GPS在架空送电线路测量中的应用

上海电力

2008年第2期

GPS在架空送电线路测量中的应用

杨王芳

(上海送变电工程公司,上海　200233)

摘　要:利用全球卫星定位系统(GPS)可提高架空送电线路测量的工作效率。文章简述了GPS的定位原理,介绍GPS在架空线路测量中的应用及其优势,并对应用中存在的问题提出了改进建议。关键词:架空送电线路;GPS;定线;定位;复测;控制测量中图分类号:TM752　　文献标识码:B

1　引言

上海送变电工程公司建设的线路大多由华东

电力设计院或者南京有关测绘单位进行前期的定线定位,在定线定位过程中由送变电单位派领桩人前往测量现场,标记桩塔位情况,为以后基础施工做好准备。但是如果发生改线,塔位移位等情况,必须找定线定位的人重新确认。为了能够更快、更好、更高效地完成施工,公司引进了先进的测量仪器—LeicaGPS1230,为前期的定线定位以及线路复测提供了良好的条件。参考站大功率发射电台不断向外发射测量数据改正信息,同时流动站也接收同一组卫星(5个以上)信号,并且利用小功率接收电台接收参考站电台发射来的测量数据改正信息参与数据计算,这样就可以很快计算出流动站的坐标位置,不必事后处理,精度也很高,达到3cm左右。

在架空送电线路测量中一般采用地方坐标系,如上海地方坐标系,前提是有控制点,即已知地方坐标的控制点,利用GPS采集已知点的84坐标进行坐标转换求得转换参数,然后根据转换参数求得未知点坐标。如果没有已知地方坐标,我们可以采用地方任意坐标系统,即假定一个坐标系统,因为架空送电线路一般呈带状分布,需要知道的是相对于起始桩或门架的相对距离,各转角塔之间的距离,转角度数等信息,所以可以采用任意假定坐标求得相对位置。

本文就GPS在架空送电线路测量中的应用,提出了工作的目标和存在的问题以及发展的方向。工作目标如下:

(1)利用GPS进行架空送电线路定线工作;(2)内业数据处理,将GPS与道亨软件连接,根据所采集的转角塔的中心桩坐标在道亨软件中生成平断面图;

(3)利用GPS结合全站仪进行交叉跨越测量;

(4)在设计院根据平断面图排定杆塔位置后

2　GPS原理及应用GPS是全球卫星定位系统的英文缩写,此系

统来源于美国军方在全球发射的GPS导航卫星,其空间卫星群由24颗高约20万km的GPS卫星群组成,并均匀分布在6个轨道面上,各平面之间交角为60°,轨道和地球赤道的倾角为55°,卫星的轨道运行周期为718min,这样可以保证在任何时间和任何地点地平线以上可以接收4～11颗GPS卫星发送出的信号。人们利用可以接收这些卫星信号的仪器接收4颗或4颗以上的卫星的信号,计算出仪器到卫星的距离,并且根据已知的卫星位置坐标数据,经过计算机计算得出仪器所在位置的三维坐标数据,可以快速、简单地知道自己所在位置。

GPS定位主要有单点定位和相对定位模式。平时所见的车载GPS就属于导航型GPS,应用的是单点定位的方式,其精度比较低,在25～100m左右。而在线路勘测中应用最多的就是相对定位模式中RTK技术。

它主要通过参考站不断接收卫星信号,利用—196

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到现场进行杆塔定位;

(5)基础施工前进行线路复测,将其结果与前期定线定位的数据进行比较,最终确定开挖位置。

3　GPS在架空送电线路测量中的应用

线路设计任务书下达后,线路的进出线变电

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所已经确定,线路的勘测一般按下列程序进行。3.1　选择路径方案

选择路径方案,一般分室内选择和现场踏勘两个步骤。室内选择路径方案一般在地形图(1∶50000或1∶20000)或航测像片上进行。首先在图上标出线路的起止点,中间所必须经过的城市规划、工厂、民房、沟、河等位置,然后根据地形的条件进行反复的选定。一般可定出个若干个方案,再进行现场验证。现场勘测时,应以重点察看为主,一般调查仪器初测为辅。对于大跨越、拥挤的地段,可按具体的情况用仪器初测并提交相应的资料。踏勘后,应该确定线路的进出线方案,线路的大方向,大跨越和重要的交叉跨越的位置,关键线路的转角位置,并将路径标在地形图上,踏勘后,应该确定两个方案,通过综合经济技术比较,在初审时确定最佳的路径方案。3.2　选定线测量

路径方案审批后,可进行选定线测量。选线是要在路径地段确定线路的走经和各转角的位置。定线测量就是在选线的基础上用仪器定出线路的方向和转角的位置,并用方向桩进行标定。定线测量的方法以前一般采用直接定线和间接定线。直接定线就是用正倒镜分中法进行,若遇到障碍物的时候,可采用“等腰三角形、矩形法、等边三角行”的间接方法进行定线。

现在,GPS发挥了巨大的作用,它可以完成传统全站仪不能轻易完成的选线定线工作,特别对于复杂地段如山区、城区等通视条件差或进出线等地物繁多的地段,优势非常明显。

将基准站GPS接收机安置在参考点上,打开接收机,将PCMCIA卡上设置的参数读入GPS接收机,输入精确的参考点北京54坐标和天线高,基准站GPS接收机通过转换参数将参考点北京54坐标转换为WGS284坐标,同时连续接收所有可视GPS卫星信号,并通过数据发射电台将其测站坐标、观测值、卫星跟踪状态及接收机工作状态发送出去。流动站接收机在跟踪GPS卫星信号的同时,接收来自基准站的数据,进行处理后获得流动站的三维WGS284坐标,再通过与基准站相同的坐标转换参数将WGS284转换为北京54坐标,并在流动站的手簿控制器上实时显示。架空送电线路测量不一定要求要有精确的54或者地方坐标,在上海送变电工程公司的GPS测量主

要采用的是自定义坐标系来完成坐标转换。

以浦东文化公园线路搬迁工程为例,由于公园里树高都在5m以上,有些甚至高达15m,且密度高,全站仪不能通视,如果采用传统的经纬仪或全站仪进行定线,则需要打很多偏桩,然后把坐标传递过去,而且偏桩越多,角度和距离的误差就越大,而用GPS就可以很轻松地完成这项任务。由于使用的是1+1的设备,所以在定线测量时,先在某一个宽敞的地方架好参考站,假定坐标系统,然后由一人手持流动站,采集任意一点或线路上的一个桩的坐标,再根据所采集的这个点的84坐标和假定的坐标进行点位匹配,采用一步法计算转换参数完成坐标转换。在线路的几个转角桩确定以后,手持GPS采集这几个转角桩的坐标,根据84坐标和转换参数就可以求得在所测的线路桩位在假定坐标系中的坐标,由此也可以得到所需的转角和档距值。而且GPS采集的是三维坐标,根据自定义的起点高程情况和采集的数据,就可以得到各桩位的高程及线路所经地区的地形起伏情况。3.3　距离和高差测量

在线路的转角桩确定以后,接下来的就是直线桩的确定。直线桩应设在便于桩间距离及高差测量、平断面图测量、交叉跨越测量、定位及检查测量和能较长时间保存的地方。桩间距离不宜大于400m,但在地形条件受限制时,可适当延长。利用GPS所采集数据中两转角桩坐标确定一条直线,只要保证直线桩跟两转角桩在同一直线上,再根据测平断面图的需要在其间敲订直线桩。图1所示为文化公园Y线路的路径走向图,我们根

据实际的需要在Y3和C3之间订了两个直线桩。现场发现Y9及其方向桩跟Y6不是在一直线上,采用了旧桩Y9,在Y6和Y9之间拉一条直线,钉了Y7,Y8两个直线桩。最后由道亨软件处理得转角主桩的累距和转角情况,对照两者数据可得,档距误差在1‰左右,即用GPS定线过程中保证整个线路里程的前提下定出线路的走向,然后根据线路走向在转角桩间定出直线桩,为平断面图的测绘作好准备工作。3.4　平面与断面测量及绘制

送电线路测量的主要成果是表现在平断面测量图上的。为了排定杆位,计算土石方、验核电气的要求,必须进行线路的中心线的纵断面、部分横

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工程与技术

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保证如果直线桩跟同一耐张段的两个转角塔位在同一直线上即可。在档距不是很大的情况下,全站仪也许可以轻松地完成工作,但是如果档距大,通视情况不好,交叉跨越情况多的情况下进行定

图1　浦东文化公园Y线路路径走向图

断面测量以及线路的中心线两侧带状平面的测量工作。

平面的测量工作主要是对线路中心线两侧各

50m范围内的地物(建筑、道路、铁路、水系、架空物及地下电缆和树木等)进行平面位置的测绘,对于铁路,电力线、通信线应测出其交叉角度。平面图的绘制,必须根据现场实测的数据,按照现行图式、图例的统一规定,纵向比例为1∶500,横向比例为1∶5000,准确真实的表示地物和地貌的平面位置和高度,清楚标注文字和符号。

线路的断面测量的工作分为中线断面测量、边线断面测量和风偏断面测量三种。中线断面是沿线路中心导线方向的地表剖面,实际是两个方向桩的连线;边线断面是沿高侧边导线的地表剖面;风偏断面是与线路中心线垂直的地表剖面,实际上就是横断面。

在浦动东文化公园线路搬迁工程平断面面图测量过程中,采用GPS加全站仪的方法,对一些通视条件好的地物点采用全站仪测量,如边线房子采用三点或三点法,即采集两个房角点相对于线路中心线的水平角、垂直角、斜距等信息,然后测定其宽度或长度绘制整个房子。而对于交叉跨越的公路和河沟则用GPS采集其累距和偏距信息,利用全站仪测定其高程,然后在道亨里结合两者数据连接成图。在线路交叉跨越或穿过已有电力线时,测量中线交叉最高或最低线的线高,当中线或边线跨越杆塔顶部时测定杆塔顶部高程,可利用全站仪测定垂直角,根据其斜距即可得高差,然后算得高程,在断面图中标注交叉角,注明杆号,杆型和材料等属性。在各种地物都绘制成图后,开窗连成断面图就可以看出线路走向的地形起伏,桩位的分布情况,交叉跨越情况等信息了,给杆塔设计提供了第一手材料。3.5　杆塔定位

位,GPS的优势可以发挥得淋漓尽致。用GPS无需通视,也不管中间有多少交叉跨越的公路和河

流,只要能保证同时收到4颗卫星(最好5颗)就可以定出位置,并且保证其精度。定位中GPS的应用跟线路复测中的应用类似。3.6　线路复测

线路复测是送变电公司目前应用GPS测量的主要方面。首先拿到设计单位的坐标转换关系,或者自己实测也很快,然后架好参考站,然后根据设计单位提供的定位表、平断面图,就可以进行线路杆位、直线桩位的复测,一般来说每个流动站分管8km甚至更长距离,只需要一个技术人员即可,一个参考站一次性可以控制16km。

500kV外高桥三期出线工程,由外高桥电厂

出线,沿着外环线,平行500kV杨杨线在其右侧走向,线路跨越500kV杨杨线和两条220kV原有线路,并且跨过外环线,在顾路变电站进线,线路全长10.3km,共有30基塔,其中14基转角塔,16基直线塔,在复测中,全线使用GPS。在经过高东公园时,原设计的线路将跨越两幢别墅,后来考虑各方面原因,结果为了避开别墅,在高东公园内的塔改成同塔四回路,拆除右侧原220kV旧塔,并入同塔四回路的新塔,因此使得整条线路往东平移4.24km。如果利用全站仪来完成这个工作,由于这一变动将增加不少工作量,但对于GPS来说没什么困难。在保证总档距变化在允

许的范围内,定出了改线后的转角和各基直线塔。十几公里的线路复测下来,精度完全满足电力线路复测技术规范的要求。

由于最后2基塔位于新建的厂房内,复测时未能采集到其坐标数据,所以只对前28基塔的档距和转角度数作出处理。比较两者数据可得,除了设计变更的桩位的转角有所变化外,其余的档距误差都控制在1%以内,转角度数误差在1′之内,完全能满足要求。而整个线路的复测只花了2天左右的时间,这说明GPS在架空送电线路复

线路杆塔定位就是根据电力设计院排定杆塔的情况到现场定出转角塔之间的直线桩,在征求设计院同意,在档距有调节余地的情况下,可以根据我们施工的需要适当移动直线桩的位置,只要—198

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测中的应用已经非常娴熟,GPS高精度、高效率的优势显而易见。

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4　利用GPS在线路定线定位中的优势

首先,GPS在架空送电线路测量中能实时高效地完成任务。

测量专业在电力线路工程终勘阶段要完成三大任务,即定线、平断面测量和定位测量。其中定线测量要求根据设计坐标定出转角点、落实设计线路,并根据地形地貌设置一定的直线桩和平断面测量需要的方向桩。

利用GPS进行架空送电线路测量有下列优点:

(1)测站之间无需通视

在GPS作业过程中,人为干预较少,可以最大限度的避免人为误差。而且GPS卫星同属一套坐标系统,因此做大区域控制十分有效,对保证较长的送电线路的定线定位质量有很大意义。使用GPS,在设计单位施工图测量时派驻现场人员也可以减少或者减少派驻时间,这样也节约的人员成本。在单位可以完成GPS定线定位工作的情况下,线路复测这一步骤甚至可以省略。

在外高桥线路复测中曾遇到这样的问题:由于T17塔位设在人工种植林中,树高超过5m,且树木枝叶茂密,当时已是下午3点多,GPS接收信号不是很好,能采集到卫星最多只有5颗,给测量工作带来的一定的麻烦。当时采用的是接长天线,延长接收卫星信号的时间,并人为地降低树木对其影响地办法。将靠桩位最近的树枝压低,将天线接成4m的高度,高举过头顶,在空旷的地方接收信号,等信号稳定了,得到的是固定解之后,将GPS接收机慢慢地平移至所需采集的坐标的点位,适当地延长时间,事实证明复测的结果在线路测量技术规范的要求之内。同时也得到了一些经验教训:

(1)下午三四点左右,卫星的高度角偏小,所能跟踪到的卫星相对比较少,所以在这个时段尽量安排空旷地区的作业。

(2)要多准备几根长的对中杆,以备附近有高的树木或建筑物时可以伸长天线所用,做外业时也可带刀等工具做小范围的树木砍伐,保证信号接收。

(3)如果是自己定桩或设方向桩,尽量避开高层建筑物,树木茂密地区和信号干扰强烈的高压线或电台。如果主桩所在位置实在无法避开这些障碍物,则用全站仪完成定位和复测工作,即GPS联合全站仪作业。

对于村庄、树林等传统全站仪很难通过的地区工作效率大大提高了。不需要砍树砍出通道,也不需要做三角形做导线绕过房屋了。而且由于青苗生长,前期工作难度很大,利用GPS可以大大降低树木砍伐量,降低对青苗、绿化的破坏率,使工程进度得到保证。

(2)定位精度高由上文分析,GPS定线定位及复测完全能满足架空送电线路测量规范的要求。(3)观测时间短一个流动站只需花几分钟,以前用全站仪测量需要二三个星期的活,现在只需二三天就可完成。

(4)提供三维坐标

可以准确知道桩位的位置,即使由于时间太长,桩已丢失,或者已被敲入地底下,GPS也能根据其三维坐标将其位置找出来。

(5)操作简便

GPS测量的自动化程度很高。(6)全天候作业

GPS观测可在任何地点,任何时间连续地进

行,一般不受天气状况的影响。可以根据实际工程情况决定工作时间,使工程进度得到保证。

同时,通过对实际测量数据跟设计数据的比较可以得出GPS能做到高精度质量保证。

一般双频GPS接收机基线解精度为5mm+1×10-6,而红外测距仪器标称精度为5mm+5×10-6,GPS测量精度与红外测距仪器相当,但

5　尚未解决的问题

5.1　外业编码设计

由于引进GPS时间尚短,而且部分外业测量

技术人员业务不熟悉,因此还没有形成符合工作流程和习惯的外业测量编码体系,这导致了外业记录的随意性,使得内、外业工作脱节,内业无法准确、快速的出图,平、断面图形编辑工作量大大增加而且容易出错。

有鉴于此,接下来的工作是对外业测量人员

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随着距离的增长,GPS测量优越性愈加突出。对于架空送电线路测量的精度而言,GPS技术定线测量的精度满足要求。

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进行系统的测量理论、技术培训,并参照其他电力设计单位的测量工作流程,在充分征求外业技术人员意见的基础上,定制并设计单位自己的测量作业流程和外业测量编码。力求测量工作程序化、规范化,打造电力系统测量品牌,从而提高综合竞争力。5.2　内外业测量一体化

在完成外业编码设计、规范测量的基础上,再深一步的工作就是实现内外业测量一体化,即GPS硬件和道亨软件的无缝连接。

考站网络的观测数据,借助Internet互联网、无线通讯、计算机网络管理技术来进行数据交换,实现区域厘米级实时动态定位的系统,代表了继常规实时动态定位之后的新一代定位技术的发展方向。

上海市测绘院的VRS网络已于2006年5月正式投入商业运营。VRS是在统一的坐标框架下工作,全天24h提供服务,代表了RTK技术的发展方向。对公司而言,目前使用该系统的好处有以下几方面:

(1)可将现有的GPS1+1升级为双流动站,增加设备利用率(相当于两套1+1),从而提高生产水平。

(2)由于VRS是在统一的坐标框架下工作,因此不再需要繁琐复杂的坐标转换,而且纳入到上海城市坐标体系,使得定线、改线和复测工作都十分容易,同时也使得相对控制区域增大,控制测量精度大大提高。

(3)VRS与GIS(地理信息系统)等相关专业结合非常紧密,对以后测量业务的拓展(电力寻线、电缆测量等)十分有利。

收稿日期:2008202225

作者简介:杨王芳(19822),女,浙江人,本科,助理工程师,从事送电工程施工技术及管理工作。

(责任编辑:吕　斌)

现在的作业方式由于测量位置信息(GPS自

动采集)和地物属性数据(交叉跨越,手工记录)采用不同的纪录方式,内业需要人工编辑,这样就存在错记、漏记(外业)和人为编辑错误(内业),而核对的工作又是相当繁琐。

因此,有必要实现内外业测量一体化,在编码设计完成后,可以在外业测量工作中推广电子记录方式测量,使位置信息和地物属性数据信息由电子手簿一次性记录完成,内业则设计相关自动化软件直接将观测数据转入道亨数据库,并自动完成编辑纠错任务,从而减少人为干预、降低劳动强度、节约人力成本。5.3　虚拟参考站技术体系的应用虚拟参考站技术(VirtualReferenceStation,VRS)是近几年发展起来的,通过融合连续运行参

电力简讯国内首个电网综合防灾减灾指挥系统在福建上线

据《国家电网报》2008年4月26日报道:4月22日上午,国内首个拥有完全自主知识产权、具备国际先进水平的电网综合防灾减灾与应急指挥系统在福建省电力有限公司建成并正式上线运行。

据专家介绍,福建电网综合防灾减灾与应急指挥系统是集灾害监测、预测、预警、查询分析、资源调配、指挥决策于一体的可视化综合管理系统,具有完全自主知识产权。该系统纳入了福建公司“SG186”工程,具有全省统一平台、信息高度集成、功能贯穿应急指挥全过程管理三个特点。据悉,国内尚无同类电网综合防灾减灾与应急指挥信息系统。该系统中的生产管理系统曾获得全国GIS(地理信息系统)优秀工程金奖和国家电网公司科技进步一等奖。1月28日,该系统通过专家评审。

福建地处东南沿海,风灾、水灾、雷害、山火、地质灾害及覆冰灾害等自然灾害频发,严重威胁电网运行安全。为进一步完善电网预警应急机制,减少灾害损失,更好地保障全社会用电,福建公司在总结历次抗灾救灾抢修经验的基础上,坚持自主创新,于2006年获得国家电网公司批准,启动了这一重大科技项目。

福建电网综合防灾减灾与应急指挥系统集成了地理信息、自然灾害信息、电网信息、物资管理、变电站视频、电网评估、状态检修、车辆管理等众多业务应用系统,实现了不同领域信息的图形化显示和查询。在平时,该系统可作为电网及其运行环境的监测系统;在自然灾害期间,该系统可作为指挥中心的中枢系统,进行灾害预测、监测及电网预警,并指挥相关部门、人员联动。

该系统于2007年3月投入试运行,在福州、厦门、泉州大面积停电演练、迎战台风以及今年年初抗冰抢险中,均发挥了重要作用。2月2日23时,福建邵武220kV安华Ⅰ路因覆冰跳闸,技术人员应用系统迅速查出安华Ⅰ路的地理信息,通过分析很快找到了倒塔地点,为抢修赢得了时间。

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