一種三維架空電力線模型的構(gòu)建方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種建立三維架空電力線模型的方法，所述方法在基于實(shí)際參數(shù)的基礎(chǔ)上能自動(dòng)生成符合實(shí)際情況的三維電力線路模型，所述方法包括計(jì)算桿塔的海拔高度、計(jì)算桿塔的轉(zhuǎn)角、建立桿塔掛點(diǎn)相對(duì)于塔基原點(diǎn)的偏移量、計(jì)算掛點(diǎn)的實(shí)際三維坐標(biāo)、計(jì)算樣點(diǎn)處弧垂fx并通過懸鏈線方程擬合懸掛曲線的步驟。在本發(fā)明中只要求提供相鄰桿塔的經(jīng)緯度坐標(biāo)、該區(qū)域的高程數(shù)據(jù)、該區(qū)段的氣象條件參數(shù)、該耐張段的電力線材參數(shù)等即可自動(dòng)生成基本符合實(shí)際情況的導(dǎo)線模型，對(duì)于后續(xù)基于三維GIS的電力行業(yè)空間分析提供極大方便。
【專利說明】一種三維架空電力線模型的構(gòu)建方法及系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】:
[0001]本發(fā)明屬于三維地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)可視化領(lǐng)域，特別涉及一種三維電力線路模型構(gòu)建方法和系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】:
[0002]三維地理信息系統(tǒng)是在傳統(tǒng)地理信息系統(tǒng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，以真實(shí)三維場景虛擬現(xiàn)實(shí)，具有直觀、真實(shí)、可視和高效等特點(diǎn)，已在數(shù)字城市等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。與此同時(shí)，隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，電力公司所要管理的電力設(shè)備數(shù)據(jù)等信息成倍增長，針對(duì)這些日益增長的信息進(jìn)行科學(xué)有效的管理成為電網(wǎng)管理者亟待解決的問題。故電力模型的高效可視化和有效管理成為三維地理信息系統(tǒng)的一項(xiàng)重要功能。因輸電線路一般工作距離較長，覆蓋范圍廣闊，涉及城市、鄉(xiāng)村和野外，電力線路錯(cuò)綜復(fù)雜需要靈活地管理方式。
[0003]目前已有的電力線路建模技術(shù)主要分為兩類:電力線路模型的手動(dòng)建模和電力線路模型的自動(dòng)建模。手動(dòng)建模方法首先根據(jù)實(shí)際需求用人工的方式通過建模軟件建立桿塔模型、輸電線路模型以及附屬模型(如絕緣子等)，然后將建立好的模型疊加進(jìn)三維地理信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)可視化的效果，進(jìn)而可以根據(jù)模型的位置疊加相關(guān)的業(yè)務(wù)信息。這類方法的流程較為簡單，雖然實(shí)現(xiàn)了電力模型的可視化效果，但是其缺點(diǎn)顯而易見主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:
[0004]首先，人工建模成本較大，電力線路模型具有分布廣泛的特點(diǎn)，建模是要考慮到地形等因素，對(duì)建模人員的技術(shù)要求較高；
[0005]其次，模型的重復(fù)利用能力較差，如果更換新的應(yīng)用需要重新建模；
[0006]再次，靈活性差，不便于管理。三維電力地理信息系統(tǒng)的功能主要為電力線路模型的可視化和電力線路模型的管理，電力線路模型錯(cuò)綜復(fù)雜隨著時(shí)間的改變電力線路往往存在添加、修改和刪除的實(shí)際管理需求，采用這種手動(dòng)建模方式則需要返回建模階段對(duì)模型進(jìn)行修改，然后重新疊加到場景中。
[0007]目前的電力線路自動(dòng)建模的方法，采用懸垂度方程生成電力線路。這種方式可實(shí)現(xiàn)輸電線路的自動(dòng)建模，但是這種方式要根據(jù)具體情況生成懸垂度方程，在不同虛擬地理場景中需要建立不同的懸垂方程，靈活性差，而且線路仿真度不高，懸垂度校正比較繁瑣。

【發(fā)明內(nèi)容】
:
[0008]本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，特提出一種三維電力線路模型構(gòu)建系統(tǒng)和方法，在提供一些實(shí)際參數(shù)的基礎(chǔ)上，自動(dòng)生成符合實(shí)際情況的三維電力線路模型。
[0009]本發(fā)明提供一種建立三維架空電力線模型的方法，所述方法在基于實(shí)際參數(shù)的基礎(chǔ)上能自動(dòng)生成符合實(shí)際情況的三維電力線路模型，所述方法包括以下步驟:
[0010]I)計(jì)算桿塔的海拔高度；
[0011]2)計(jì)算桿塔的轉(zhuǎn)角；
[0012]3)建立桿塔掛點(diǎn)相對(duì)于塔基原點(diǎn)的偏移量；[0013]4)計(jì)算掛點(diǎn)的實(shí)際三維坐標(biāo)；
[0014]5)計(jì)算樣點(diǎn)處弧垂fx并通過懸鏈線方程擬合懸掛曲線。
[0015]本發(fā)明還提供一種建立三維架空電力線模型的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)在基于實(shí)際參數(shù)的基礎(chǔ)上能自動(dòng)生成符合實(shí)際情況的三維電力線路模型，所述系統(tǒng)包括以下計(jì)算模塊:
[0016]I)桿塔的海拔高度計(jì)算模塊:用于計(jì)算桿塔的海拔高度；
[0017]2)桿塔的轉(zhuǎn)角計(jì)算模塊:用于計(jì)算桿塔的轉(zhuǎn)角；
[0018]3)偏移量計(jì)算模塊:建立桿塔掛點(diǎn)相對(duì)于塔基原點(diǎn)的偏移量；
[0019]4)掛點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算模塊:用于計(jì)算掛點(diǎn)的實(shí)際三維坐標(biāo)；
[0020]5)懸掛曲線擬合計(jì)算模塊:用于計(jì)算樣點(diǎn)處弧垂fx并通過懸鏈線方程擬合懸掛曲線。
[0021]在本發(fā)明中只要求提供相鄰桿塔的經(jīng)緯度坐標(biāo)、該區(qū)域的高程數(shù)據(jù)、該區(qū)段的氣象條件參數(shù)、該耐張段的電力線材參數(shù)等即可自動(dòng)生成基本符合實(shí)際情況的導(dǎo)線模型，對(duì)于后續(xù)基于三維GIS的電力行業(yè)空間分析提供極大方便。
【專利附圖】

【附圖說明】:
[0022]圖1為本發(fā)明中桿塔轉(zhuǎn)角示意圖；
[0023]圖2為本發(fā)明中桿塔轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換圖；
[0024]圖3為本發(fā)明中塔掛點(diǎn)相對(duì)于塔基原點(diǎn)的偏移量的示意圖；
[0025]圖4為本發(fā)明中導(dǎo)線懸鏈線及坐標(biāo)系；
[0026]圖5為本發(fā)明中導(dǎo)線受力情況示意圖；
[0027]圖6為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)際的三維電力線路模型圖；
[0028]圖7為本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)際的三維電力線路模型圖。
【具體實(shí)施方式】:
[0029]以下內(nèi)容結(jié)合說明書附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作詳細(xì)說明:
[0030]一種基于實(shí)際情況參數(shù)的三維架空電力線模型的程序構(gòu)建方法，包括以下四個(gè)步驟:
[0031]一、計(jì)算桿塔的海拔高度:
[0032]根據(jù)DEM地形高程數(shù)據(jù)和桿塔的經(jīng)緯度坐標(biāo)計(jì)算得到該桿塔的海拔高度:經(jīng)緯度稱為地理坐標(biāo)系統(tǒng)，它是一種利用三度空間的球面來定義地球上的空間的球面坐標(biāo)系統(tǒng)，能夠標(biāo)示地球上的任何一個(gè)位置，在確定研究范圍之后，通過軟件可以確定目標(biāo)范圍的中心經(jīng)緯度或者經(jīng)緯度范圍。
[0033]一個(gè)柵格DEM是一個(gè)正方形或者像素個(gè)網(wǎng)格，每個(gè)正方形的方格長度表示該地理位置的高程。
[0034]一旦桿塔的經(jīng)緯度確定，就能根據(jù)該地區(qū)的DEM得到該桿塔的海拔高度，本發(fā)明中可選擇一個(gè)GIS工具gdal通過命令行完成。
[0035]二:計(jì)算桿塔的轉(zhuǎn)角:
[0036]根據(jù)前后兩個(gè)桿塔計(jì)算中間桿塔的轉(zhuǎn)角Θ:
[0037]參見圖1:X、Y是坐標(biāo)軸，圓點(diǎn)A、B、C是桿塔的位置，K'是AB連線的延長線，Ty是線A' B與線BC的角平分線，Tx跟Ty垂直，矩形灰塊表示桿塔B的朝向(Ty為桿塔的正面)。
[0038]參見圖2，塔身轉(zhuǎn)角Θ:在XY 二維平面坐標(biāo)系中，以Tx正向相對(duì)于X軸負(fù)方向的轉(zhuǎn)角作為塔身轉(zhuǎn)角，順時(shí)針方向?yàn)檎?，逆時(shí)針方向?yàn)樨?fù)。在經(jīng)緯網(wǎng)中，塔所在位置對(duì)應(yīng)于O點(diǎn)，經(jīng)線對(duì)應(yīng)于X軸，緯線對(duì)應(yīng)于Y軸。
[0039]根據(jù)圖1，圖2，若已知A、B、C三級(jí)桿塔的位置，以A為起始，則桿塔B的轉(zhuǎn)角計(jì)算過程如下:
[0040]1)AB與X軸正向逆時(shí)針夾角廣AB記為桿塔A至桿塔B的矢量方向，由此可根據(jù)ABC與X軸的位置得到Z AB及Z BC ;
[0041]2)Z Ty表示塔身正方向，其方向等于Z AB與Z BC的角平分線方向，其參考值為:Z Ty= ( Z AB+ Z BC) /2 ；
[0042]3) Z Tx表示塔身正左方，其方向等于:Z Tx= Z Ty±90，其中符號(hào)加減是為保證Ty與^同在桿塔正方向。即當(dāng)Ty與記的夾角大于90°時(shí)，Z Tx= Z Ty_90 ;反之，Δ Tx= Δ Ty+90 ；
[0043]4)步驟3)計(jì)算所得角度為以X軸正方向開始逆時(shí)針的轉(zhuǎn)角，轉(zhuǎn)換為塔身的轉(zhuǎn)角Θ，則利用以下公式:Θ =180- Z Tx。
[0044]三、建立桿塔掛點(diǎn)相對(duì)于塔基原點(diǎn)的偏移量
[0045]根據(jù)原始數(shù)據(jù)建立掛點(diǎn)相對(duì)于塔基原點(diǎn)的偏移量，原始數(shù)據(jù)由設(shè)計(jì)圖紙?zhí)峁?，如圖3所示，圖中選中的掛點(diǎn)相對(duì)于塔基原點(diǎn)的偏移量就為offset_x=2.5，offset_y=l.0，offset_z=18,單位均為米。`
[0046]四、計(jì)算掛點(diǎn)的實(shí)際三維坐標(biāo):
[0047]在步驟一中根據(jù)桿塔的經(jīng)緯度(二維地理坐標(biāo))和地形DEM數(shù)據(jù)得到每個(gè)桿塔的三維地理坐標(biāo)(經(jīng)緯度和高程)，其坐標(biāo)系為Cl ；
[0048]在步驟三中根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙建立電力桿塔模型，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙?zhí)峁┑臄?shù)據(jù)建立掛點(diǎn)相對(duì)于塔基原點(diǎn)的偏移量，其坐標(biāo)系為C2 ；
[0049]根據(jù)歐幾里德空間仿射變換和大地測量學(xué)進(jìn)行坐標(biāo)變換，變換后掛點(diǎn)的三維地理坐標(biāo)(經(jīng)緯度和高程)其坐標(biāo)系為C ；
[0050]則C=C1+C2 (這里的加號(hào)是向量代數(shù)中的加)
[0051]具體變換方程為(xyz為桿塔的塔基原點(diǎn)的三維地理坐標(biāo)，X’、y’、z’為桿塔的每個(gè)掛點(diǎn)的三維地理坐標(biāo))
[0052]offset_x, offset_y, offset_z為掛點(diǎn)相對(duì)于塔基原點(diǎn)的偏移量,左手坐標(biāo)系，Θ為桿塔轉(zhuǎn)角
[0053]a=l./ (3600.0*30.887)表示I米在地球赤道圓周上的度數(shù)
[0054]b=a*cos(y)表示I米在地球相應(yīng)纟韋度的度數(shù)
[0055]X1 =x+offset_x*b*cos(Θ)+offset_y*b*sin(Θ))
[0056]y1 =y+x*a*sin(θ)-offset_y*a*cos ( θ))
[0057]z' =z+offset_z
[0058]五、計(jì)算樣點(diǎn)處弧垂fx并通過懸鏈線方程擬合懸掛曲線[0059]獲得相鄰兩個(gè)掛線點(diǎn)A，B的三維地理坐標(biāo)后，在連線AB上等間距取樣點(diǎn)，分別計(jì)算樣點(diǎn)處弧垂fx，從而得到每個(gè)樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)電線上點(diǎn)的高程值，進(jìn)而得到電線上此點(diǎn)的坐標(biāo)，通過這些坐標(biāo)最終得到電線上各樣點(diǎn)，連接后近似為曲線。
[0060]樣點(diǎn)處弧垂fx的計(jì)算方法比較復(fù)雜，先根據(jù)廠家提供的耐張段電力線的線材參數(shù)(截面積，計(jì)算拉斷力，導(dǎo)線計(jì)算質(zhì)量，導(dǎo)線計(jì)算直徑，彈性系數(shù)，熱膨脹系數(shù))和根據(jù)電力線巡檢記錄獲得該桿塔所在耐張段的氣象條件(最大覆冰厚度，最大風(fēng)速)，計(jì)算出全年平均運(yùn)行應(yīng)力TO和各種情況下的比載W，具體算法如下:
[0061]計(jì)算參數(shù):截面積A，拉斷力tp，導(dǎo)線計(jì)算質(zhì)量G，導(dǎo)線計(jì)算直徑d，彈性系數(shù)E，熱膨脹系數(shù)a
[0062]瞬時(shí)破壞應(yīng)力:
【權(quán)利要求】
1.一種建立三維架空電力線模型的方法，所述方法在基于實(shí)際參數(shù)的基礎(chǔ)上能自動(dòng)生成符合實(shí)際情況的三維電力線路模型，其特征在于，所述方法包括以下步驟: 1)計(jì)算桿塔的海拔高度； 2)計(jì)算桿塔的轉(zhuǎn)角； 3)建立桿塔掛點(diǎn)相對(duì)于塔基原點(diǎn)的偏移量； 4)計(jì)算掛點(diǎn)的實(shí)際三維坐標(biāo)； 5)計(jì)算樣點(diǎn)處弧垂fx并通過懸鏈線方程擬合懸掛曲線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述實(shí)際參數(shù)包括DEM地形高程數(shù)據(jù)、桿塔的經(jīng)緯度、廠家提供的耐張段電力線的線材參數(shù)、電力線巡檢記錄獲得該桿塔所在耐張段的氣象條件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟I)是根據(jù)DEM地形高程數(shù)據(jù)和桿塔的經(jīng)緯度坐標(biāo)得到該桿塔的海拔高度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟2)是根據(jù)前后兩個(gè)桿塔計(jì)算中間桿塔的轉(zhuǎn)角Θ:若已知A、B、C三級(jí)桿塔的位置，以A為起始，則桿塔B的轉(zhuǎn)角計(jì)算過程如下: 1)AB與X軸正向逆時(shí)針夾角Z AB記為桿塔A至桿塔B的矢量方向AB ,由此可根據(jù)ABC與X軸的位置得到Z A B及Z BC ; 2)ZTy表示塔身正方向，其方向等于ZAB與ZBC的角平分線方向，其參考值為:Z Ty= ( Z AB+ Z BC) /2 ； 3)ZTx表示塔身正左方,其方向等于Tx= Z Ty±90,當(dāng)Ty與記的夾角大于90°時(shí)，Z Tx= Z Ty-90 ;反之，Z Tx= Z Ty+90 ； 4)根據(jù)步驟3)計(jì)算所得角度為以X軸正方向開始逆時(shí)針的轉(zhuǎn)角，利用以下公式:Θ =180- Z Tx轉(zhuǎn)換為塔身的轉(zhuǎn)角Θ。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟3)是根據(jù)原始數(shù)據(jù)建立掛點(diǎn)相對(duì)于塔基原點(diǎn)的偏移量，原始數(shù)據(jù)由設(shè)計(jì)圖紙?zhí)峁?br> 6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟4)中設(shè)每個(gè)桿塔的三維地理坐標(biāo)為Cl、根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙建立電力桿塔模型的坐標(biāo)系為C2，則變換后掛點(diǎn)的三維地理坐標(biāo)的坐標(biāo)系為C，則C=CI+C2。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，設(shè)X、y、z為桿塔的塔基原點(diǎn)的三維地理坐標(biāo)，X’、y’、z’為桿塔的每個(gè)掛點(diǎn)的三維地理坐標(biāo),offset_x, offset_y, offset_z為掛點(diǎn)相對(duì)于塔基原點(diǎn)的偏移量，Θ為桿塔轉(zhuǎn)角，則:
X1 =x+offset_x氺b氺cos Θ+offset_y*b*sinΘ y' =y+x*a*sinΘ-offset_y*a*cosθ
z' =z+offset_z 其中a表示I米在地球赤道圓周上的度數(shù)，b表示I米在地球相應(yīng)緯度的度數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟5)具體是獲得相鄰兩個(gè)掛線點(diǎn)A、B的三維地理坐標(biāo)后，在連線AB上等間距取樣點(diǎn)，分別計(jì)算樣點(diǎn)處弧垂fx，從而得到每個(gè)樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)電線上點(diǎn)的高程值，進(jìn)而得到電線上此點(diǎn)的坐標(biāo)，通過這些坐標(biāo)最終得到電線上各樣點(diǎn)，連接后近似為曲線。
9.一種建立三維架空電力線模型的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)在基于實(shí)際參數(shù)的基礎(chǔ)上能自動(dòng)生成符合實(shí)際情況的三維電力線路模型，其特征在于，所述系統(tǒng)包括以下計(jì)算模塊: 1)桿塔的海拔高度計(jì)算模塊:用于計(jì)算桿塔的海拔高度； 2)桿塔的轉(zhuǎn)角計(jì)算模塊:用于計(jì)算桿塔的轉(zhuǎn)角； 3)偏移量計(jì)算模塊:建立桿塔掛點(diǎn)相對(duì)于塔基原點(diǎn)的偏移量； 4)掛點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算模塊:用于計(jì)算掛點(diǎn)的實(shí)際三維坐標(biāo)； 5)懸掛曲線擬合計(jì)算模塊:`用于計(jì)算樣點(diǎn)處弧垂fx并通過懸鏈線方程擬合懸掛曲線。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK103559360SQ201310565883
【公開日】2014年2月5日 申請(qǐng)日期:2013年11月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月13日
【發(fā)明者】沈龍, 徐云水, 隴輝, 李銳, 崔光鑫, 邱平, 郭盛琛, 謝俊, 付勇智, 張信波, 許祿云, 高慶虎, 蘭雷 申請(qǐng)人:云南電網(wǎng)公司昭通供電局, 云南昶豐科技有限公司