数字化三维模型的架空输电线路设计

杨紫旺

益阳电力勘测设计院有限公司 湖南益阳 413000

随着技术水平的快速提升，数字化设计方式已经应用到了各个行业当中，对于电力行业来说也要加快数字化技术的应用来提升自身的发展速度。特别是2019年国家电网提出了“两网”的目标，更是需要加强数字化技术的应用来推动行业发展。架空输电线路是电力系统中最为重要的组成部分之一，在其设计过程中可以利用数字化三维模型对其设计进行模拟仿真，从而提升架空输电线路设计的效率和准确性。本文主要对架空输电线路实施数字化三维设计，先对输电线路模型各组成部分进行分析，之后对于工程案例的架空输电线路实施BIM技术建模，最后对于所建三维模型和实际测量结果进行对比分析，充分体现出数字化三维设计的优势所在，对于数字化技术的进一步推广具有重要参考作用。

1 架空输电线路三维模型的分析

经过多年的发展，以BIM技术为基础的数字化设计模式有了较大发展，特别是在建筑领域应用非常广泛。相对于建筑领域来说，电网设计实施数字化设计方面还处于初期阶段，还缺少较为系统的三维模型方法以及标准。本文针对目前架空输电线路基本情况简述其三维模型情况。

1.1 导地线模型

从目前来看，架空输电线路最为常用的为铝包钢或者钢芯铝绞线，其横截面主要为多个圆形通过不同的包裹方式形成。从设计情况来看，在输电线路设计过程中最为关注的就是导地线空间姿态、通道内地面、交叉跨越距离等等。在三维模型建设时，如果严格按照实体来对导地线进行建模，会大大提升模型的数据量，从而增加系统运行负担，所以实际三维设计过程中更多的是按照导线外径进行整体建模，可以充分体现出导线端点、弧垂等方面信息，具体截面情况如图1所示。

图1 导地线截面示意图

1.2 绝缘子串

绝缘子串主要包括绝缘子、金具等部分，其主要用来对杆塔以及导线进行连接。在进行输电线路设计过程中，每个设计阶段的重点所有差异，其中初期设计更多注重的是绝缘子串自身空间姿态以及对导地线模型空间姿态的影响等等；施工图设计阶段不但要关注如上两方面内容，同时也要准确统计出整个线路中全部的绝缘子、金具的用量。所以在绝缘子串建模时也要按照不同的实际需求来设定不同的精度等级[1]。

1.3 杆塔模型

对于架空输电线路来说，其最主要的杆塔主要有桁架塔、钢管杆、钢筋混凝土杆等等，由于铁塔具有应用便利、成本低等优势得到了最为广泛的应用。铁塔在实际使用中要充分考虑到电气、结构等专业性要求，所以对其建模时也要充分考虑此两方面内容，其中电气专业更加关注的是杆塔挂线点位置、塔脚根开、主材等内容，结构专业更加关注的是铁塔杆件位置、材质和规格等等。

总的来说铁塔主要是通过多个不同尺寸的杆件连接形成的，将其转化为几何模型就是通过不同属性的线段所组成。从具体工程情况来看，铁塔的每个杆件都是利用插接、节点板、法兰等实施连接，但是在实际设计过程中无法特别注意节点连接方式。由于铁塔杆件相对较多，所以在符合工程设计基本要求的前提下最大程度减少铁塔模型的复杂性。

1.4 基础模型

此部分属于输电线路的隐蔽工程，三维模型中所显示的绝大多数都埋入到地下，因此在模型建设时无需考虑基础自身内部结构，可以将其进行简化。在三维模型设计过程中只要明确基础外形尺寸及其和铁塔连接部分的结构即可。一般情况下基础模型外轮廓相对规则，主要是圆柱体、立方体等类型，所以利用常用基础类型并提取关键几何参数就能够描述基础外轮廓。对于基础和铁塔的连接部分来说，常常采取地脚螺栓和铁塔塔脚进行连接，但无需特别关注基础内的情况，因此在进行模型建设时只要利用一组参数描述每个地脚螺栓位置、规格以及材质就行。

2 架空输电线路数字化三维设计案例分析

本文主要通过智能航测系统实施航空摄影测量，在采集到所建输电线路走廊影像数据的基础上进行实景三维模型的制作，并且将其输入到三维设计平台当中。由于无人机航测系统具有续航时间长、飞行成本低、较高数据分辨率以及机动灵活等特点被广泛应用在数据采集方面，已经成为了现代航空摄影测量的重要方式。

2.1 具体工程概况

某拟建220kV架空输电线路处在丘陵区域，线路长度40公里，线路曲折系数1.20，全线单回路架设。导线采用2×JL/G1A-400/35钢芯铝绞线，两根地线采用OPGW光缆。设计气象条件为基本风速27m/s、覆冰10mm。海拔高度为200m～1000m，地形比例为平丘70%，一般山区30%。沿线电力线路、铁路、林区等交叉跨越物较多。

2.2 无人机航测系统

本文所应用的为D1000智能航测系统，此系统是建立在旋翼无人机基础上所建立的智能航测系统，其具有正射、条带、倾斜、环绕、全景等不同作业模式，可以实现自动飞行控制。其中无人机管家专业软件能够实现较大比例尺的精度应用，具有空三解算、控制点测量、一键成图等功能。

2.3 航线设计情况

对于该输电线路工程来说，为了能够覆盖到线路所涉及到的走廊区域，可以设计为多边形测区。通过对该区域测量能够得到其平均高程为295m。按照航测标准要求可知，在航摄比例尺≥1:7000的情况下测区范围内的地形高差≤1/6相对航高。

2.4 架空输电线路走廊实景建模

可以通过航空影像技术进行数据源的采集，通过利用三维网格优化算法、影像匹配彩色点云数据技术进行自动三维建模并且设置相应的约束条件，从而形成输电线路走廊三维模型。通过相应影像处理软件来对所采集到的航摄影片实施预处理，对于影像实施匀光以及降噪，然后利用影像的航向以及旁向重叠数据完成相片的拼接，得到较为完整的影像。可以通过无人机航飞拍摄得到的POS数据以及地面像控点坐标实施必要校正，之后将影像坐标系转变为满足工程需要的坐标系，最终利用影像匹配点云、TIN三角建模、纹理贴附等方式得到最终的三维影像模型[2]。

2.5 模型空间距离量算

以BIM技术为基础形成的输电线路三维模型（包括塔、线、串等）能够更加真实的反映出架空输电线路走廊的具体情况。对于220kV架空输电线路来说，其安全距离要满足《110kV—750kV架空输电线路设计规范》方面的相应规定，以此为基础能够对输电线路走廊交跨地物实施空间距离量测，所测结果如下所示：

跨越居民区时的距离为7.5m；跨越非居民区时的距离为6.5m；跨越交通困难区域的距离为5.5m；跨越等级公路的距离为8m；跨越电力线的距离为4m；跨越通信线的距离为4m；跨越树木的距离为 4.5m。

2.6 设计效果分析

国家电网公司基建部提出了明确要求，全部新建35kV及以上等级输变电工程都要采取数字化三维设计方式来进行。本文通过D10000航测系统对于输电线路走廊实施三维建模，更加真实反映了输电线路的具体情况，能够为线路的进一步优化、交跨地物空间距离量算提供数据依据。通过三维设计和实测结果的比较能够得知通过数字化三维模型进行架空输电线路设计具有相应的优点，具体为：

第一，无人机航测系统应用便利，操作简便，数据处理过程较快，能够快速投入应用；

第二，航测技术覆盖面广泛，能够获取更加全面的数据，就算是线路录井出现变化也不用进行重测，更便于实施线路路径的优化；

第三，通过现代化测量技术能够大大降低人工工作量，能够缩短测量时间，提升工作效率；

第四，不同于人工测量树木的方式，航摄能够更加明显的显示出单棵树木的情况，所以通过航测方式能够对树木数量进行更加准确的统计。

3 结语

随着技术水平的提升，数字化技术逐渐应用到了电力行业中。在架空输电线路的设计中应用三维模型能够更加立体、直观的体现出输电线路情况，在此基础上能够更加有效的进行线路优化，提升设计效率和准确性。本文主要阐述了数字化三维模型的架空输电线路设计方面的内容，通过本文的介绍能够对输电线路设计提供一定参考和帮助。