激光雷达在直升机巡线中的应用Word文档格式.docx
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完全适应现代化电网的建设与发展的需要.超高压电
网和未来的特高压电网呼唤先进,科学,高效的电力巡
线方式.直升飞机巡线日益成为电力系统的迫切需求.
1国内直升机巡线现状
直升机巡线是用直升飞机做为检测平台,装载检
测人员,设备进行检测.发现存在于高压输电线路上
其它仪器难以发现的热故障隐患和外部缺陷,得以高
效地代替人工巡线并可巡查途经高山大川江河等人
迹难至地区的线路,提高了巡线效率和可靠性,及时
发现线路缺陷,消除隐患,提高输电能力,在确保高质
量安全供电方面具有重大的经济效益和社会效益.我
国电力部门已对此进行了大量实验研究,一些电力部
门也开展了直升机巡线的应用.并且制定了《直升
飞机巡线高压输电线路试行导则》,《直升飞机巡查架
空送电线路暂行管理办法》》等一系列技术规范,并开
发了相应硬件设备.
收稿日期:
2007—09—08
作者简介:
张险峰(1973一),男,湖北黄冈人,毕业于武汉大学,获电力系统自动化硕士学位,现从事电力生产运行工作
f2)当中性点小电抗取值为800~1300Q时,小
楚线非全相运行,该线路不会发生工频谐振.
(3)当中性点小电抗取值为1200Q.小楚线的潜
供电流和恢复电压分别为13.81A和26.54kV.该线
路可以采用单相快速自动重合闸.线路任一端高抗退
出时.潜供电流和恢复电压分别为60D8A和28.17kV.
潜供电流大,不宜采用单相快速自动重合闸.
f4)建议小楚线高抗中性点小电抗选择为:
高抗
容量为180Mvar时选1200Q.且高抗中性点绝缘水
平取154kV级.
f5)线路高抗选择180Mvar,高抗正常运行,在各
种运行方式下,线路首末端工频过电压均在规程允许
范围内.线路一侧高抗退出时,线路首末端工频过电
压也在规程允许范围内.
(6)线路断路器不带合闸电阻操作,各种运行方
式下,线路合闸,重合闸过电压绝大多数都超出规程
要求,线路断路器加装4ooQ合闸电阻后,线路操作
过电压为1.38pu,满足规程要求.
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一
33—
2007年第6期华中电力
目前,国内的直升机巡线过程通过实时扫描,动
态数据校验,分析,存储实现线路巡线的科学化,配合
定的网络硬件设备,能够达到数据处理的同步化.
因此,直升机巡线效果,同机载软硬件设备紧密相关,
也具有很大的灵活性.在我国的巡线试验中,多采用
红外线摄影仪,数码摄像机,高分辨望远镜,可见光录
象机等设备等对途经线路进行观测,国家电力公司热
工研究院曾开发出双光谱跟踪装置与红外图象计算
机处理系统等项硬件,作为直升机巡线的技术装备.
华中公司借助遥感成像技术.获取多角度图像数据,
可计算出线路杆塔的经纬度数据和高压线路与线下
树障的距离[1lSl.通过直升机巡线可以快速发现线路附
近障碍物的情况以及接头过热,导(地)线断股,短路,
闪络,污秽情况以及导线,金具等操作和绝缘子劣化
情况.更好地为电网生产运行提供高效服务.
对于可见光摄像机等设备,阳光越强,成像越清
晰.这与红外热成像技术相矛盾.白天应用红外热成
像技术巡视检测输电线路,与应用可见光摄像机等先
进设备检测的结果不一致.原因是对天气有较严格的
要求.另外,无论是多光谱还是热红外技术,空间定位
的精度不高,数据处理起来也比较麻烦.随着传感器
技术的发展.激光雷达系统能够解决上述一些问题,
"
它(激光雷达)比863多角度,多光谱成相技术的预
期精度高得多.且进行转换测量的863多角度,多光
谱成相技术离实用尚远,激光三维扫描仪的价格已成
倍下降.有的已低于l000万元.当前,还是以采用激
光三维扫描为宜"
.激光雷达系统是一种利用激光脉
冲来获得被检测对象的相关信息,由于激光脉冲不易
受阴影和太阳高度角度影响,从而大大提高了数据采
集的质量;
其高程数据精度不受航高限制,比常规方
法更具优越性.
在国外激光雷达系统已经用于电网的勘测设计
以及维护.目前.国内已经引进了该技术,在电力线路
设计中已经得到了应用髑.但是在线路维护中还处于
起步摸索阶段.最近,广西桂能信息公司承接华北电
网超高压公司的电力巡线项目.在国内首次尝试直升
飞机搭载激光雷达系统应用于电力巡线领域,取得了
不错的效果.
2激光雷达系统测量原理
激光雷达(英文缩写LIDAR)使用的是由激光器
发射的红外线.或可见光,或紫外光.众所周知,激光
是以恒定速度传播.当来自激光器的激光射到一个物
体的表面时.其中一部分光会被反射回去,而被激光
34一
第2O卷
雷达所配备的接收器所接收.当仪器计算出光由激光
器射f{{到返回到接收器的时间2f后,激光器到反射
物体的距离=光速X时间/2,即距离=ct,再结合激光扫
描仪的姿态数据,即可得到测点的三维坐标.
机载激光扫描数据包括两个方面的信息,一方面
是激光扫描仪与地面各点的距离,另一方面是回波强
度,即地物反射率信号.利用这两种信号可以区分不
同的地物目标.由于植被回波很多,在同一平面位置,
由多重回波得到几个高度值.而建筑物回波只有一
次,根据这个特性有可能区分植被和建筑物.如果激
光遇到电力线,一般有两次回波.激光照射到电力线
后,除被电力线反射形成回波外,一部分激光还绕过
电力线照射到地面,形成二次回波.由于电力线,杆塔
的截面反射强,激光回波数据信号强,因此能够获得
准确的空间信息.
如果物体的表面高低不平.当在地面使用三维激
光扫描仪可获得反射物体的表面形貌图,当使用机载
激光雷达系统时,可以获取高精度的数字高程模型.
机载激光雷达通常由以下几个部分组成:
激光
器.光学系统(通常为摆动扫描系统或转动扫描系
统),接收器(通常使用光电倍增管),GPS(全球定位系
统),IMU(InertialMeasurementUnit,惯性制导仪),飞
行计划和管理系统以及数据采集和存储系统.
激光器对地面进行扫描获得距离数据,是整个系
统中的关键部分.在整个激光雷达系统中,GPS的功
能有三项:
其一,提供组合传感器在空中的准确位置
数据,一般是传感器扫描行中心像元成像时刻主光学
系统后节点的三维地理坐标.其二,与姿态测量装置
(IMU)相结合,构成INS/GPS组合姿态测量装置,以
便进行GPS和INS数据组合滤波,提高三轴姿态量
测精度.其三,向导航显示系统提供飞机飞行时的三维
位置数据.提高机上自动驾驶仪的领航精度,或使轻型
飞机上人工驾驶准确地保持航线.实现高精度导航.
姿态测量装置可以实时提供组合传感器主光学
系统主光轴的姿态角.即俯仰角,侧滚角和航向角,以
便与GPS定位数据结合起来.对激光扫描以及多波
段影像数据(如果该系统集成多波段数码航摄仪)进
行快速定位.从而保持各种数据在时空上一致.
3激光雷达在国外直升机巡线中的应用
在国外.激光雷达系统在电网维护中已经得到了
广泛的应用.就激光雷达系统在德国电网维护中的应
用作如下介绍.德国GAH公司(网站:
w-~rw.ga-lbs.de)
是德国最大的电力设计集团之一.业务涉及能源,工
第2O卷激光雷达在直升机巡线中的应用2007年第
业设备,通讯技术,技术性建筑设备,技术性建筑管理
等.其中GA.LBSGMBH是其第二大子公司.负责电
网方面的技术设计咨询,技术实力雄厚.GAH公司在
将激光雷达应用到电网的设计维护过程中.已经形成
了一整套成熟的作业流程.
该激光雷达系统构成如图1所示,以直升机为测
量平台,上面搭载GPS,激光扫描仪,数码摄象机,惯
导等设备构成激光雷达系统.作业方式如图2,直升
机在线路上方约6150m沿线路飞行.在线路沿线
设置GPS参考基站,用于发送空间位置信息,机载
GPS获得激光扫描器的空间位置;
激光扫描器沿飞行
方向对线路两侧6150m的范围进行扫描.获得沿
线地物数据,同时机载录像机对飞行过程进行摄像
(也可以采用数码测量相机进行拍摄),其中与激光数
据同步的录像.实现地物的辅助鉴别和分类.如果采
用量测相机还可以获得正射影像,对于线路维护,录
像数据成本较低,足够满足项目要求.当激光束遇到
电缆,杆塔或者树木,信号返回探测器,被扫描对象的
空间位置即可以确定.
图1直升机机载系统构成
图2直升机机载系统工作模式
获得了数据之后,如何对数据进行分析处理更为
关键.GBH在autoCAD平台上开发了一套数据处理
系统,用于处理激光雷达数据,并且将采集的各种数
据集成到该平台上,能够为客户实现数据的处理及可
视化;
对外具有各种通用接口,与现有信息系统相兼
容,能够极大地提升数据处理效率和利用率.这种作
业模式已经在德国电网维护中广泛使用,激光雷达数
据的处理过程有如下内容:
(1)读取原始数据到AutoCAD,自动生成
断面.激光雷达获得的原始数据为"
点云"
数据,
扫描点的三维坐标,可以自动生成区域的断面图
(2)计算点高和地物粗分类.根据点云数据
地物点高程.并分色渲染.
(3)进一步识别重要地物,包括电力线或者
重要地物.根据点云形态,并且辅以同步录像,进
物识别分类.
(4)生成线路走廊,减小数据量.激光雷=达
点云数据量巨大,加之电力部门仅仅对线路走廊
地物感兴趣.因此可以对点云数据进行裁减,抽
样针对性更强,处理效率更高.
(5)读取地形正射影像图作为地形参考,地
别及在水平投影面下分类.如果具有正射影像}
可以进一步对线路经过的区域进行分析.获得沿
地区的平断面数据.
(6)自动计算点(地物)的距离,对关键区域
着重研究分析,研究跨越的重要地物(如检测线路
对树木的安全距离),按照AutoCAD格式绘图.
如图3所示,整个处理过程是一套严密完善
程,从获得原始数据激光点云数据,正射影像,
图片等,经过处理能够生成的三维分类图,三维
图,平断面图,这些数据成果最后综合在一个
CAD系统中,方便后续的分析应用,整个作业流
全实现了工业化.
图3激光雷达系统数据流程图
4激光雷达直升机巡线应用可行性分析
根据上文的分析.直升机机载激光雷达巡
了具备常规直升机巡线的优势外,还具备定位
高,快速的地形信息获取,甚至能够满足线路测
要求;
经过处理的数据具有通用性,能够方便地
(下转第39页)
第20卷华中电网"
5.29"
事故处理及分析2007年第6期
的难度,加长了事故处理的时间.
(4)近几年电网建设速度加快,厂家由于工期紧,
对设备生产把关不严;
现场人员在新设备投产调试期
间疏忽大意,导致新设备本身存在一定的缺陷,并网
运行后成为电网安全运行的隐患.
6建议
(11制定事故后同类型设备专项检查制度.故障
发生后立即开展专项整治活动,对本单位同类型设备
进行相应检查.并将设备缺陷告知电网内使用同类型
设备的厂站,杜绝类似事故的再次发生.
(21事故时恰逢河南电网检修高峰期,在豫网西
电东送通道上安排了多条500kV线路及设备的检修
工作.如何挖掘运行设备的潜能,更加合理地安排电
网检修方式;
适当延长检修周期,尽量避免重要断面
设备集中检修:
以及如何更好地履行"
三公调度"
职
能,为发电企业服好务,协调好发电企业与检修企业
之间的利益关系,都应成为今后检修计划安排中重点
考虑的问题.
(31作为电网事故的直接接触者,现场运行人员
应加强对专业知识及实际操作技能的学习.在事故发
生后第一时间内将故障情况汇报电网调度员,在检查
二次设备动作情况后尽快将故障原因准确地报至
值班调度,更好地帮助电网调度员快速准确处理事故.
(41新设备生产,调试期间应仔细,严谨,认真,加
强责任管理,将事故隐患消灭在设备并网运行前,保
证投产设备的百分百合格.
(上接第35页)
管理,满足多方面应用的需要.
然而,在目前阶段,激光雷达直升机巡线还存在
成本过高的问题.据统计,一套激光雷达设备大概需
要1000-2000万人民币,国内已经有专业的航飞公司
提供飞行服务.也有几家公司提供激光雷达扫描仪
器,可以租用设备进行巡线作业.由于没有国家和行
业标准报价体系,LIDAR数据后处理价格,产品价格
方面比较混乱;
LIDAR数据后处理部分的收费标准,
针对不同行业应用,产品价格和产品内容以实际工作
量和与业主协商为准.在德国,有专门的公司负责实
施激光雷达测量,电力公司只需要向这些公司提出飞
行任务,然后对数据进行处理,这种方式的作业成本
比人工巡线要低得多.但是在国内,目前这种的作业
方式在成本上不具有优势.
5结论
在目前阶段,成本问题是影响激光雷达直升机巡
线技术推广的主要问题.但是随着技术的进步,设备
的逐步普及,作业成本将会不断降低.新作业方式也
要求必须选择合适的数据处理平台.这也是优化直升
机巡线结果,及时处理巡线数据的重要构成.目前,国
内外都开发有专业的直升机巡线软件.根据巡线需
要,可以订制订购相关系统,也可以参照有关资料,结
合作业具体运用,开发与现有信息系统相兼容的数据
处理系统,提升数据处理效率.
到2010年前后,随着三峡电力外送,西电东送,
全国联网工程的实施,我国中部,北部,南部三个跨大
区电网和全国联网将基本形成,一大批超高压,特高
压项目即将建成.在未来的20年里,我国电网的建设
和发展将跨入一个崭新的时代,那是超高压,特高压
唱主角的时代,直升机机载激光雷达将会对我国的电
网维护带来革命性的变革,也将是直升机机载激光雷
达施展拳脚的时代.
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- 激光雷达 直升机 中的 应用