激光雷达在直升机巡线中的应用.docx

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激光雷达在直升机巡线中的应用

激光雷达在直升机巡线中的应用

第2O卷华中电力2oo7年第6期

激光雷达在直升机巡线中的应用

张险峰,陈功,程正逢,程永,龙维

（1.湖北省黄冈供电公司,湖北黄州438000;2.中南电力设计院,湖北武汉430071）

摘要:

介绍了国内直升机巡线的技术应用情况,分析目前作业模式的优缺点,提出直升机搭载激光雷达来进行巡线,介

绍了德国当前激光雷达巡线的作业模式与流程.并对今后的作业前景进行了展望.

关键词:

直升机巡线;激光雷达:

电网

中图分类号:

TM755;TN958文献标识码:

B文章编号:

1006—6519（2007）06—0033.03

TheApplicationofLaser-RadarforHelicopter

Tran~missionlineInspecti~1ransIn1SS1On11neIns13ectlon

ZHANGXian—feng,CHENGong2,CHENGZhen—feng~,CHENGYongz,LONGWei

现行的超高压线路施工,巡视,检修,维护的模式

艰苦而危险.让电力线路维护工人头痛的是,超高压

线路大多远离城镇和交通干线,在荒山野岭,深沟峡

谷和沼泽湖泊间出入,而且山区蜂害,蛇害对员工的

生命安全也构成了严重威胁.

据专家预测,在未来lO年三峡电力外送,西电东

送和全国联网工程将建成的超高压,特高压输电线路

覆盖全国,输电线路距离长,沿线地形复杂,输电线路

塔体很高,现行输电线路运行维护的管理模式和常规

作业方式,不仅劳动强度大,工作条件艰苦.而且劳动

效率低.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,已不能

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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圈SD161-85（试行）编制说明,电力系统设计技术规程,1987[S].

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

一

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

一

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）

一

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

一

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.

参考文献:

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