基于激光扫描技术的智能电网优化设计研究

王新

（辽宁省交通规划设计院有限责任公司）

基于激光扫描技术的智能电网优化设计研究

王新

（辽宁省交通规划设计院有限责任公司）

通过采用三维激光扫描技术可以快捷完整地获取输电线路和变电站的高精度空间三维数据，进行三维智能电网建模研究，构建三维仿真模型，从而提高了电网优化设计的效率和科学性，实现全面、可视化、精准测量成果，为智能电网三维设计平台的构建提供了新方向。

机载激光雷达；三维激光扫描仪；线路设计；仿真模型；优势

1 引言

三维激光扫描系统是空间点阵扫描技术和激光无反射棱镜长距离快速测距技术的发展而产生的一项新测绘技术，它克服了传统测量技术的局限性，采用非接触主动测量方式直接获取高精度三维数据。经过一系列的后处理软件操作，可以精确而完整地测量出输电线路和变电站的设备数据，建立相应的三维仿真模型，使得测绘技术人员突破传统测量数据处理方法，进行新的数据挖掘和开发研究，满足了智能电网对可视化、仿真化、精细化等方面的需求。

三维激光扫描系统分为机载激光雷达和地面三维激光扫描仪，目前它在电网领域主要有两个方面应用：（1）基于机载激光雷达技术的架空输电线路优化设计；（2）基于三维激光扫描技术的变电站三维仿真模型建立。

2 基于机载激光雷达技术的架空输电线路优化设计

2.1 机载激光雷达系统组成

机载激光雷达是一种新型的主动获取地物三维空间坐标的测量技术。激光雷达系统集合了激光测距技术、GPS动态差分技术以及INS技术于一体，主要由激光测距系统、动态差分GPS、惯性测量装置IMU以及高分辨率CCD相机4部分组成［1］。激光测距系统用于探测激光信号发射点到地表激光点之间的距离，动态差分GPS用于确定激光发射点的空间位置，惯性测量装置IMU用于测定激光扫描装置的空间姿态信息，高分辨率CCD相机用于获取扫描区域的真彩色影像数据。它的平面精度可以达到0.15～1m，高程精度可达到0.1m，采集间隔可达到2～12m。

2.2 机载激光雷达测量原理

机载激光雷达系统的作业模式是通过重要组件的相互协同工作完成的，激光器发射离散的高重频激光脉冲使其打在地面上，并接收地面反射回来的回波信号，同时记录时间，由此可得到激光器与地面点的空间距离，再结合GPS及INS获取的扫描仪的空中位置及姿态信息，即可准确计算出每一个地面激光脚点的三维坐标。测量原理如下：若空间有一向量，其模为R，方向为（φ,ω,K），如能测出起点的坐标（XS，YS，ZS），则该向量的另一端点（X0，Y0，Z0）可以惟一确定，如公式（1）［2］所示：

其中，起点利用动态差分GPS确定，向量R的模利用测距仪测量，姿态（φ,ω,K）利用IMU测定。

2.3 线路优化设计应用

在电力线路优化设计中，应用机载激光雷达沿可研路径或初步设计路径方案，获取线路走廊范围（2～3km）GPS及IMU数据、激光测距数据、原始数码影像等。通过专业软件数据处理，可以得到三维激光点云数据、数字地面模型DEM、数字表面模型DSM、数字正射影像图DOM、数字线划图DLG、房屋分布图、断面图等。将所需成果数据加载到三维线路优化设计软件中，通过DEM和DOM的几何叠加得到高清的三维真实场景图，可以进行放大、缩小、漫游以及任意角度的浏览，能够进行线路路径优化设计，其优势及效益体现在以下方面。

1）激光雷达技术不受阴影和太阳高度角的影响，可以探测植被下面的真实地形，这是其他测量手段所无法达到的［3］。

2）激光雷达技术可以直接获取电力线路走廊范围的点云数据，在室内即可完成线路交叉跨越测量工作，减少了测量人员外业测绘的时间；借助DEM、DOM等数据，设计人员可以实时获取不同方向、不同宽度的断面图；通过实现直观可视的三维实景浏览，在断面提取以及杆塔排位工作中，可将环境、社会因素集成到该三维空间系统中，从而实现电力线路工程与环境、生态、社会发展的有机结合，协调好各方面的因素；便于线路设计人员优化线路路径，缩短了线路长度，合理配置杆塔排位；同时也可以有效避让居民区、林区、矿区等敏感地带，并精确评估待拆迁房屋结构及面积、树木砍伐量等，为线路的优化设计提供科学依据，降低工程的整体投资。

3）成果资料可为数字化线路提供基础数据，也可为线路后续的施工改造及运行维护提供快捷的服务。

3 基于三维激光扫描技术的变电站三维仿真模型建立

3.1 三维激光扫描系统的组成及原理

三维激光扫描系统由激光扫描仪、控制平台、数据处理平台及其他附件共同组成［4］。激光扫描仪本身主要包括激光测距系统和激光扫描系统，并且还集成了CCD和仪器内部控制和校正等系统。它将激光脉冲发射体发出的窄束激光脉冲依次扫射被测区域带，测距模块量测每个激光脉冲的空间距离S，并且扫描控制模块控制和量测每个脉冲激光的水平角α和天顶距θ，最后按空间极坐标原理计算出扫描的激光点在被测物体上的三维坐标［5］。计算公式如（2）所示：

3.2 变电站三维仿真模型的建立

随着老旧变电站的负荷及全寿命周期的限制，越来越多的老旧变电站面临扩建改造的问题。然而变电站不可能因为扩建改造测量而停止运行，所以采用传统的测量方法具有很大的危险性及其地物不完整性。通过利用三维激光扫描仪获取的空间点云数据（包括点云模型、地形图、三维参数化模型、剖面图等），可以建立变电站三维仿真模型，在三维环境下布置电气设备及导体、建（构）筑物等，其三维直观可视性将显著提升设计质量，为变电站的扩建改造提供准确的资料。

目前，新建变电站只是单纯的二维平面设计，在设计初期无法给工程投资方一个总体形象和立体效果。变电站三维仿真模型系统基于DEM、DOM、三维数据模型及其他GIS数据信息，结合三维可视化技术与虚拟现实技术，再现电力建设环境下的真实情况，把所有管理对象都置于一个真实的三维世界中，实现了通过网页形式在普通PC机平台上三维场景的实时漫游浏览。通过变电站三维仿真模型的建立，系统可以方便地在三维场景中直观展示室内、室外空间位置关系，环网柜、变压器、断路器、刀闸、母线等设备的组织关系，线路走向、微观结构，以及安全工器具、建筑物、道路、植物、消防设备等的三维模型，使管理者通过电脑就可以如临现场一样浏览整体厂区，掌握设备情况。实现了变电站资源、景观、安全、环境管理等社会资源的数字化、网络化及动态可视化，从而支持变电站的各项运营管理工作。

4 结束语

三维激光扫描技术可以获取丰富的空间三维数据，在架空送电线路优化设计、变电站仿真模型的建立等方面具有很大的应用优势，提高了智能电网设计的科学性和可靠性。相信在不久的将来，三维激光扫描系统必将成为测绘领域的主流技术，具有广阔的应用前景和巨大的市场空间。

［1］景钦刚．机载三维激光扫描系统在线路工程中的应用研究［J］．电力建设，2009(3)：35-37.

［2］李学友．IMU／DGPS辅助航空摄影测量综述［J］．测绘科学，2005(5)：22-27.

［3］ 阮羚，周平，姚尧．困难复杂地区输电防雷线塔数据机载LiDAR三维扫描获取［J］．测绘通报，2011，19（3）：37-39.

［4］江俊毅，常增亮,等．三维激光扫描系统在输电线路舞动治理工程中的应用［J］．测绘通报，2010，9（2）：67-68.

Research on Intelligent Grid Optimization Design Based on Laser Scanning Technology

WANG Xin

(Liaoning Transportation Planning and Design Institute Co.,Ltd.)

You can quickly complete access to the transmission line and the substation high precision 3D data by using 3D laser scanning technology, 3D modeling of smart grid construction, 3D simulation model, so as to improve the efficiency and scientificity of power grid optimization design, to achieve a comprehensive, accurate measurement and visualization results, provides a new direction for the construction of 3D design platform smart grid.

airborne LiDAR; 3D laser scanner; circuit design; simulation model; advantage