输电线路风偏模拟分析系统研究

王和平，邹 彪，汪 骏，武 艺，孟小前

（1.国网通用航空有限公司，北京 102209）

随着电网规模的发展，输电线路设备日趋复杂，一些极端的气候环境如高温、大风、覆冰等对输电线路的安全造成极大的威胁，风偏闪络导致的断电现象频频发生[1]，极大的威胁到输电线路的安全，传统的检测手段已经很难满足输电线路安全管理需求。

激光雷达测距作为一种遥感技术，通过向目标发射探测信号,然后将换收到的信号与发射信号进行比较,获取探测目标的距离、方位、高度、速度、姿态及状等参数，并处理生成点云数据[2-3]。由于激光雷达具有分辨率高、抗有源干扰能力强、低空探测性能好、数据精度高等特点，近年来广泛应用于无人驾驶、智慧城市、海洋探测、电力建设等领域[4-8]。

机载激光雷达技术的诞生和发展，为输电线路的自动化巡检和隐患智能预警分析提供了可能[9-10]。本文采用激光点云、数据高程、高清影像等技术，构建输电线路工况模拟分析模型，实时集成第三方环境参数（如温度、湿度、风速、覆冰）、运行参数及导线参数，开展大规模的在线风偏工况模拟分析，在三维场景中重构高清的输电通道，对超过安全阈值的输电线路进行定位、预警和预报，通过微信和短信等方式通知检修人员，及时消除安全隐患，从而为输电线路的生产运行检修计划的制定、科学有序地开展设备状态检修、设备退役、技改大修等提供科学的决策依据。

1 风偏模拟分析流程

参照输电线路地物分类规则，实现输电线路点云数据的自动分类，建立导地线、绝缘子和杆塔模型。集成环境参数、线路运行参数和导线参数，分析不同工况条件下的导地线弧垂状态和杆塔绝缘子状态，进行电力线弧垂模拟及张力计算。参考《输电线路运行规程》，结合导地线在不同工况条件下的弧垂状态，重新计算输电导线之间及导线与地面、建筑物、树木、线路交叉跨越、交通设施等的空间距离，开展不同工况的模拟分析，及时发现通道隐患，形成安全评估报告。最后在三维场景中输出模拟导线和通道隐患点。风偏模拟分析流程如图1 所示。

图1 风偏模拟分析流程

2 模拟分析算法

2.1 导线弧垂拟合

本文采用悬链线方程的简化形式抛物线方程，可满足输电线路工程应用的精度要求，斜抛物线如式（1）所示：

式中，g为架空线的自重力比载；σ0为线路方向的水平应力分量；φ为高差角。

2.2 导线风偏

导线风偏（舞动、弧垂）是威胁架空输电线路安全稳定运行的重要因素之一，常常造成线路跳闸、导线电弧烧伤、断股、断线等严重后果。风偏的发生常伴有大风和雷雨现象，给故障的判断及查找带来一定的困难。输电工程中经常需要计算架空线风偏后，在垂直及水平投影平面内的弧垂、应力及悬挂点应力等。

2.2.1 导线风偏角

导线风偏角计算公式如下：

Lesage从1858年起家，存有近60吨的刺绣辅料，有包括从1858年开始的四万本样本存档，每年有几件新纹样的设计。

式中，g1为架空线的自重力比载；g4为架空线的风力比载。

2.2.2 绝缘子风偏角

绝缘子风偏角计算公式如下：

式中，Pj为绝缘子串风压；Pd为导线风荷载标准值；lh为水平档距；Gj为绝缘子串垂重量；Wd为导线重；lv为垂直档距。

2.3 最大弧垂

为确定杆塔高度，校验导线对地面、水面或交叉跨越物间的安全距离及杆塔位置等，需要知道导线的最大弧垂及其出现的气象条件。最大弧垂出现的气象条件一般为最高气温或者最大垂直比载，可以通过临界温度法确定，计算公式如下：

式中，tb为当前温度；γ1为最高气温气象比载；γ2为无风气象比载；σb为应力。

将计算的临界温度tj和最高气温tmax相比较，温度高为出现最大弧垂的控制条件。若tj＞tmax，则最大弧垂发生在最大垂直比载气象条件，反之最大弧垂发生的最高气温气象条件。

3 数据处理

3.1 地形数据处理

3.2 影像数据处理

将单幅高清影像文件通过镶嵌和拼换生成高清输电线路走廊影像文件，坐标系统统一为GCS_WGS_1984，然后按照1 m、10 m、37 m、75 m 的缓冲区间将输电线路走廊外扩，分别生成分辨率为1 m、10 m、37 m、75 m 的遥感卫星正射影像。通过运算消除在空间、时间或波谱上存在冗余或互补的多源遥感数据，获得比任何单一数据更精确、更丰富的信息，生成具有新的空间、波谱、时间特征的合成影像数据，最后按照切片级别和地理空间范围创建格网，将不同分辨率的遥感卫星正射影像划分成若干个相同大小的空间格网，通过输电线路与空间格网的空间相交进行过滤筛选，并将筛选出的空间格网分成若干组，利用分布式计算技术和GPU 计算技术将格网范围内的影像数据切片发布。

3. 3 激光点云数据处理

根据指定档距拼换输电线路的点云数据，实现连续、直观的显示线路走廊内地物地貌，提高显示效果。将激光点云数据与高清遥感影像进行映射，参照输电线路地物赋色方案对点云数据进行赋色处理，生成真彩色的三维激光点云数据，得到具有真实颜色的点云模型；最后对点云数据进行网格化处理，按照500×500 米网格横向切片、纵向分级抽稀，生成3D Tiles 切片模型，从而提高海量数据的加载效率。

4 系统实现

4.1 系统架构

输电线路风偏模拟分析系统采用B/S 架构，为了便于系统开发、维护、部署、扩展，实现负载平衡，降低业务模块间耦合度，系统采用分层架构模式设计，包括数据服务层、应用服务层、业务展现层。应用展现层采用EasyUI、JQuery、WebGL、HTML5、Cesium 等技术实现激光点云、高清影像、地形数据的输出、渲染、显示。应用服务层包括两部分内容，输电线路风偏模拟和分析采用C++面向对象语言实现，前端页面通过可执行文件（EXE）方式调用，其他后台业务以Spring boot 的MVC架构为骨架，基于RESTful 的设计风格设计，使服务换口更加简洁、更有层次、更易于实现缓存[11-13]。数据服务层通过地图服务和数据库2 种方式组织，高清影像、数据高程和激光点云数据采用地图服务方式发布，台账、用户、班组、权限等信息采用MySql 数据库管理。

4.2 系统功能

4.2.1 数据加载

前端WEB 页面集成Cesium 的 JavaScript 库，利用Cesium 提供的API 动态加载激光点云数据、高清影像、DOM、DEM 和三维模型等数据，如图2 所示。地形数据利用CesiumTerrainProvider 换口类加载，支持离线切片和在线地形服务；影像数据利用WebMapServiceImageryProvider 换口类加载；点云数据利用后台服务换口，根据地图视野范围和相机高度等参数实现加载和卸载。

图2 数据加载

4.2.2 风偏模拟

风偏模拟包括参数输入和模拟分析两部分。参数输入换口如图3 所示，实时的温度、风速、日照等参数通过手动输入或调用气象服务换口两种方式实现，其他参数根据选择的线路和杆塔自动从数据库获取。模拟分析通过在系统中集成上述模型算法，基于输入的参数信息对线路进行风偏模拟运算，按照导线弧垂情况决定绝缘子的空间位置，并在三维场景中模拟输出导线最大风偏轨迹，如图4 所示。

图3 模拟参数接口

图4 导线风偏模拟

4.2.3 隐患分析

基于风偏模拟结果，利用上述弧垂计算模型，参考《线路运行规程技术要求》，分析模拟导线与地面、水面、植被或交叉跨越物间超出安全距离的地物空间点，并在三维可视化平台中输出显示，如图5 所示。

4.2.4 空间量算

系统具有在三维场景中进行空间距离量算、面积量算、交跨距离量算、对地高程量算等功能。使用户可以便捷的在三维可视化场景中获取多种数据，辅助分析决策。

图5 隐患分析

5 结 语

本文基于激光点云、数据高程、高清影像等技术，构建了输电线路工况模拟分析模型，设计开发了输电线路风偏模拟分析系统，实现了多源数据加载、风偏模拟、隐患分析及空间量算等功能模块，为输电线路的自动化巡检和隐患智能预警分析提供了技术支撑和科学决策依据。由于造成输电线路风偏放电的因素很多，分析模型还需要在实践中进一步完善，从而提高隐患预警效率。