基于激光雷达测量技术的输电线路巡线

§6.5　基于激光雷达测量技术的输电线路巡线

6.5.1　总体思路概述

输电线路的巡检目的，是查找线路中的安全隐患和故障，及时进行检修，以尽最大程度地避免事故的发生，或以最高的效率恢复线路的正常运行，确保电网的安全运行。

随着我国经济高速发展，高电压、大功率、长距离输电线路越建越多，线路走廊远离交通城镇和交通干线，在荒山野岭、深沟峡谷和沼泽湖泊间出入，穿越的地理环境越来越复杂，而且存在人工不能到达的巡线“盲区”，或者因设备、树木遮拦阻挡巡线员的视线，特别是在遇到电网紧急故障和异常气候条件下，线路维护人员要依靠地面交通工具或徒步行走、利用普通仪器或肉眼来巡查设施、处理设备缺陷，这些都给线路维护工作带来极大的困难。

为了防止和杜绝电网安全事故的发生，电网运行维护部门每年都需要投入大量的人力、物力和财力对输电线路进行巡检，但目前常规的巡线方式，其劳动强度大、工作条件艰苦，劳动效率低，难以管理。因此，现行的输电线路维护管理模式和常规作业方法已不能适应现代化电网的管理与发展的需求，超高压电网和特高压电网呼唤先进、科学、高效的电力巡线方式。

从20世纪50年代开始，欧美一些发达国家就开始在架空输电线路抢修中应用直升飞机进行工作人员和工器具运输等工作。经过数十年的时间研究、探索和经验总结，在美国、加拿大、法国、俄罗斯、以色列、日本等国家，直升飞机在输电线路中的应用已从简单的进行人员和设备运输扩展到对架空线路进行例行巡检维护、带电作业，以及线路建设施工组立铁塔、牵放导地线等范围，得到广泛的应用，目前直升机巡线在发达国家已占据半壁江山。如图6-20所示。

图6-20　直升机近距巡查和带电水冲洗作业图

在我国，直升机巡线技术已经在广东、四川、江苏、浙江、黑龙江、东北、华北、南方电网、湖北、云南、福建、河北、湖南等一些电网运营单位进行了试用，其中华北、云南已经将直升机巡线作为日常巡线的手段。相对于人工巡线，直升机巡线具有迅速快捷、工作效率高、无线损、成本低、不受地域影响、安全性高等优势。

在我国的直升机巡线中，多搭载红外线摄影仪、数码摄像机、照相机、高分辨望远镜、可见光录像机等设备，在飞行的同时，对途经线路进行观测，获取线路走廊可见光和红外的录像、照片等。但这些技术空间定位精度均不高，而且获得的多种数据大多分开处理，没有集成为一个整体，处理起来也比较麻烦。更重要的是，这些方法都很难精确判断线路走廊地物(比如树木等)到线路的距离，而距离不够引发的线路闪络是许多线路安全事故的初始诱发因素。

2003年8月14　日发生了举世震惊的美加大停电，事故最终调查报告认为诱发这次大停电的首要原因是输电线路的树闪故障。在“8.14”大停电中，先后有4条输电线路发生树闪故障，这些故障严重削弱了电力系统的强壮性，最终导致系统崩溃。事实上，在许多大停电过程中都出现了输电线路树闪故障，比较典型的有1996年7月和8月的美国西部两次大停电，2003年9月的意大利大停电等。树闪故障已经被普遍认为是引发电力中断的最重要的原因。

更为严重的是，美国的停电事故之前，线路都通过直升机进行了巡检，有些巡检甚至就在停电前50天内。这说明，常规的直升机上搭载巡线人员，借助望远镜、相机进行线路巡检的方式效果不够好。美国公用事业树木管理部门(Utility Vegetation Management，UVM) 2003年的一份最终报告中对由于树木造成的大停电的结论是“可以得出结论认为，人不能通过眼睛始终准确地确定树木和线路之间的距离”。

输电线路直接利用空气作为绝缘体，没有绝缘层，当树木开始接触或靠近导线，就有放电闪络的风险，可能会导致停电事故甚至起火。尽管输电线路在设计和建造时，已尽量确保电线和其下面的地物有足够的距离，并且充分考虑了电力负荷、外界温度和冰等因素对导线弧垂的影响。然而，如果地面树木没有被很好地管理，还是可能导致带电线路与线下树木之间的放电闪络。

如图6-21所示，将激光雷达搭载到直升机上，可以用于超高压、特高压线路的各类最小空气绝缘距离和间隙的检测，国家电网直升机作业组几年前就已提出要进行这方面的研究和试验，但由于各种原因当时未真正推动起来。2007年，广西桂能信息工程有限公司利用机载激光雷达分别在北京和厦门进行了两条输电线路的扫描，取得了很好的效果，机载激光雷达测量技术在电力巡线中的应用再度引起关注。

图6-21　直升机载激光雷达作业

机载激光雷达测量系统可以很好地解决空间定位和量测精度等问题，通过在直升机上搭载激光雷达设备，可以直接采集线路走廊高精度三维激光点云和高分辨率航空数码影像，进而获得高精度三维线路走廊地形、地貌、地物和线路设施设备空间信息，包括杆塔、挂线点位置、电线弧垂等。可以精确、快速地量测线路走廊地物(特别是树木、房屋、交叉跨越)到电线的距离、导线线间距离等是否满足安全运行要求。另外，高分辨率航空数码影像可以供巡检人员判读输电线路和通道安全隐患和异常。

利用机载激光雷达测量技术对线路走廊进行数据采集和三维建模，巡检人员可以对造成线路安全问题的隐患和异常进行分析，进而确定如何进行砍伐和障碍清除，同时还可以为地形变化检测、线路走廊树木管理、三维可视化管理、增容分析、房屋磁干扰分析等提供基础数据。

当前的激光雷达测量系统的优势在于其高精度的量测性，如果将热红外成像仪与激光扫描、可见光、多光谱航摄仪等设备集成到一个统一的系统，在保留原作业方式优点的同时，可以获得线路沿线地区更准确、更全面的信息，极大地提高直升机巡线的作业能力。

6.5.2　具体应用思路

机载激光雷达测量系统进行电力巡线时采集的激光点云，反映了采集瞬间的输电线路走廊的三维空间情况，包括走廊地形、地物和线路设施设备空间信息，包括杆塔、挂线点位置、电线弧垂等，如图6-22、图6-23所示。直接基于激光点云数据可以精确量测线路走廊地物(特别是树木、房屋、交叉跨越)到导线的距离是否满足安全运行要求。如图6-24所示。

图6-22线路走廊激光点云类别专题示意图

图6-23线路走廊激光点云高程专题示意图

图6-24线路走廊激光点云侧视图

如果要实现软件自动化危险点检测，那么首先应将激光点云进行分类。

根据《架空送电线路运行规程》，巡线时需要检测的安全距离主要包括:

(1)导线在最大计算弧垂情况下与地面最小距离;

(2)导线在最大计算风偏情况下与山坡、峭壁、岩石之间的最小净空距离;

(3)导线在最大计算弧垂情况下与建筑物之间的最小垂直距离;

(4)边导线在最大计算风偏情况下与建筑物之间的最小水平距离;

(5)导线在最大弧垂情况下与树木之间的垂直距离;

(6)导线在最大风偏情况下与树木之间的净空距离;

(7)导线到铁路、各等级公路、电车道、河流的垂直距离和水平距离;

(8)导线到交叉跨越(电力线、通信线、管道和索道)的距离。

线路到不同地物的距离要求是不同的，但应按照跨越规程进行完全的检测，需要对线路走廊地物参照跨越规程进行详细的分类，另外一些地物需要进行矢量化。考虑到不做调绘，即使利用影像参考，也几乎不可能对点云详细分类到符合规程的要求，也考虑到巡线时主要关注树木、建筑物的变化，所以我们可以进行简化，主要分出地面、树木、房屋、铁塔、被巡线路、被跨越线路，其他分类根据工程实际情况添加，如图6-25所示。

图6-25　危险地物检测时的激光点云分类

激光点云经分类后，找出导线与绝缘子之间的挂线点，并利用悬链线方程拟合导线弧垂，如图6-26所示，每根悬链线对应一根导线的一相。利用分类后的线路走廊地物的激光点云和用悬链线方程拟合的导线，我们可以很容易地量测和计算所有地物点到线路的距离。

此外，还可以进行各种实用的三维量测，具体如图6-26～图6-32所示。

图6-26　悬链线模型拟合导线弧垂

图6-27　相间距离量测

图6-28　相间高差量测

图6-29　线间距离量测

图6-30　对地距离量测

图6-31　交叉跨越空间量测

图6-32　坡度量测

在对点云进行分类时，对每种类别编码赋予实际对应的地物类型，如地表、植被、房屋、跨越等。这样，在软件系统中，可以按相关标准设置这些地物到电线的安全距离要求，如图6-33所示，进而自动进行安全距离检查计算，一旦该类别地物到电线的距离不符合相关要求，则自动报警。关于对树木的检测有一些特殊的要求，下一节中将详细介绍。

图6-33　检测规范设置

系统一旦检测出小于安全距离的激光数据点，则自动汇总并输出图表，包括如图6-34所示的危险点统计报表、图6-35所示的危险点平断面图等，以便于运行维护人员野外现场校核检修。

图6-34　表格形式的检测结果

线路检测中有一个难点是:导线与地面、建筑物、树木、各种跨越的距离，应根据最高气温情况或覆冰无风情况求得的最大弧垂，和最大风速情况或覆冰情况求得的最大风偏进行计算，而利用激光点云拟合的导线悬链线模型只是激光数据采集瞬间的模型。为尽量提高其计算精度，在激光航摄时还必须测量当时作业的温度、风速、风向、湿度和气压、日照强度、线路的电流量等条件，以建立线路弧垂模型，进而计算各种条件下的弧垂状态。

图6-35　平断面形式的检测结果

由于目前的激光雷达设备大多带有高分辨率照相机，甚至摄像机，同步采集航拍影像和录像。在处理激光数据时，视频和相片可以辅助判断地形。如果影像分辨率足够高，影像和视频可以部分替代目前常规直升机巡线时拍的照片和录像。按照《架空送电线路运行规程》和《架空输电线路巡检系统》(DL/T1006-2006)规定，结合激光雷达采集的数码影像特点，可以通过如图6-36所示的影像目视检测线路安全隐患和故障。

图6-36　基于影像的目视检测

非常重要的是，原始航拍影像从拍摄角度反映杆塔和线路状况，基于航摄时采集的影像内外方位元素，可以对这些影像进行坐标定位，用于缺陷和安全隐患的管理。而进行正射处理后，反而会丢失部分信息。

6.5.3　树木危险检测

树木是对线路安全影响最大的走廊地物之一，其数据采集、量测和管理比较困难。部分激光雷达测量系统通过多次回波技术可以穿透树木，实现树木下地面和树木高度的测量，生成如图6-37所示的线路植被断面图，为线路走廊的树木检测和管理带来可行、高效的手段。

图6-37　输电线路植被断面示意图

关于发生树闪故障问题，刘怀东等总结了如下3种情况:

(1)在雨雪雷电等恶劣天气情况下，电力走廊内、外的树木或断枝都可能引发树闪故障。

(2)在大风情况下，电力线路和树木都发生摇摆，摆幅较大且电力走廊外的树木树冠生长接近走廊的时候，线路就可能与电力走廊外的树木之间发生树闪故障。这种情况的树闪故障可能较多，但一般为瞬时性故障，自动重合闸一般能保证线路继续运行，不会造成重大的系统故障。

(3)在大停电中经常遇到的树闪故障，是线路过热下垂接树导致的。这种情况经常发生在夏季，特别是闷热无风的天气，不仅用电负荷会增大，也使导线散热减慢，导致线路温度增高，线路弧垂有较大的增加。

对于树木摇摆和线路过热下垂接树的检测，就需要考虑导线负荷、气温等因素对弧垂的影响，不能只用激光雷达采集瞬间的数据来拟合悬链线弧垂进行检测。

根据相关经验，许多树闪停电是通道外的树木倒入通道内造成的。《电网安全运行规程》规定:线路通过林区时，应砍伐出通道，通道内不得再种植树木;通道宽度不应小于线路两边相导线间的距离和林区主要树种自然生长最终高度两倍之和;通道附近超过主要树种自然生长最终高度的个别树木，也应砍伐。简单地说，就是保证树木倒向线路一侧时，树木的最高点不会压到线路。一些情况下，我们可能还要保证树木在倒下的过程中，树木最高点与边导线还有一定的距离。这种要求不是简单的量测地物顶端到电线的距离，而要考虑树木本身的高度、树木的生长和树木倾倒压到线路等因素，这对软件检测距离的算法提出不同要求。

考虑到树木的生长分析，需要在树木到线路的安全距离值上再设置一定的裕度。关于树木的生长模型，国内外许多学者已经进行了研究，可以作为裕度设置的参考。

由于激光点云全部是离散的点，并没有树木的整体概念，所以可以假定每个树木激光点都是一个树的最高点，树的高度是该点到地面的距离，人工设置树干的半径是树高的百分之几。树木倾倒过程形成的圆弧中心点可以是该树木激光点到地面的交点，也可以是树干靠近线的边与地面的交点，如图6-38所示。

图6-38　树木倾倒半径安全距离分析