一种基于激光雷达的输电线路通道树障检测方法研究

曾雅君 姚文灿 王亮

摘要：我国输电线路分布具有地形复杂、点多、面广的特征，传统的手持激光测距仪进行树障距离测量的方法已不能满足当前输电线路巡检的需求，为此介绍了一种基于激光雷达的输电线路通道树障检测方法，可高效、准确地检测到输电线路的树障情况，值得大力推广应用。

关键词：输电线路;激光雷达;树障

0 引言

架空输电线路由导线、避雷线、杆塔、相应附件及附属设施等组成。运行中的输电线路会因通道内有植被、违章建筑等而威胁线路的安全运行，尤其是在灌木生长茂盛的山林中，输电线路存在的安全隐患更为突出。我国高压架空输电线路总长度超过了115万km，其中跨越复杂植被的输电线路长度达到了51.4万km。据相关资料统计，在输电线路安全隐患成因中，树障占比50%～60%，违章施工及建筑物占比10%～15%，鸟害占比10%～15%，山火占比6%～8%，漂浮物占比7%～10%。由此可见，树障是造成输电线路安全隐患的最主要原因。

传统手持激光测距仪进行树障距离测量的方法，因導线细小难以瞄准、树冠遮挡无法获取树障最高点等，无法有效测量线树距离，测量结果不准确。同时，在很多地形复杂、树木丛生的地方，测量人员难以到达，影响线树距离的测量准确性，采用传统的树障距离测量方法效率极低。

随着无人机在电网输电线路巡检领域的广泛应用以及激光雷达技术的不断发展，无人机搭载激光雷达系统进行树障检测成为输电线路巡线的新手段。

1 基本原理

输电线路巡视人员采用带有RTK模块的无人机搭载激光雷达对线树进行扫描，激光扫描测距雷达通过测量无人机与树顶端的距离及角度、无人机与导线的距离及角度，利用三角函数关系计算线树距离，并自动将距离与不同等级电压的安全距离标准进行比较，在线树距离小于安全距离的区域进行树障危险预警。

1.1    激光雷达测距原理

脉冲方法激光测距是在激光雷达发射激光束后，一部分激光被反射回障碍物，并被激光雷达的接收器接收。同时，雷达可以记录激光发射到接收器接收之间的时间间隔，并可以根据光速计算要测量的距离。

由激光发射器发射出的激光脉冲入射到物体表面引起散射，其中一部分光波会经过反射返回到激光雷达的接收器中，它将光信号转变为电信号记录下来，激光雷达组成如图1所示。同时，由所配备的计时器记录同一个激光脉冲信号由发射到被接收的时间间隔。由于光速是已知的，传播时间间隔即可被转换为测量的距离。激光测距计算公式如下：

式中：r为激光发射器到反射点之间的几何距离;c为光速;t为激光脉冲由发射到被接收的时间间隔。

1.2    三角函数计算线树距离原理

无人机搭载激光雷达可以获得高压线与树木的距离。抽象测距模型如图2所示，将无人机、导线、树顶的位置看成一个三角形的3个顶点，分别为A、B、C。通过激光测距原理可获得无人机到导线、无人机到树顶的距离分别为b、c，激光以0°～360°的角度不断进行扫描，可以得出AC与AB之间的夹角。根据三角函数公式a2=b2+c2-2bccos A，即可求出线树距离a。

无人机搭载激光雷达靠近导线，360°旋转激光测距扫描仪扫描竖直二维截面，实时测算该截面内最小线树距离。无人机沿导线飞行，测量多个连续二维截面的数据，即可测得目标区域线树距离，并自动计算最小线树距离。将最小线树距离与不同电压等级的线树距离标准进行对比，当检测到的线树距离小于标准距离，则判定为存在树障隐患，如图3所示。

2 实际应用

无人机搭载激光测距雷达，可实时扫描无人机到下导线的距离，实时计算并显示树障距离，并快速出具树障隐患报告。树障检测具体实施步骤：起飞前检查→设定参数→自动巡航→自动返航→现场产生报告。基于激光雷达的输电线路通道树障检测方法实际运用到某500 kV输电线路的巡检效果如图4所示，报告如图5所示。

3 结语

大部分输电线路所处环境复杂，传统的手持激光测距仪进行树障距离测量的方法已不能满足需求，为此，本文介绍了一种基于激光雷达的输电线路通道树障检测方法，将其运用于某500 kV输电线路巡检中，结果表明该方法可高效、准确地检测到输电线路的树障情况，值得大力推广应用。

[参考文献]

[1] 毛强.基于机载激光雷达智能测距输电线路树障的方法研究[J].湖北电力，2017，41（2）：20-23.

[2] 胡振斌，叶水勇，朱兵，等.架空输电线路巡线机器人的研制及应用[J].国网技术学院学报，2017，20（3）：19-23.

[3] 周志文.输电线路的无人机测距技术研究与应用[D].北京：华北电力大学，2014.

[4] 李俊，黄建伟，曹志勇，等.无人机智能测距在输电线路的应用[J].自动化应用，2020（1）：64-66.

[5] 尹平安，邹敏君，许玥，等.输电线路智能故障诊断系统在一起树障故障中的应用[J].现代工业经济和信息化，2018（18）：127-129.

收稿日期：2020-09-04

作者简介：曾雅君（1987—），男，湖南娄底人，助理工程师，研究方向：无人机搭载激光雷达对输电线路巡检的数据处理。