元；其中测角部分、补偿部分和测距部分分别与中央处理器连接，中央处理器则通过输入/输出模块与数据通信单元连接。
[0029]除此之外还有显示屏和键盘，均与输入/输出模块连接。中央处理器根据用户的输入指令，确定各种测量方式，自行计算并并对数据进行处理；测角部分为电子经纬仪，主要用来测定水平和竖直角度；测距部分为光电测距仪，用于测量两个目标间的距离；补偿部分主要功能是针对仪器垂直轴倾斜引起的水平、垂直角度测量误差而进行自动补偿改正；输入输出由键盘、双向数据通讯接口和显示屏组成，键盘实现参数的设置、模式的选择，双向数据通讯接口实现全站仪和计算机之间的数据通讯，显示屏直观的显示操作界面及数据显示；电源是全站仪最重要的部件之一，电池的好坏、电量的多少决定了现场测量的时间，尤其对于免棱镜全站仪耗电量大的特点，电源的质量对工程测量具有非常大的影响。
[0030]全站仪优选免棱镜全站仪，免棱镜全站仪作业灵活，实施速度快，可以在短短几分钟内完成测量，保证测量精度的同时避免了繁琐的计算。免棱镜全站仪在危险或者特殊地方测量中体现了明显的优越性，解决了普通全站仪难以解决的问题，减轻工作人员的作业危险性和劳动强度，大大缩短工期。
[0031]全站仪中有多种测量方式，如对角测量、直接坐标测量等，软导线下料长度计算软件设计了两种测量数据计算方式，当采用对角测量方式，可以直接获得档距相对长度与高差，用于计算单相软导线下料长度，并单相软导线装配三维仿真模拟图；当采用直接坐标测量方式时，同时读入三相软导线坐标，共6个X，y，z坐标。
[0032]参数输入设置模块由以下部分组成:
[0033]( I)全站仪测量数据读取及显示；
[0034](2)耐张串线夹型号选取，显示数量、质量和吃线长度；
[0035](3)间隔棒型号选取,显示数量及质量；
[0036](4)绝缘子串型号选取，显示绝缘子片数及片重；
[0037](5)导线型号选取，显示截面积、单位质量、直径、拉断力等；
[0038](6)气象区选取,显不冰厚、最大风速、最闻温度等；
[0039](7)控制状态判定表，显示相应的温度、单位荷重等；
[0040](8)输入参数区，包括期望弧垂、左右绝缘子金具串长度等。若点击“默认值”按钮，输入参数区里面的相关数据会默认赋给常用的值，用户可以直接修改相关参数，方便计算；
[0041](9)输出参数区，包括线长、水平张力、弧垂等；
[0042](10)线长计算示意图帮助理解；
[0043](11)线长计算结果显示及保存；
[0044](12)三维模拟仿真，显示单项导线详细的布局效果。
[0045]所述的导线形态数学模型具体为:[0046]导线两端的悬挂点坐标分别为A (Xl，yi，Zl)和B (x2，y2，z2)，则两点间的档距
【权利要求】
1.变电站工程软导线装配三维仿真测控系统，其要点在于，包括如下组成: 提供全站仪，其能够测量角度、坐标、距离，对测量数据进行自动记录、储存、计算和通讯；固定好全站仪并调整好全站仪本身的坐标系，全站仪为坐标系原点，测量单相或者三相的每根软导线的两个悬挂点的空间坐标值，绝缘子金具串长、导线的档距以及高差，并保存在全站仪的数据存储空间中； 提供参数输入设置模块，将标准参数以及全站仪所测量的参数传送给该参数输入设置模块，所述标准参数包括软导线在内的与软导线架设连接的变电站设备的标准参数，例如耐张串、间隔棒、绝缘子、软导线、气象区等标准输入参数；测量参数为绝缘子金具串长，分为左边和右边长度， 对软导线下料长度进行建模，建模步骤如下: 1)利用导线在各状态下的荷重、支点反力、剪力、力矩以及荷重因数的计算获得导线在各状态时的水平应力、水平张力和导线的弧垂:
°n2(° n-A) =Cn
其中 Cn= ξ DnCOS2 Y , A= O m- ξ Dm/ O m2- α E (tn~tm) cos Y ； σ m，Dffl和tm分别为在已知条件m时的导线应力，导线荷重因数和导线温度；σ n、Dn和、分别在待求条件m时的导线应力、导线荷重因数和导线温度；α为导线的温度线膨胀系数，E为导线材料的弹性系数；ξ为导线材料的弹性模量，€=(Ec0SY)/(21d S2)，S为导线截面；Y为悬挂点连线与水平线间的夹角； 2)先假定最大弧垂fmax发生在某一状态，用牛顿迭代法求出此状态的水平拉力H，求出应力σ ;`fH J —--Cr =— HS 3)然后由步骤2)的结果作为已知条件，求解另一状态时的σ，进而求出H，最后得到弧垂f的数学模型； 4)若解得其他状态的弧垂均小于fmax，则假定正确。否则重新假定fmax发生在另一状态，跳到步骤(2)，并且进行一样的计算，直至假定正确；从而获得导线的控制状态； 5)根据导线的控制状态获得施工条件下的弧垂，并由该弧垂获得下料长度的数学模型； 对获得的下料长度的数学模型进行如下校验: A通过全站仪对现场实际的导线在某一档距下的弧垂进行测量，并提取该实际测量导线的下料长度； B以全站仪所测量的数据，以及实际测量导线上的各设备标准数据通过上述步骤5)获得的下料长度数学模型进行计算，比较计算获得的下料长度值和实际测量导线的下料长度值，获得模型误差； C根据误差对下料长度的数学模型进行改进，并获得最终的弧垂和下料长度的数学模型； 根据校验后的下料长度数学模型计算获得最终的施工用下料长度； 提供变电站仿真系统，导入变电站的场景模型和设备模型，以及变电站标准数据，并根据导线形态数学模型以及连接方式模型将最终获得的施工用下料长度的软导线，以装配三维模拟图的形式进行生成和显示。
2.根据权利要求1所述的变电站工程软导线装配三维仿真测控系统，其特征在于，全站仪包括有测角部分、补偿部分、测距部分、中央处理器、输入/输出模块、电源和数据通信单元；其中测角部分、补偿部分和测距部分分别与中央处理器连接，中央处理器则通过输入/输出模块与数据通信单元连接。
3.根据权利要求1所述的变电站工程软导线装配三维仿真测控系统，其特征在于，所述的导线形态模型具体为:导线两端的悬挂点坐标分别为A (Xl，Y1, Z1)和B (x2, y2, Z2),则两点间的档距
4.根据权利要求1所述的变电站工程软导线装配三维仿真测控系统，其特征在于，所述连接方式模型具体为: 第一层线路连接:第一层母线管为东西向的，母线管双联悬垂串一端接第一层横担，另一端与母线管进行连接，然后母线管与前、后排单元中最外层的HGIS接线柱相连，设置母线管的相序和HGIS相序，保持三相一致地连接； 第二层线路连接:第二层导线是南北向的，单联悬垂串一端与第二层的横担相连，另一端与导线和前、后排单元中最里层的HGIS接线柱相连；第二层导线相序与HGIS相序一致，由HGIS相序设定来控制； 第三层线路连接:第三层导线是东西向的；单联悬垂串一端接第三层横担，另一端接导线，当相邻串的横担层数为3或4层时，横担两边的绝缘子串的另一端接跳线接到横担下的V型双联悬垂串，否则无跳线，第三层和第二层的三相导线可设置是否连接，并根据相序的情况保证三相一致； 完成连接后，将三维仿真模拟全景进行全角度的输出。
5.根据权利要求4所述的变电站工程软导线装配三维仿真测控系统，其特征在于，当横担具有第四层时，还包括第四层线路连接:第四层导线是南北向的，单联悬垂串一端接第四层横担，另一端接导线，当横担为四层时，单联悬垂串与导线连接处通过跳线接到横担下的V型双联悬垂串，再接到另一排第二层的的单联悬垂串与导线连接处；第四层和第三层的三相导线进行连接，并根据相序的情况保证三相一致；第四层导线的相序与HGIS相序一致，也由HGIS相序的设定来控制。
6.根据权利要求4所述的变电站工程软导线装配三维仿真测控系统，其特征在于，变电站仿真系统中，具有设计参数模块，其具体包括如下7个参数设置模块:1)地面参数设置:地面的长和宽；2)各线路单元参数设置:各线路的长及前、后排宽；3)变电站横担参数设定:横担各层高度和母线管高度；4)软导线相间距设定:每层横担上各线路相间距设置；5) HGIS参数设置:HGIS相间距、排间距、接线柱高度；6)相序及连接方式设置:相序排列、引下线连接方式的选择；7)线路单元`设置:包括串名、层数、2层和3层是否连接设置。
【文档编号】G05B17/02GK103676667SQ201310646835
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年12月4日 优先权日:2013年12月4日
【发明者】林冶, 洪卫东, 严仲武, 黄明祥, 刘贝力, 肖仙富, 郑燕敏, 潘强灵 申请人:国家电网公司, 国网福建省电力有限公司, 福建省送变电工程有限公司