免棱镜激光测距法在电力线舞动治理中的应用研究

李 斌，朱亚光，吴 帅

(山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南 250100)

免棱镜激光测距法在电力线舞动治理中的应用研究

李 斌，朱亚光，吴 帅

(山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南 250100)

目前，我国输电线路的舞动治理正成为一个电力行业重要的研究课题。而其治理的主要措施便是加装防舞装置，为此需要精确测量安装位置的电力线导线相间三维距离才能保证防舞装置安装准确。通过多种方法比较，全站仪免棱镜激光测距法可以认为是目前最为成熟，实施效率较高，且测量精度满足施工要求的一种测量方法。

免棱镜激光测距法；电力线 ；舞动治理；精度。

1 概述

由于我国幅员辽阔，地理及气象条件复杂多变，使得我国很多地区的电网在冬季易遭受冰雪、大风天气影响，引发气象灾害，加之近年来的气候变化，恶劣气象频繁出现，造成我国电网遭受气象灾害的概率、程度都大为增加。在我国电网气象灾害中，架空导线覆冰舞动是发生频率高、影响范围广、造成损失较大的一种灾害形式，严重威胁到电网的安全稳定运行。面对复杂的环境因素，为建设坚强国家电网、确保大电网的长期安全稳定运行，需要安全、先进、经济、可靠的防舞动措施作为保证。在运输电线路舞动治理的主要措施是加装防舞装置，因此为保证防舞装置的准确安装，需要精确测量出电力线需安装位置的相间三维距离。

2 技术方法分析

根据测量技术要求，经过多次讨论及调研分析，现阶段可采用机载激光扫描测高系统法、三维激光扫描仪法、全站仪激光测距法这三种方法作为可实施方法，这三种方法的作业特点如下。

(1)机载激光扫描测高系统法

采用机载激光扫描测量系统进行电力线勘测设计测量及生产运行监测，是目前国际常用的方法，但利用直升机进行电力线扫描，虽然作业效率很高，但无论是前期设备的购买，还是后期的使用，其费用都相当昂贵。由于我国目前经济实力和科技水平的限制，尚不具备全面、系统开展直升机电力作业的条件。因此目前来看此方法尚不满足本工程实际作业需要。

(2)三维激光扫描仪法

采用三维激光扫描仪进行电力线测量，具体的是在电力线中心位置架设仪器，对电力线进行扫描，待扫描结束后从扫描的空间数据中量取需要测量电力线位置的空间距离。相比较机载激光扫描测高系统，设备费用较低，但作业过程中需要人工搬运，仪器设备较重(约60kg)。而且三维激光扫描仪对扫描距离也有要求，一般不能超过300m，但500kV电力线的档距一般会超过300m，需要进行两次扫描观测才能完成，因此测量一档耗时长；且内业处理数据量非常大，需要采购专门的软件系统和大容量计算机。因此现阶段该作业方法作业效率一般，同时造价相对较高。

(3)全站仪激光测距法

采用此方法进行电力线测量，具体来说就是先用GPS RTK方法测量电力线铁塔，根据设计专业要求找到需要测量电力线的位置，然后在偏离电力线的一定位置架设全站仪，采用全站仪的免棱镜激光测距法测出需要测量位置电力线的空间坐标，然后根据空间坐标计算其空间距离。此方法跟上两种方法相比，其特点是仪器设备轻便灵活、操作方便，作业效率较高。因此免棱镜激光测距法便于推广应用。

3 免棱镜激光测距法技术分析

(1)作业原理

前面比较分析可知，全站仪激光测距法作业效率较高，其具体作业流程如下：

①用GPS RTK方法测量电力线铁塔铁腿，计算塔中心坐标T1和T2，在测量手薄中根据中心坐标连T1和T2成线。

②根据设计专业提供的电力线测量位置表，找到距离T1为Sm的线路中心位置，然后在此距离处垂直线路方向上偏离中心Mm的位置，读出此处的手薄显示的累距值和偏距值，即以S为X、M为Y、H为此点高程。即此处空间坐标为(S，M，H)。

③将全站仪架设在此位置，利用极坐标法进行电力线空间距离测量。测量电力线读数中所测点的X值应都为S，这样也就保证所测位置准确。

④将测量各点的数据输出整理，计算出各电力线空间距离。

作业示意见图1。

图1 电力线空间距离测量示意图

(2)精度分析

全站仪激光测距法的测量精度主要包括GPS-RTK的测点精度和全站仪的测点精度。

G P S-R T K的标称精度为：平面10mm+1ppm，高程20mm+1ppm。其作业距离一般都小于5km，且工作基点和后视工作基点都有GPS-RTK测得，因此点位精度最大可视为：平面±2cm，高程±5cm。而GPS-RTK主要是测量出工作基点A和后视工作基点B的坐标高程，而通过在A点架设全站仪测得a、b、c三点的坐标高程，通过坐标差和高差计算电力线相间距离。因此GPS-RTK只有平面点位精度影响电力线相间距离测量精度。

全站仪的测量精度首先跟使用的测量仪器有关，目前我院常用的免棱镜激光测距仪的标称精度为2mm+2ppm、角度闭合差2.0″。

①全站仪测量平面精度分析

如果设工作基点为A，后视工作基点为B，AB的方位角为α，测量的电力线上的点为P，测得水平距离为D，水平角为β，则可得P点的坐标为：

若先不计仪器和测点的对中误差，则P点的点位中误差为：

若采用标称精度为2mm+2ppm、角度闭合差2.0″的全站仪极坐标观测一测回，取mD=2+2×10-6，mβ=3'' ，当D为200m时，可求得mp为3.8mm。

实际上野外作业时，由于工作基点都为临时架设点，仪器和测点的对中误差存在且较大，因此根据工作经验和实际，可考虑m对中为3mm。

② 全站仪测量高程精度分析

设工作基点到电力线测量点的距离为D，垂直角α、仪器高i、目标高V，顾及大气折光系数K的影响，单向观测计算高差的公式为：

由式(5)可以看出，影响高程测量精度的因素有测距误差mD垂直角观测误差mα、仪器高测量误差mi、站标高测量误差mv、大气折光误差mk。采用高精度的测距仪器和短距离测量，可大大减弱测距误差的影响，垂直角观测误差对高程中误差的影响较大，且与距离成正比的关系；对非强制对中点位，可采用适当的方法提高量取精度；大气折光误差随地区、气候、季节、地面覆盖物、视线超出地面的高度等不同而发生变化，其影响与距离的平方成正比。若采用标称精度为2+2×10-6、2.0''的全站仪观测一测回，取mD= 2+2×10-6，mβ=3''并设D=200m，α=±3''，mi= mv= mK= ±1mm，mK= ±0.2，根据式(5)可求得mh= ±3.1mm。

通过以上分析可以看出，采用免棱镜激光测距法测量电力线相间距离，平面精度m平= mGPS+ mP+ m对中=36.8mm；高程精度m高=±3.1mm，导线点位测量误差36.9mm，距离误差为52.2mm。而电力线安装测量要求精度只要达到±10cm，即能满足施工要求。因此此方法作为电力线测量的主要技术手段从作业方法和精度上分析都满足要求。

4 应用实例

2010年5月至8月，先后完成了山东境内的500kV益川线、滨油线、寿油线、光寿线、霞昆线、辛聊线的部分线路的电力线测量工作，共测量完成电力线近400km。

为检验全站仪激光测距法的测量精度，在作业期间，也采用了三维激光扫描仪法进行作业比较，两种方法共同共测量了24组数据，从作业成果上来看，两方法测量精度相当，相差最大为3cm，最小的为3mm，但作业效率相差较大，完成8档24个测量距离工作，全站仪激光测距法需要1天的时间，而三维激光扫描仪法需要2天的时间。

表1 三维激光扫描仪法与全站仪激光测距法比较

5 结语

5.1 注意事项

(1)由于电力线导线的直径只有26.8mm，采用免棱镜激光测距法应考虑全站仪测距架设基点点的选择问题，经实地测量比较分析，仪器架设基点应偏离中心在60m～120m之间为宜，这样既能保证激光可以反射读数，也不会出现因全站仪视线仰角角度过大而无法观测的情况。

(2)测量记录的数据为坐标形式，野外作业应编制专门的记录表格。记录人员应根据坐标数据判断所测值之间的差值在允许范围之内，经实地测量分析，坐标和高程的差值应保证在5cm之内，所测电力线相间三维距离精度可以达到±10cm。

(3)避免出现测量粗差，如测错了电力线，应采用两次架站的方法观测同一个电力线位置，以及在测量过程中采用正倒镜观测的方法保证瞄准电力线的正确性。在相间距离计算完成后，应根据相间距离规律进行距离验证，如在需测量的1/4处和3/4处在相同塔型的情况下相间距离近似相等。

⑷电力线测量工作也受天气的影响较大。根据经验，当室外风力达到3级以上时，免棱镜激光测距法一般无法测量，应选择微风天气观测才能保证测量精度。

5.2 结论

通过以上的研究分析，全站仪激光测距法的测量精度能满足施工技术要求，具备操作简单、灵活的特点，且测量数据整理简单，能较快提供测量成果，因此该方法值得在此类工程中加以推广应用。鉴于目前全站仪激光测距法测量应用的地形多为平地或丘陵，因此，还需要进一步开展机载激光扫描测高系统法在山区进行高压线导线相间距离精确测量的应用研究。

[1]田林亚，等．利用全站仪同时监测公路施工阶段水平位移和垂直位移[J]．勘察科学技术，2004，(6)．

[2]孔祥元，梅是义．控制测量学[M]．武汉：武汉测绘科技大学出版社，1996．

[3]章书寿，华锡生．工程测量[M]．北京：水利电力出版社．1994．

Application of Non-prism Laser Ranging to Galloping Control of Electric Transmission Lines

LI Bin, ZHU Ya-guang, WU Shuai
(Shangdong Electric Power Engineering Consulting Institute Corporation, Ltd, Ji'nan 250013, China)

At present, the galloping control of electric transmission lines in our country is becoming an important subject in the electric power research fi eld. The main method is to install a device to avoid the swing. And therefore the distance between the power lines at the points to install the device has to be known with high precision, so as to achieve the installation accurately. Through the many kinds of methods, the total station without prism laser ranging method may be thought as a mature approach of high ef fi ciency, and it can satisfy the requirement of survey accuracy.

non-prism total station laser ranging; electric transmission line; galloping control; precision.

P2

B

1671-9913(2011)03-0011-04

2011-03-03

李斌(1981- )，男，山东沂源人，工程师，从事电力工程测量工作。