變電站工程軟導(dǎo)線裝配三維仿真測控系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種變電站工程中軟導(dǎo)線的測控技術(shù)，特別是一種變電站工程軟導(dǎo)線裝配三維仿真測控系統(tǒng)，采用無棱鏡式全站儀加三維立體模擬仿真模型系統(tǒng)，以完成軟導(dǎo)線坐標測量與計算機模擬電纜整體三維空間效果，進而高效安全完成導(dǎo)線實地安裝。采用的全站儀進行非接觸式測量，對變電工程軟導(dǎo)線下料長度的數(shù)學模型進行研究和驗證，并通過計算機設(shè)計導(dǎo)線三維空間布局安裝效果圖。技術(shù)效果在于：1、在變電站架空導(dǎo)線及引下線安裝中使用，提高施工效率；2、改擴建工程中減少停電時間及降低施工中高空作業(yè)風險；3、提高軟導(dǎo)線安裝的精確性，觀感達到施工質(zhì)量優(yōu)質(zhì)；4、良好的人機對話界面，操作簡單方便；5、通用性強，多種材質(zhì)多種規(guī)格軟導(dǎo)線適用。
【專利說明】變電站工程軟導(dǎo)線裝配三維仿真測控系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種變電站工程中軟導(dǎo)線的測控技術(shù)，特別是一種變電站工程軟導(dǎo)線裝配三維仿真測控系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著變電架空線向高壓迅速發(fā)展和環(huán)保的要求，變電站結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，電塔在軟導(dǎo)線架設(shè)中普遍應(yīng)用。電塔高度高、結(jié)構(gòu)根開大以及電塔斜率大，變電站中橫擔高、線路多，給軟導(dǎo)線測量、架設(shè)與施工帶來質(zhì)量誤差、效率低下與安全隱患。
[0003]在導(dǎo)線施工中，軟導(dǎo)線安裝的步驟有:測量、計算、放樣壓接、架線安裝。在改擴建工程中，軟導(dǎo)線的檔距測量必須在相鄰設(shè)備或者主導(dǎo)線停電后，使用鋼卷尺等硬尺寸工具進行實地測量，并經(jīng)過現(xiàn)場計算后得出實際需要的軟導(dǎo)線長度。關(guān)于軟導(dǎo)線長度的計算，由于涉及參數(shù)多，計算過程復(fù)雜，計算時間長，工作效率低，同時還會帶來許多人為的誤差。這種安裝流程增加了施工人員多次上下塔架高空作業(yè)的危險性，同時嚴重浪費大量的停電時間，造成電網(wǎng)經(jīng)濟損失。例如，2011年，在寧德500kV變電站核電間隔擴建工程軟導(dǎo)線安裝中，需要更換2檔高空導(dǎo)線及安裝6檔高空導(dǎo)線。停電施工需要10個階段，每個階段都必須有設(shè)備停役時間按在8天以上。2012年，在東臺500kV變電站福清核電間隔擴建工程軟導(dǎo)線安裝中，需要更換4檔高空導(dǎo)線及安裝6檔高空導(dǎo)線。停電施工需要9個階段，每個階段都必須有設(shè)備停役時間按在6天以上，有些甚至需要停電10天。諸如此類的事情，造成經(jīng)濟損失的情況下，還嚴重影響電網(wǎng)的運行安全，并增加了施工中安全風險的管控難度。
[0004]伴隨著計算機軟件和硬件技術(shù)的快速發(fā)展，計算機圖形學也得到了質(zhì)的發(fā)展并在各個行業(yè)中廣泛應(yīng)用。電力行業(yè)中，如輸電線連接設(shè)計大多是基于AutoCAD的二維平面制圖，500kV變電站設(shè)備多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，整個變電站的設(shè)計施工圖大多也是由基于AutoCAD的十幾張二維平面圖紙組成。這些圖紙畫面粗糙、制圖時間久、且可設(shè)置性差。輸電線電塔連接和變電站建設(shè)缺乏預(yù)先觀察設(shè)計效果，往往會造成設(shè)計失誤、細節(jié)忽略、延長工期等后果O

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的不足之處而提供一種能夠在安裝前預(yù)先模擬導(dǎo)線安裝效果，使得施工過程簡化、工作效率高、避免人為誤差，減少停電時間，確保導(dǎo)線精確安裝的變電站工程軟導(dǎo)線裝配三維仿真測控系統(tǒng)。
[0006]本發(fā)明的目的是通過以下途徑來實現(xiàn)的:
[0007]變電站工程軟導(dǎo)線裝配三維仿真測控系統(tǒng)，其要點在于，包括如下組成:
[0008]提供全站儀，其能夠測量角度、坐標、距離，對測量數(shù)據(jù)進行自動記錄、儲存、計算和通訊；固定好全站儀并調(diào)整好全站儀本身的坐標系，全站儀為坐標系原點，測量單相或者三相的每根軟導(dǎo)線的兩個懸掛點的空間坐標值，絕緣子金具串長、導(dǎo)線的檔距以及高差，并保存在全站儀的數(shù)據(jù)存儲空間中；[0009]提供參數(shù)輸入設(shè)置模塊，將標準參數(shù)以及全站儀所測量的參數(shù)傳送給該參數(shù)輸入設(shè)置模塊，所述標準參數(shù)包括軟導(dǎo)線在內(nèi)的與軟導(dǎo)線架設(shè)連接的變電站設(shè)備的標準參數(shù)，例如耐張串、間隔棒、絕緣子、軟導(dǎo)線、氣象區(qū)等標準輸入?yún)?shù)；測量參數(shù)為絕緣子金具串長，分為左邊和右邊長度，
[0010]對軟導(dǎo)線下料長度進行建模，建模步驟如下:
[0011]I)利用導(dǎo)線在各狀態(tài)下的荷重、支點反力、剪力、力矩以及荷重因數(shù)的計算獲得導(dǎo)線在各狀態(tài)時的水平應(yīng)力、水平張力和導(dǎo)線的弧垂:
[0012]On2(On-A)=Cn
[0013]其中Cn= ξ DnCos2 Y , A= σ m- ξ Dm/ σ m2- a E (tn~tm) cos y ；
[0014]σ m，Dffl和tm分別為在已知條件m時的導(dǎo)線應(yīng)力，導(dǎo)線荷重因數(shù)和導(dǎo)線溫度；σ n、Dn和、分別在待求條件m時的導(dǎo)線應(yīng)力、導(dǎo)線荷重因數(shù)和導(dǎo)線溫度；α為導(dǎo)線的溫度線膨脹系數(shù)，E為導(dǎo)線材料的彈性系數(shù)；ξ為導(dǎo)線材料的彈性模量，€=(Ec0SY)/(21d S2)，S為導(dǎo)線截面；Y為懸掛點連線與水平線間的夾角；
[0015]2)先假定最大弧垂fmax發(fā)生在某一狀態(tài)，用牛頓迭代法求出此狀態(tài)的水平拉力H，求出應(yīng)力σ ;
[0016] [0017]3)然后由步驟2)的結(jié)果作為已知條件，求解另一狀態(tài)時的σ，進而求出H，最后得到弧垂f的數(shù)學模型；
[0018]4)若解得其他狀態(tài)的弧垂均小于fmax，則假定正確。否則重新假定fmax發(fā)生在另一狀態(tài)，跳到步驟(2)，并且進行一樣的計算，直至假定正確；從而獲得導(dǎo)線的控制狀態(tài)；
[0019]5)根據(jù)導(dǎo)線的控制狀態(tài)獲得施工條件下的弧垂，并由該弧垂獲得下料長度的數(shù)學模型；
[0020]對獲得的下料長度的數(shù)學模型進行如下校驗:
[0021]A通過全站儀對現(xiàn)場實際的導(dǎo)線在某一檔距下的弧垂進行測量，并提取該實際測量導(dǎo)線的下料長度；
[0022]B以全站儀所測量的數(shù)據(jù)，以及實際測量導(dǎo)線上的各設(shè)備標準數(shù)據(jù)通過上述步驟
5)獲得的下料長度數(shù)學模型進行計算，比較計算獲得的下料長度值和實際測量導(dǎo)線的下料長度值，獲得模型誤差；
[0023]C根據(jù)誤差對下料長度的數(shù)學模型進行改進，并獲得最終的弧垂和下料長度的數(shù)學模型；
[0024]根據(jù)校驗后的下料長度數(shù)學模型計算獲得最終的施工用下料長度；
[0025]提供變電站仿真系統(tǒng)，導(dǎo)入變電站的場景模型和設(shè)備模型，以及變電站標準數(shù)據(jù)，并根據(jù)導(dǎo)線形態(tài)數(shù)學模型以及連接方式模型將最終獲得的施工用下料長度的軟導(dǎo)線，以裝配三維模擬圖的形式進行生成和顯示。
[0026]本發(fā)明采用的全站儀進行非接觸式測量，對變電工程軟導(dǎo)線下料長度的數(shù)學模型進行研究和驗證，并通過計算機設(shè)計導(dǎo)線三維空間布局安裝效果圖，為輸變電工程改擴建工程提供快速有效的評估方案，能大大簡化施工過程，改進安裝工藝，提高工作效率和施工安全性，能夠在安裝前預(yù)先模擬導(dǎo)線安裝效果，避免人為誤差，減少停電時間，確保導(dǎo)線精確安裝。本發(fā)明所述變電站工程軟導(dǎo)線裝配三維仿真測控系統(tǒng)整體造型簡單輕便實用，單人可以使用，操作簡單，使用方便。從根本上改善了傳統(tǒng)的軟導(dǎo)線安裝模式，大大提高了安裝效率，適用于多電壓等級多類型軟導(dǎo)線設(shè)備安裝。
[0027]本發(fā)明可以進一步具體為:
[0028]全站儀包括有測角部分、補償部分、測距部分、中央處理器、輸入/輸出模塊、電源和數(shù)據(jù)通信單元；其中測角部分、補償部分和測距部分分別與中央處理器連接，中央處理器則通過輸入/輸出模塊與數(shù)據(jù)通信單元連接。
[0029]除此之外還有顯示屏和鍵盤，均與輸入/輸出模塊連接。中央處理器根據(jù)用戶的輸入指令，確定各種測量方式，自行計算并并對數(shù)據(jù)進行處理；測角部分為電子經(jīng)緯儀，主要用來測定水平和豎直角度；測距部分為光電測距儀，用于測量兩個目標間的距離；補償部分主要功能是針對儀器垂直軸傾斜引起的水平、垂直角度測量誤差而進行自動補償改正；輸入輸出由鍵盤、雙向數(shù)據(jù)通訊接口和顯示屏組成，鍵盤實現(xiàn)參數(shù)的設(shè)置、模式的選擇，雙向數(shù)據(jù)通訊接口實現(xiàn)全站儀和計算機之間的數(shù)據(jù)通訊，顯示屏直觀的顯示操作界面及數(shù)據(jù)顯示；電源是全站儀最重要的部件之一，電池的好壞、電量的多少決定了現(xiàn)場測量的時間，尤其對于免棱鏡全站儀耗電量大的特點，電源的質(zhì)量對工程測量具有非常大的影響。
[0030]全站儀優(yōu)選免棱鏡全站儀，免棱鏡全站儀作業(yè)靈活，實施速度快，可以在短短幾分鐘內(nèi)完成測量，保證測量精度的同時避免了繁瑣的計算。免棱鏡全站儀在危險或者特殊地方測量中體現(xiàn)了明顯的優(yōu)越性，解決了普通全站儀難以解決的問題，減輕工作人員的作業(yè)危險性和勞動強度，大大縮短工期。
[0031]全站儀中有多種測量方式，如對角測量、直接坐標測量等，軟導(dǎo)線下料長度計算軟件設(shè)計了兩種測量數(shù)據(jù)計算方式，當采用對角測量方式，可以直接獲得檔距相對長度與高差，用于計算單相軟導(dǎo)線下料長度，并單相軟導(dǎo)線裝配三維仿真模擬圖；當采用直接坐標測量方式時，同時讀入三相軟導(dǎo)線坐標，共6個X，y，z坐標。
[0032]參數(shù)輸入設(shè)置模塊由以下部分組成:
[0033]( I)全站儀測量數(shù)據(jù)讀取及顯示；
[0034](2)耐張串線夾型號選取，顯示數(shù)量、質(zhì)量和吃線長度；
[0035](3)間隔棒型號選取,顯示數(shù)量及質(zhì)量；
[0036](4)絕緣子串型號選取，顯示絕緣子片數(shù)及片重；
[0037](5)導(dǎo)線型號選取，顯示截面積、單位質(zhì)量、直徑、拉斷力等；
[0038](6)氣象區(qū)選取,顯不冰厚、最大風速、最聞溫度等；
[0039](7)控制狀態(tài)判定表，顯示相應(yīng)的溫度、單位荷重等；
[0040](8)輸入?yún)?shù)區(qū)，包括期望弧垂、左右絕緣子金具串長度等。若點擊“默認值”按鈕，輸入?yún)?shù)區(qū)里面的相關(guān)數(shù)據(jù)會默認賦給常用的值，用戶可以直接修改相關(guān)參數(shù)，方便計算；
[0041](9)輸出參數(shù)區(qū)，包括線長、水平張力、弧垂等；
[0042](10)線長計算示意圖幫助理解；
[0043](11)線長計算結(jié)果顯示及保存；
[0044](12)三維模擬仿真，顯示單項導(dǎo)線詳細的布局效果。
[0045]所述的導(dǎo)線形態(tài)數(shù)學模型具體為:[0046]導(dǎo)線兩端的懸掛點坐標分別為A (Xl，yi，Zl)和B (x2，y2，z2)，則兩點間的檔距
【權(quán)利要求】
1.變電站工程軟導(dǎo)線裝配三維仿真測控系統(tǒng)，其要點在于，包括如下組成: 提供全站儀，其能夠測量角度、坐標、距離，對測量數(shù)據(jù)進行自動記錄、儲存、計算和通訊；固定好全站儀并調(diào)整好全站儀本身的坐標系，全站儀為坐標系原點，測量單相或者三相的每根軟導(dǎo)線的兩個懸掛點的空間坐標值，絕緣子金具串長、導(dǎo)線的檔距以及高差，并保存在全站儀的數(shù)據(jù)存儲空間中； 提供參數(shù)輸入設(shè)置模塊，將標準參數(shù)以及全站儀所測量的參數(shù)傳送給該參數(shù)輸入設(shè)置模塊，所述標準參數(shù)包括軟導(dǎo)線在內(nèi)的與軟導(dǎo)線架設(shè)連接的變電站設(shè)備的標準參數(shù)，例如耐張串、間隔棒、絕緣子、軟導(dǎo)線、氣象區(qū)等標準輸入?yún)?shù)；測量參數(shù)為絕緣子金具串長，分為左邊和右邊長度， 對軟導(dǎo)線下料長度進行建模，建模步驟如下: 1)利用導(dǎo)線在各狀態(tài)下的荷重、支點反力、剪力、力矩以及荷重因數(shù)的計算獲得導(dǎo)線在各狀態(tài)時的水平應(yīng)力、水平張力和導(dǎo)線的弧垂:
°n2(° n-A) =Cn
其中 Cn= ξ DnCOS2 Y , A= O m- ξ Dm/ O m2- α E (tn~tm) cos Y ； σ m，Dffl和tm分別為在已知條件m時的導(dǎo)線應(yīng)力，導(dǎo)線荷重因數(shù)和導(dǎo)線溫度；σ n、Dn和、分別在待求條件m時的導(dǎo)線應(yīng)力、導(dǎo)線荷重因數(shù)和導(dǎo)線溫度；α為導(dǎo)線的溫度線膨脹系數(shù)，E為導(dǎo)線材料的彈性系數(shù)；ξ為導(dǎo)線材料的彈性模量，€=(Ec0SY)/(21d S2)，S為導(dǎo)線截面；Y為懸掛點連線與水平線間的夾角； 2)先假定最大弧垂fmax發(fā)生在某一狀態(tài)，用牛頓迭代法求出此狀態(tài)的水平拉力H，求出應(yīng)力σ ;`fH J —--Cr =— HS 3)然后由步驟2)的結(jié)果作為已知條件，求解另一狀態(tài)時的σ，進而求出H，最后得到弧垂f的數(shù)學模型； 4)若解得其他狀態(tài)的弧垂均小于fmax，則假定正確。否則重新假定fmax發(fā)生在另一狀態(tài)，跳到步驟(2)，并且進行一樣的計算，直至假定正確；從而獲得導(dǎo)線的控制狀態(tài)； 5)根據(jù)導(dǎo)線的控制狀態(tài)獲得施工條件下的弧垂，并由該弧垂獲得下料長度的數(shù)學模型； 對獲得的下料長度的數(shù)學模型進行如下校驗: A通過全站儀對現(xiàn)場實際的導(dǎo)線在某一檔距下的弧垂進行測量，并提取該實際測量導(dǎo)線的下料長度； B以全站儀所測量的數(shù)據(jù)，以及實際測量導(dǎo)線上的各設(shè)備標準數(shù)據(jù)通過上述步驟5)獲得的下料長度數(shù)學模型進行計算，比較計算獲得的下料長度值和實際測量導(dǎo)線的下料長度值，獲得模型誤差； C根據(jù)誤差對下料長度的數(shù)學模型進行改進，并獲得最終的弧垂和下料長度的數(shù)學模型； 根據(jù)校驗后的下料長度數(shù)學模型計算獲得最終的施工用下料長度； 提供變電站仿真系統(tǒng)，導(dǎo)入變電站的場景模型和設(shè)備模型，以及變電站標準數(shù)據(jù)，并根據(jù)導(dǎo)線形態(tài)數(shù)學模型以及連接方式模型將最終獲得的施工用下料長度的軟導(dǎo)線，以裝配三維模擬圖的形式進行生成和顯示。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變電站工程軟導(dǎo)線裝配三維仿真測控系統(tǒng)，其特征在于，全站儀包括有測角部分、補償部分、測距部分、中央處理器、輸入/輸出模塊、電源和數(shù)據(jù)通信單元；其中測角部分、補償部分和測距部分分別與中央處理器連接，中央處理器則通過輸入/輸出模塊與數(shù)據(jù)通信單元連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變電站工程軟導(dǎo)線裝配三維仿真測控系統(tǒng)，其特征在于，所述的導(dǎo)線形態(tài)模型具體為:導(dǎo)線兩端的懸掛點坐標分別為A (Xl，Y1, Z1)和B (x2, y2, Z2),則兩點間的檔距
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變電站工程軟導(dǎo)線裝配三維仿真測控系統(tǒng)，其特征在于，所述連接方式模型具體為: 第一層線路連接:第一層母線管為東西向的，母線管雙聯(lián)懸垂串一端接第一層橫擔，另一端與母線管進行連接，然后母線管與前、后排單元中最外層的HGIS接線柱相連，設(shè)置母線管的相序和HGIS相序，保持三相一致地連接； 第二層線路連接:第二層導(dǎo)線是南北向的，單聯(lián)懸垂串一端與第二層的橫擔相連，另一端與導(dǎo)線和前、后排單元中最里層的HGIS接線柱相連；第二層導(dǎo)線相序與HGIS相序一致，由HGIS相序設(shè)定來控制； 第三層線路連接:第三層導(dǎo)線是東西向的；單聯(lián)懸垂串一端接第三層橫擔，另一端接導(dǎo)線，當相鄰串的橫擔層數(shù)為3或4層時，橫擔兩邊的絕緣子串的另一端接跳線接到橫擔下的V型雙聯(lián)懸垂串，否則無跳線，第三層和第二層的三相導(dǎo)線可設(shè)置是否連接，并根據(jù)相序的情況保證三相一致； 完成連接后，將三維仿真模擬全景進行全角度的輸出。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的變電站工程軟導(dǎo)線裝配三維仿真測控系統(tǒng)，其特征在于，當橫擔具有第四層時，還包括第四層線路連接:第四層導(dǎo)線是南北向的，單聯(lián)懸垂串一端接第四層橫擔，另一端接導(dǎo)線，當橫擔為四層時，單聯(lián)懸垂串與導(dǎo)線連接處通過跳線接到橫擔下的V型雙聯(lián)懸垂串，再接到另一排第二層的的單聯(lián)懸垂串與導(dǎo)線連接處；第四層和第三層的三相導(dǎo)線進行連接，并根據(jù)相序的情況保證三相一致；第四層導(dǎo)線的相序與HGIS相序一致，也由HGIS相序的設(shè)定來控制。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的變電站工程軟導(dǎo)線裝配三維仿真測控系統(tǒng)，其特征在于，變電站仿真系統(tǒng)中，具有設(shè)計參數(shù)模塊，其具體包括如下7個參數(shù)設(shè)置模塊:1)地面參數(shù)設(shè)置:地面的長和寬；2)各線路單元參數(shù)設(shè)置:各線路的長及前、后排寬；3)變電站橫擔參數(shù)設(shè)定:橫擔各層高度和母線管高度；4)軟導(dǎo)線相間距設(shè)定:每層橫擔上各線路相間距設(shè)置；5) HGIS參數(shù)設(shè)置:HGIS相間距、排間距、接線柱高度；6)相序及連接方式設(shè)置:相序排列、引下線連接方式的選擇；7)線路單元`設(shè)置:包括串名、層數(shù)、2層和3層是否連接設(shè)置。
【文檔編號】G05B17/02GK103676667SQ201310646835
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月4日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月4日
【發(fā)明者】林冶, 洪衛(wèi)東, 嚴仲武, 黃明祥, 劉貝力, 肖仙富, 鄭燕敏, 潘強靈 申請人:國家電網(wǎng)公司, 國網(wǎng)福建省電力有限公司, 福建省送變電工程有限公司