阅读说明：本技术 一种两条导线之间的相对垂直距离的动态预测系统及方法 ([db:专利名称-en]) 是由 陈黎 王跃恒 陈金华 于 2019-08-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种两条导线之间的相对垂直距离的动态预测系统及方法,系统包括数据获取模块,获取待测导线与待测树木所在环境的原始数据；模型建立模块,根据原始数据建立待测导线与待测树木的三维模型；模型更新模块,根据环境和时间的变化实时更新三维模型；报警模块,实时监测更新后的三维模型中待测导线与待测树木之间的净空距离,并在净空距离小于等于预设范围时,发出报警信息。本发明通过三维模型监控架空输电线路通道,且能对净空距离进行实时预测,在净空距离小于等于预设范围时发出报警信息,以及时进行处理,避免电网出现安全问题；每年至少可节省9至10次无人机架空输电线路通道巡视周期,社会效益和经济效益十分显著。([db:摘要-en])

一种两条导线之间的相对垂直距离的动态预测系统及方法

技术领域

本发明涉及距离测量技术领域，具体涉及一种两条导线之间的相对垂直距离的动态预测系统及方法。

背景技术

传统架空输电线路通道巡视主要是依靠人工徒步巡视。随着无人机架空输电线路通道巡视技术的应用，正在逐步替代人工徒步巡视；但是，由于无人机架空输电线路通道巡视成本高，再加上航空管制、天气等原因，无人机通道巡视每年仅能开展2至3次；这样，在无人机架空输电线路通道巡视周期期间，两条交叉跨越的架空输电线路的相对垂直距离的监控管理处于失控状态，电网安全风险较大。

发明内容

基于以上现有技术的不足，本发明所解决的技术问题在于提供一种处理效果好的两条导线之间的相对垂直距离的动态预测系统及方法，该两条导线之间的相对垂直距离的动态预测系统及方法能在无人机巡视周期期间，解决两条架空输电线路交叉跨越的相对垂直距离的监道管理处于失控状态，电网安全风险大的问题。

为了解决上述技术问题，本发明的一个方面，提供一种两条导线之间的相对垂直距离的动态预测系统，包括:

数据获取模块，用于获取第一待测导线和第二待测导线所在环境的原始数据；

模型建立模块，其与所述数据获取模块连接，用于根据所述原始数据建立所述第一待测导线和所述第二待测导线的三维模型；

模型更新模块，其与所述数据获取模块和所述模型建立模块连接，用于根据环境的变化实时更新所述三维模型；及

报警模块，其与所述模型更新模块连接，用于实时监测更新后的三维模型中所述第一待测导线与所述第二待测导线之间的相对垂直距离，并在所述相对垂直距离小于等于预设范围时，发出报警信息。

作为上述技术方案的优选，本发明提供的两条导线之间的相对垂直距离的动态预测系统，进一步包括下列技术特征的部分或全部：

作为上述技术方案的改进，所述原始数据包括悬挂所述第一待测导线的两个第一杆塔之间的档距、所述第一待测导线的弧垂待测点距离小号侧的所述第一杆塔的水平距离、两个所述第一杆塔上的两个悬挂点连线与水平线的夹角、所述第一待测导线的原始弧垂、所述第一待测导线的原始垂直高度、悬挂所述第二待测导线的两个第二杆塔之间的档距、所述第二待测导线的弧垂待测点距离小号侧的所述第二杆塔的水平距离、两个所述第二杆塔上的两个悬挂点连线与水平线的夹角、所述第二待测导线的原始弧垂、所述第二待测导线的原始垂直高度、及所述环境下的气象条件。

作为上述技术方案的改进，所述模型更新模块包括第一变化量计算单元、第二变化量计算单元和模型更新单元，

所述第一变化量计算单元，其与所述数据获取模块连接，用于根据所述原始数据，并结合导线任一点弧垂计算的第一公式计算在环境温度为t时所述第一待测导线的弧垂的第一变化量；

所述第二变化量计算单元，其与所述数据获取模块连接，用于根据所述原始数据，并结合导线任一点弧垂计算的第一公式计算在环境温度为t时所述第二待测导线的弧垂的第二变化量；

所述模型更新单元，其与所述数据获取模块、所述模型建立模块、所述第一变化量计算单元和所述第二变化量计算单元连接，用于根据所述原始数据、所述第一变化量和所述第二变化量，实时更新所述三维模型。

作为上述技术方案的改进，所述第一变化量计算单元包括弧垂计算子单元和第一变化量计算子单元，

所述弧垂计算子单元，其与所述数据获取模块连接，用于根据导线任一点弧垂计算的第一公式计算在环境温度为t₂时所述第一待测导线的弧垂；所述第一公式如下：

其中，f₂是在环境温度t₂时所述第一待测导线的弧垂；r为第一待测导线比载；l为悬挂所述第一待测导线的两个第一杆塔之间的档距；l_x为所述第一待测导线的弧垂待测点距离小号侧所述第一杆塔的水平距离；σ₂为环境温度t₂下所述第一待测导线的预测应力；β为高差角，即两悬挂点连线与水平线的夹角；

所述第一变化量计算子单元，其与所述数据获取模块和所述弧垂计算子单元连接，用于根据所述原始数据和所述第一待测导线的弧垂计算所述第一变化量；所述第一变化量为：

f＝f₂-f₁

其中，f是第一变化量；f₁是所述第一待测导线的原始弧垂。

作为上述技术方案的改进，所述报警模块包括相对垂直距离计算单元和报警单元，

所述相对垂直距离计算单元，其与所述数据获取模块、所述第一变化量计算单元和所述第二变化量计算单元连接，用于根据所述原始数据、所述第一变化量和所述第二变化量计算所述第一待测导线与所述第二待测导线之间的相对垂直距离；所述相对垂直距离为：

s＝(h₁-f)-(h₂-g)

其中，s是所述第一待测导线与所述第二待测导线之间的相对垂直距离；h₁是所述第一待测导线的原始垂直高度；h₂是所述第二待测导线的原始垂直高度；g是第二待测导线的弧垂的第二变化量；

所述报警单元，其与所述相对垂直距离计算单元连接，用于在所述相对垂直距离小于等于所述预设范围时，发出报警信息。

本发明的另一个方面，提供了一种两条导线之间的相对垂直距离的动态预测方法，包括如下步骤：

步骤1：获取第一待测导线与第二待测导线所在环境的原始数据；

步骤2：根据所述原始数据建立所述第一待测导线与第二待测导线的三维模型；

步骤3：根据环境的变化实时更新所述三维模型；

步骤4：实时监测更新后的三维模型中所述第一待测导线与所述第二待测导线之间的相对垂直距离，并在所述相对垂直距离小于等于预设范围时，发出报警信息。

作为上述技术方案的优选，本发明提供的两条导线之间的相对垂直距离的动态预测方法，进一步包括下列技术特征的部分或全部：

作为上述技术方案的改进，所述原始数据包括悬挂所述第一待测导线的两个第一杆塔之间的档距、所述第一待测导线的弧垂待测点距离小号侧的所述第一杆塔的水平距离、两个所述第一杆塔上的两个悬挂点连线与水平线的夹角、所述第一待测导线的原始弧垂、所述第一待测导线的原始垂直高度、悬挂所述第二待测导线的两个第二杆塔之间的档距、所述第二待测导线的弧垂待测点距离小号侧的所述第二杆塔的水平距离、两个所述第二杆塔上的两个悬挂点连线与水平线的夹角、所述第二待测导线的原始弧垂、所述第二待测导线的原始垂直高度、及所述环境下的气象条件。

作为上述技术方案的改进，所述步骤3的具体实现为：

步骤31：根据所述原始数据，并结合导线任一点弧垂计算的第一公式计算在环境温度为t时所述第一待测导线的弧垂的第一变化量；

步骤32：根据所述原始数据，并结合导线任一点弧垂计算的第一公式计算在环境温度为t时所述第二待测导线的弧垂的第二变化量；:

步骤33：根据所述原始数据、所述第一变化量和所述第二变化量，实时更新所述三维模型。

作为上述技术方案的改进，所述步骤31的具体实现为：

步骤311：根据导线任一点弧垂计算的第一公式计算在环境温度为t₂时所述第一待测导线的弧垂；所述第一公式如下：

其中，f₂是在环境温度t₂时所述第一待测导线的弧垂；r为第一待测导线比载；l为悬挂所述第一待测导线的两个第一杆塔之间的档距；l_x为所述第一待测导线的弧垂待测点距离小号侧所述第一杆塔的水平距离；σ₂为环境温度t₂下所述第一待测导线的预测应力；β为高差角，即两悬挂点连线与水平线的夹角；待测

步骤312：根据所述原始数据和所述第一待测导线的弧垂计算所述第一变化量；所述第一变化量为：

f＝f₂-f₁

其中，f是第一变化量；f₁是所述第一待测导线的原始弧垂。

作为上述技术方案的改进，所述步骤4的具体实现为：

步骤41：根据所述原始数据、所述第一变化量和所述第二变化量计算所述第一待测导线与所述第二待测导线之间的相对垂直距离；所述相对垂直距离为：

s＝(h₁-f)-(h₂-g)

其中，s是所述第一待测导线与所述第二待测导线之间的相对垂直距离；h₁是所述第一待测导线的原始垂直高度；h₂是所述第二待测导线的原始垂直高度；g是第二待测导线的弧垂的第二变化量；

步骤42：在所述相对垂直距离小于等于所述预设范围时，发出报警信息。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有如下有益效果：本发明通过建立第一待测导线与第二待测导线的三维模型，并对三维模型进行实时更新，以对第一待测导线和第二待测导线的环境进行预测模拟，便于操作人员在无人机巡视周期期间，通过所述三维模型监控架空输电线路通道；同时本发明还对第一待测导线与第二待测导线之间的相对垂直距离进行实时预测，并在所述相对垂直距离小于等于预设范围时发出报警信息，便于操作人员及时到达现场进行处理；以避免电网出现安全问题；本发明可使每年至少节省9至10次无人机架空输电线路通道巡视周期，社会效益和经济效益十分显著。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下结合优选实施例，详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。

图1是本发明实施例一的两条导线之间的相对垂直距离的动态预测系统的结构示意图；

图2是本发明实施例一的两条导线之间的相对垂直距离的动态预测系统中模型更新模块的结构示意图；

图3是本发明实施例一的两条导线之间的相对垂直距离的动态预测系统中第一变化量计算单元的结构示意图；

图4是本发明实施例一的两条导线之间的相对垂直距离的动态预测系统中报警模块的结构示意图；

图5是本发明实施例一的两条导线之间的相对垂直距离的动态预测方法的流程图；

图6是第一待测导线与第二待测导线的原始状态时的布局图；

图7是第一待测导线在环境温度为t时与原始状态时的弧垂变化图；

图8是第二待测导线在环境温度为t时与原始状态时的弧垂变化图。

具体实施方式

下面详细说明本发明的具体实施方式，其作为本说明书的一部分，通过实施例来说明本发明的原理，本发明的其他方面、特征及其优点通过该详细说明将会变得一目了然。

实施例一、参见图1，一种两条导线之间的相对垂直距离的动态预测系统，包括:

数据获取模块1，用于获取第一待测导线和第二待测导线所在环境的原始数据；所述原始数据可以是通过无人机激光雷达扫描技术获取；

模型建立模块2，其与所述数据获取模块1连接，用于根据所述原始数据建立所述第一待测导线与第二待测导线的三维模型；

模型更新模块3，其与所述数据获取模块1和所述模型建立模块2连接，用于根据环境的变化实时更新所述三维模型；及

报警模块4，其与所述模型更新模块3连接，用于实时监测更新后的三维模型中所述第一待测导线与所述第二待测导线之间的相对垂直距离，并在所述相对垂直距离小于等于预设范围时，发出报警信息。

进一步，所述原始数据包括悬挂所述第一待测导线的两个第一杆塔之间的档距、所述第一待测导线的弧垂待测点距离小号侧的所述第一杆塔的水平距离、两个所述第一杆塔上的两个悬挂点连线与水平线的夹角、所述第一待测导线的原始弧垂、所述第一待测导线的原始垂直高度、悬挂所述第二待测导线的两个第二杆塔之间的档距、所述第二待测导线的弧垂待测点距离小号侧的所述第二杆塔的水平距离、两个所述第二杆塔上的两个悬挂点连线与水平线的夹角、所述第二待测导线的原始弧垂、所述第二待测导线的原始垂直高度、及所述环境下的气象条件。

进一步，参见图2，所述模型更新模块3包括第一变化量计算单元31、第二变化量计算单元32和模型更新单元33，

所述第一变化量计算单元31，其与所述数据获取模块1连接，用于根据所述原始数据，并结合导线任一点弧垂计算的第一公式计算在环境温度为t时所述第一待测导线的弧垂的第一变化量；

所述第二变化量计算单元32，其与所述数据获取模块1连接，用于根据所述原始数据，并结合导线任一点弧垂计算的第一公式计算在环境温度为t时所述第二待测导线的弧垂的第二变化量；

所述模型更新单元33，其与所述数据获取模块1、所述模型建立模块2、所述第一变化量计算单元31和所述第二变化量计算单元32连接，用于根据所述原始数据、所述第一变化量和所述第二变化量，实时更新所述三维模型。

进一步，参见图3，所述第一变化量计算单元31包括弧垂计算子单元311和第一变化量计算子单元312，

所述弧垂计算子单元311，其与所述数据获取模块1连接，用于根据导线任一点弧垂计算的第一公式计算在环境温度为t₂时所述第一待测导线的弧垂；所述第一公式如下：

其中，f₂是在环境温度为t₂时所述第一待测导线的弧垂；r为所述第一待测导线比载，单位为MPa/m；l为悬挂所述第一待测导线的两个第一杆塔之间的档距，单位为m；l_x为所述第一待测导线的弧垂待测点距离小号侧的所述第一杆塔的水平距离，单位为m，线路从变电站引出的排号顺序是从小到大的，小号侧即排号较小的第一杆塔一侧；σ₂为所述气象条件的环境温度为t₂时所述第一待测导线的弧垂的应力，单位为MPa；β为高差角，即两个所述第一杆塔上的两个悬挂点连线与水平线的夹角，单位为°；

所述第一变化量计算子单元312，其与所述数据获取模块1和所述弧垂计算子单元311连接，用于根据所述原始数据和所述第一待测导线的弧垂计算所述第一变化量；参见图7，所述第一变化量为：

f＝f₂-f₁

其中，f是第一变化量；f₁是所述待测导线的原始弧垂。

本实施例中，导线比载r一般可直接从工程资料中查阅获取；或者可通过以下方式得到：

式中，q为导线的单位长度质量，单位为kg/km；A为导线的截面积，单位为mm²；g为重力加速度，g＝9.80665，单位为m/s²；

环境温度t₂下导线的预测应力σ₂通过以下方式得到：

式中，E为导线弹性系数，α为温度膨胀系数，t₂与t₁分别为预测时环境温度(对应高温)和原始环境温度(对应低温)，σ₁是原始观测时求出的观测档所在耐张段的代表档距的代表应力，单位为MPa；

其中，所述待测导线的原始应力σ₁通过以下方式得到：

。

除此之外，还可通过以下方式得到导线温度T_e：

T_e＝2.238+8.36×10^-6×I²-0.00141×I+0.9992×T

式中，导线的温度T_e单位为W/m；I为负荷电流，单位为W/m；T为环境温度，与t₂相等。

进一步，所述第二变化量的计算过程与所述第一变化量的计算过程相同，首先需经过所述第一公式计算以得到在环境温度为t₂时所述第二待测导线的弧垂；之后再通过环境温度为t₂时所述第二待测导线的弧垂(图8中的g_x)与所述第二待测导线的原始弧垂(图8中的g₁)的差值得到所述第二变化量(图8中的g)；

在通过所述第一公式进行计算在环境温度为t₂时所述第二待测导线的弧垂时，第一公式中，f₂是在环境温度t₂时所述第二待测导线的弧垂；r为所述第二待测导线比载；l为悬挂所述第二待测导线的两个第二杆塔之间的档距；l_x为所述第二待测导线的弧垂待测点距离小号侧的所述第二杆塔的水平距离；σ₂为所述环境温度为t₂时所述第二待测导线的弧垂的应力；β为高差角，即两个所述第二杆塔上的两个悬挂点连线与水平线的夹角。

进一步，参见图4，所述报警模块4包括相对垂直距离计算单元41和报警单元42，

所述相对垂直距离计算单元41，其与所述数据获取模块1、所述第一变化量计算单元31和所述第二变化量计算单元32连接，用于根据所述原始数据、所述第一变化量和所述第二变化量计算所述第一待测导线与所述第二待测导线之间的相对垂直距离；参图6至图8，所述相对垂直距离为：

s＝(h₁-f)-(h₂-g)

其中，s是所述第一待测导线与所述第二待测导线之间的相对垂直距离；h₁是所述第一待测导线的原始垂直高度；h₂是所述第二待测导线的原始垂直高度；g是第二待测导线的弧垂的第二变化量；其中，h₁-f是在环境温度为t₂时所述第一待测导线的高度；h₂-g是在环境温度为t₂时所述第二待测导线的高度。

所述报警单元42，其与所述相对垂直距离计算单元41连接，用于在所述相对垂直距离小于等于所述预设范围时，发出报警信息。所述预设范围可根据实际情况进行设置，如预设范围为1m时，当所述待测导线与所述待测树木的相对垂直距离小于等于1m时，所述报警单元42就会发出警报。

实施例二、参见图5，一种两条导线之间的相对垂直距离的动态预测方法，包括如下步骤：

步骤1：获取第一待测导线与第二待测导线所在环境的原始数据；

步骤2：根据所述原始数据建立所述第一待测导线与所述第二待测导线的三维模型；

步骤3：根据环境的变化实时更新所述三维模型；

步骤4：实时监测更新后的三维模型中所述第一待测导线与所述第二待测导线之间的相对垂直距离，并在所述相对垂直距离小于等于预设范围时，发出报警信息。

进一步，所述原始数据包括悬挂所述第一待测导线的两个第一杆塔之间的档距、所述第一待测导线的弧垂待测点距离小号侧的所述第一杆塔的水平距离、两个所述第一杆塔上的两个悬挂点连线与水平线的夹角、所述第一待测导线的原始弧垂、所述第一待测导线的原始垂直高度、悬挂所述第二待测导线的两个第二杆塔之间的档距、所述第二待测导线的弧垂待测点距离小号侧的所述第二杆塔的水平距离、两个所述第二杆塔上的两个悬挂点连线与水平线的夹角、所述第二待测导线的原始弧垂、所述第二待测导线的原始垂直高度、及所述环境下的气象条件。

进一步，所述步骤3的具体实现为：

步骤31：根据所述原始数据，并结合导线任一点弧垂计算的第一公式计算在环境温度为t时所述第一待测导线的弧垂的第一变化量；

步骤32：根据所述原始数据，并结合导线任一点弧垂计算的第一公式计算在环境温度为t时所述第二待测导线的弧垂的第二变化量；

步骤33：根据所述原始数据、所述第一变化量和所述第二变化量，实时更新所述三维模型。

进一步，所述步骤31的具体实现为：

步骤311：根据导线任一点弧垂计算的第一公式计算在环境温度为t₂时所述第一待测导线的弧垂；所述第一公式如下：

其中，f₂是在环境温度为t₂时所述第一待测导线的弧垂；r为所述第一待测导线比载；l为悬挂所述第一待测导线的两个第一杆塔之间的档距；l_x为所述第一待测导线的弧垂待测点距离小号侧的所述第一杆塔的水平距离；σ₂为所述气象条件的环境温度为t₂下所述第一待测导线的弧垂的应力；β为高差角，即两个所述第一杆塔上的两个悬挂点连线与水平线的夹角；

步骤312：根据所述原始数据和所述第一待测导线的弧垂计算所述第一变化量；所述第一变化量为：

f＝f₂-f₁

其中，f是第一变化量；f₁是所述第一待测导线的原始弧垂。

本实施例中，导线比载r一般可直接从工程资料中查阅获取；或者可通过以下方式得到：

式中，q为导线的单位长度质量，单位为kg/km；A为导线的截面积，单位为mm²；g为重力加速度，g＝9.80665，单位为m/s²；

环境温度t₂下导线的预测应力σ₂通过以下方式得到：

式中，E为导线弹性系数，α为温度膨胀系数，t₂与t₁分别为预测时环境温度(对应高温)和原始环境温度(对应低温)，σ₁是原始观测时求出的观测档所在耐张段的代表档距的代表应力，单位为MPa；

其中，所述待测导线的原始应力σ₁通过以下方式得到：

。

除此之外，还可通过以下方式得到导线温度T_e：

T_e＝2.238+8.36×10^-6×I²-0.00141×I+0.9992×T

式中，导线的温度T_e单位为W/m；I为负荷电流，单位为W/m；T为环境温度，与t₂相等。

进一步，所述第二变化量的计算过程与所述第一变化量的计算过程相同，首先需经过所述第一公式计算以得到在环境温度为t₂时所述第二待测导线的弧垂；之后再通过环境温度为t₂时所述第二待测导线的弧垂(图8中的g_x)与所述第二待测导线的原始弧垂(图8中的g₁)的差值得到所述第二变化量(图8中的g)；

在通过所述第一公式进行计算在环境温度为t₂时所述第二待测导线的弧垂时，第一公式中，f_x是在环境温度为t₂时所述第二待测导线的弧垂；r为所述第二待测导线比载；l为悬挂所述第二待测导线的两个第二杆塔之间的档距；l_x为所述第二待测导线的弧垂待测点距离小号侧的所述第二杆塔的水平距离；σ₂为所述气象条件的环境温度为t₂下所述第二待测导线的弧垂的应力；β为高差角，即两个所述第二杆塔上的两个悬挂点连线与水平线的夹角。

进一步，所述步骤4的具体实现为：

步骤41：根据所述原始数据、所述第一变化量和所述第二变化量计算所述第一待测导线与所述第二待测导线之间的相对垂直距离；所述相对垂直距离为：

s＝(h₁-f)-(h₂-g)

其中，s是所述第一待测导线与所述第二待测导线之间的相对垂直距离；h₁是所述第一待测导线的原始垂直高度；h₂是所述第二待测导线的原始垂直高度；g是第二待测导线的弧垂的第二变化量；

步骤42：在所述相对垂直距离小于等于所述预设范围时，发出报警信息。

本发明通过无人机现场巡检时的架空输电线路导线温度获取第一待测导线原始弧垂和第二待测导线的原始弧垂，在此温度和弧垂的基础上，建立第一待测导线与第二待测导线的三维模型，并计算任意导线温度的导线弧垂变化的空间位置，以对三维模型进行实时更新，对第一待测导线和第二待测导线的环境进行预测模拟，便于操作人员在无人机巡视周期期间，通过所述三维模型监控架空输电线路通道；同时本发明还对第一待测导线与第二待测导线之间的相对垂直距离进行实时预测，并在所述相对垂直距离小于等于预设范围时发出报警信息，便于操作人员及时到达现场进行处理；以避免电网出现安全问题；本发明可使每年至少节省9至10次无人机架空输电线路通道巡视周期，社会效益和经济效益十分显著。

根据本发明提供的两条导线之间的相对垂直距离的动态预测方法预测数据如下：

上表中的预测值的误差主要分为几个方面：1、计算精度误差：取百分之一，电气安全距离按1m的裕度计算，误差应在1cm；2、原始数据误差：无人机激光雷达测量精度为cm级，一般情况在2至3cm。在极端条件下，当两条线路导线弧垂测量，一条为正误差另一条为负误差时，相对最大误差为6cm。

综上所述，预测值的最大综合误差为：计算精度误差1cm+原始数据误差6cm＝7cm。根据架空输电线路管理要求，针对动态净空距离的隐患，净空电气安全距离均按1m的裕度管理，所以，预测值的最大综合误差的精度完全满足要求。

由上表的预测值误差数据可以看出，通过本发明所提供的两条交叉跨越的导线之间的相对垂直距离的动态预测方法预测的相对垂直距离的误差较小，预测的相对垂直距离可靠。

以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。