0 引言

变电站构支架是变电站内支撑电气设备的主要构筑物，分布数量大、载荷情况复杂、设备运行电压高，构支架倾斜会影响设备及电力系统安全稳定运行。随着我国电网建设规模的不断扩大，越来越多的变电站投入运行，出于保证安全运行的需要，变电站对构支架倾斜测量数据有着迫切的需求（特别是变电站遭遇极端灾害需要紧急处理或进行安全评价时），如何快速准确测量构支架的倾斜量已成为电力工程测量领域的新课题。由于变电站常年带电运行，基本不能进行停电作业，强电场对使用高精度全站仪进行测距有一定影响，不便于直接实施检测；其次，构支架在变电站内分布状况复杂，且通视观测条件较差，传统光学交会和沉降实施难度很大，亟须1种复杂运行环境下快速测量构支架倾斜量的方法。

近年来，地面三维激光扫描技术已成为测绘领域1个新的研究热点，相比于传统测量，具有快速（100 000点/s）、非接触、高精度（单点测距精度3 mm）、抗电磁干扰、全数字特征、自动化和高密度数据获取等特点。李仁忠等^[1]对三维激光扫描技术在建构物变形监测中的应用进行了研究，解决了复杂环境下的建构筑物变形监测；王令文等^[2]对基于三维激光扫描技术的隧道检测技术进行了研究。目前，应用于复杂作业条件和高电压环境下的基于地面三维激光扫描的变电站构筑物倾斜变形检测技术尚未进行过研究，本文介绍了基于地面三维激光扫描的倾斜测量技术在变电站构支架上的应用情况。

1 测量方法与实施流程 1.1 变电站构支架倾斜测量方法及数学表达

变电站内构架和设备支架运行数年后往往会因各种原因导致倾斜，较典型的像极端降水导致的基础不均匀沉降，引起构架和设备支架倾斜。从数学模型的角度来看，设备支架为单一竖直圆柱体，比较简单，而构架为倾斜圆柱的组合体，需按照组合体中心轴线的倾斜进行数据分析计算，所以本文以构架为重点研究对象。采用地面三维激光扫描仪直接获取构架表面的高精度高密度三维激光点云，通过点云提取构架人字柱的三维模型或截面特征点云数据后进行计算分析，快速得出倾斜测量成果。

图 1为变电站构架人字柱的示意图，AA′与BB′分别为构架人字柱的左柱和右柱的中心轴线。构架人字柱组件柱体本身是倾斜的，为了描述构架人字柱的整体倾斜率，重点是对其中心轴线的数学描写。设A（x₁，y₁，z₁）、A′（x₂，y₂，z₂）、B（x₃，y₃，z₃）、B′（x₄，y₄，z₄），构架组合体下截面中心O（X_o，Y_o，Z_o）、上截面中心O′（X_o′，Y_o′，Z_o′），则轴线AA′和BB′的直线方程分别为：

(1)

(2)

构架组合体直线OO′为整体架构组合体中心轴线，则构架人字柱顶部观测点相对于底部观测点的偏移量为：，该构架人字柱的倾斜率为：，其中，α为倾斜角。

1.2 倾斜测量流程

主要作业流程包括变电站倾斜基准控制网的建立、变电站点云数据获取、点云数据处理、构架圆柱体拟合、截面中心计算和倾斜量分析，如图 2所示。通过分析变电站构架组合体的空间分布和几何特征，应用测绘工程领域空间数据获取的先进技术方法，突破传统变形监测的作业模式和工作流程，简化基准控制网的建立；获取高密度高精度表面点云数据，直接在拟合三维建模软件中进行构架圆柱建模，或者直接切片获取构架上下截面点云数据，用数学建模的方法拟合出截面中心，计算出构架组合体中心轴线，进而得出构架组合体的倾斜率及偏移量。

对变电站构支架倾斜量的测量既要确保不影响正常生产，也要保证外业数据获取的质量和安全，因此该技术方法外业实施的难点在于在确保变电站安全运行前提下，获取高精度表面三维坐标点数据和选取合适的数据处理方法，因此制订科学、合理、安全的作业技术方案是重要环节。在实施过程中，既要尽量考虑数据处理方法要求的地面三维激光扫描的路线设置、精度和密度，更要与运行人员和设计人员探讨作业的可行性、安全性和便利性。

2 变电站站内三维激光扫描

变电站站内地面三维激光扫描是构支架倾斜测量核心数据的获取环节，技术要点在于：

（1）地面三维激光扫描的作业路线首先要满足安全生产的电气间隙要求，尽量选择安全检修通道进行作业，既要考虑站间点云拼接的误差积累因素进行控制点附和，又要参考站内设施的密度和分布情况进行路线制定；

（2）站内靶标基准网点的布设和测量要满足三维激光扫描设备的技术参数，确保测量范围内检测对象和靶标处于扫描仪高精度数据获取范围；

（3）扫描仪架设位置要有利于被监测对象的多角度点云数据获取，且设站点距离靶标不大于40 m（依据设备靶标获取精度参数设计），以保证站内靶标的测量精度和后续点云拼接精度；

（4）扫描仪与各拼接靶标距离尽量相等，检查靶标距离可以进行适当调整；

（5）扫描前应进行规划扫测范围内最远距离测量，确保激光扫描精度10 m处采样间隔不大于2 cm（确保关键截面的切片点云密度）；

（6）由于在变电站内布设扫描站点较多且基准点靶标和拼接靶标数量较多，站间点云数据坐标定向依赖于控制点靶标，因此在站内扫描时务必做好现场草图记录，便于后期数据检核。

变电站内扫描作业时通常有以下2种扫描作业方案。

第1种：严格按照设备的最大设计精度指标设站，尽可能减少测站数量，这种作业方式在一些作业限制较大的站内较为实用。这种作业方式需要较高的基准点精度提高站间的拼接精度，扫描设备在10 m处的采样间隔也需要到毫米级，激光点云采集的质量也需要设置较高参数，以满足倾斜测量数据处理的精度，耗时较长。

第2种：通过布设加密基准点，增加设站次数和减少测站的数据获取范围，提高激光点云的数据质量。这种作业方式可以显著增加被测量对象各个反射面的激光点云数据。

图 3为乌斯太220 kV变电站三维激光扫描站点及路线设计示意图。现场基准点测量和加密采用徕卡TS50超高精度全站仪，点云数据采集采用徕卡ScanStation P20三维激光扫描仪，扫描最大速率为1 000 000点/s，有效作业半径为120 m。

3 数据处理与倾斜量计算 3.1 点云数据预处理

项目数据预处理在徕卡ScanStation P20随机软件Cyclone（9.0）中进行，主要包括点云RGB色值匹配、站间拼接、靶标拼接和去噪平滑。由于在数据获取阶段的技术设计时考虑了后期的数据整体拼接方案，因此在Cyclone软件整体拼接前需要导入基准点数据结合外业草图进行逐段精度检查，站间、站与基准点间的拼接配准的实质等同于7参数坐标转换，至少要有3个同名靶标点，重点检核站间拼接的旋转角度、变换尺度（因子）、拼接水平精度和垂直精度，对于变电站倾斜测量来说拼接精度大于1 cm就应该对该路线段的数据进行筛选和排查，确保点云整体拼接时基准坐标的准确性和单站数据的精度。图 4为掌岗图220 kV变电站点云数据（真彩色）全景示意图。

3.2 构支架倾斜圆柱体的拟合建模

由于变电站内构支架通常为标准工艺制件，数学模型表达也较为简单，其中1种直接倾斜测量数据处理方法就是基于分割后监测对象的点云进行圆柱体三维拟合建模（在Cyclone软件拟合工具中进行），选取圆柱体上的1点，通过设置圆柱体与点云套合阙值和点云生长的角度阙值等参数进行参数拟合计算。图 5为构架人字柱在Cyclone软件中三维拟合建模截图。

这种数据处理方式精度控制依赖于Cyclone软件拟合工具，数据处理自动化较高，优点在于数据处理速度快，且表达成果为三维模型，便于倾斜量表达和成果展示。但需要严格地控制参与拟合计算的点云数据精度，设置合理的拟合计算阙值，否则会将粗差较大的点云值直接代入倾斜计算中。

3.3 构支架倾斜圆柱体点云特征截面切面以及中心拟合计算

通过对点云进行切片，直接进行截面切片后椭圆拟合中心计算也是1种比较好的数据处理方法。首先对1个区域内构架组合体进行点云分割，点云分割的原则是划分1块相对地坪高程和构架高度统一的数据处理单元，变电站内数据处理可以将同电压等级的设备区块分割为一块进行标记，统一进行水平截面切片；创建水平截面截取一定厚度（1~2 cm）的水平截面，由于构架为倾斜圆柱，因此每个水平截面为标准椭圆，在Matlab中只需编程实现椭圆参数的最小二乘法拟合就行。图 6为1个标准的构架点云分割、切片和椭圆中心拟合计算的界面截图。

用此方法进行构架上下截面中心的拟合计算时，需要注意对参与拟合计算的点云数据进行去噪处理，剔除原始点云数据的孤点，若在数据扫描阶段制订合理的作业策略，提高激光点云过滤的质量，则可大幅减少数据处理阶段的工作量。

3.4 倾斜计算及成果汇总

倾斜计算的数学模型比较简单，依据1.1节中对构架组合体的数学表达，对拟合计算后的圆柱上、下底中心点或点云截面椭圆中心点代入公式（1）和公式（2），计算出构架整体的中心轴线倾斜和偏移值，图 7为使用Excel编程的计算表截图。

变电站倾斜测量的主要成果为全站区每组构架整体的上下几何中心坐标差和倾斜率，为了便于运维人员便捷掌握站区内所有构架的倾斜量和偏移方向，将所有构架偏移方向值赋予几何中心坐标，在ArcGIS中进行综合制图，清晰明了地标明沿建筑坐标系各个方向的偏移量。

4 精度分析

本技术方法数据拟合和倾斜率计算过程严格基于数学模型，决定倾斜测量成果精度的主要因素是基准点精度和三维激光点云的数据获取精度，基准点控制测量采用超高精度全站仪按照变形监测位移观测二级的技术要求进行。根据《建筑变形测量规范》 ^[3]和《电力工程施工测量技术规范》 ^[4]，以高耸建（构）筑物高度20 m＜H_g≤50 m为例，其倾斜率允许值为0.006，即顶部观测点相对于底部观测点的水平允许位移为12~30 cm，以满足高耸建（构）筑物顶部水平位移观测精度要求为原则，综合考虑相关设计和施工技术规程，最终建模成果误差不应超过变形允许值的1/20~1/10，即三维激光点云允许的中误差为12 mm。

目前，由于三维激光扫描仪P20的精度较高，数据采集和数据处理完全能达到精度要求，因此利用点云构建电力圆柱形高耸建（构）筑物模型截面法，获取其几何中心轴线实现倾斜测量，完全可以满足规范要求的精度。

4.1 点云拼接精度

三维激光点云匹配精度分为靶标拼接精度和控制点附和精度2部分。控制点附和精度是指三维激光扫描仪在1个作业段内若干基准点整体坐标转换的差值，假定基准点坐标为真值，可以反映出附和段内的作业精度。乌斯太220 kV变电站共布设基准点14个，共扫描24站，每站有效数据获取距离为40~60 m，标靶获取距离控制在50 m以内，平均绝对误差为6.2 mm，见图 8。

靶标拼接精度是指站间拼接过程中公共标靶的3个标靶的坐标转换精度，由于在扫描过程中会遇到各种影响测量精度的因素，比如整平、对中、振动和遮挡等现象，通过靶标拼接精度能反映出扫描过程中站间作业的数据质量，从而在数据处理阶段控制下一步代入倾斜计算的源数据质量。图 9为乌斯太220 kV变电站靶标拼接精度统计图。

4.2 倾斜测量精度评价

为了验证本方法精度的可靠性，采用徕卡TS50超高精度全站仪免棱镜测量功能对其成果进行复核测量。TS50全站仪测角精度为0.5″，免棱镜模式下的测距精度为2 mm+2 ppm，由于变电站架构表面平整，适合进行免棱镜测量模式。通过调整全站仪垂直角来构建1个水平面与构架相交，采用徕卡测量系统PinPoint精密测距技术和高精度测角技术获取截面椭圆的极坐标值，反算出截面椭圆的空间三维坐标，数据处理方法与截面法拟合椭圆中心的算法相同。

在利用全站仪检测过程中，选择了乌斯太220 kV变电站编号为B1、B5、B13和A19的4个人字形构架，采用徕卡ScanStation C10三维激光扫描仪（各项精度指标均为P20扫描仪的2倍）进行倾斜测量，按照截面法计算了架构的倾斜率，其结果与三维激光扫描结果的对比见表 1。

表 1中，除A19构架A轴、B5构架B轴差值大于1 cm外，其他的检测值均满足设计要求。仔细分析了现场数据检测方案，发现该问题是由于在构架检测时存在遮挡情况，因全站仪截面切片采集数据时与点云截面高度不一致造成的。核验结果说明无论是倾斜方向还是倾斜量均验证了该技术方法的可靠性。

4.3 小结

近两年对5个220 kV变电站，2个500 kV变电站利用三维激光扫描技术进行了测量，总结如下。

4.3.1 应用经验

（1）通过对比分析扫描靶标与基准点数据，平面精度要优于高程精度。使用徕卡ScanStation P20与徕卡TS50超高精度全站仪配合进行变电站构支架倾斜测量完全满足精度要求，P20扫描仪采用多靶标一测回测量的模式，做到平面控制测量和激光扫描同步进行，可以缩减外业成本和时间，但高程控制还建议采用传统测量方式；

（2）外业作业方案中采用徕卡TS50超高精度全站仪直接加密靶标拼接点的作业方案要优于基准点附和扫描方案，精度有显著提高；

（3）多设站、较低扫描分辨率的扫描模式要优于少设站、高分辨率扫描模式，在数据拟合中可以显著看出前者构支架点云空洞少，现场数据采集时间也相差不大。

4.3.2 存在的问题

实际应用过程中，仍存在一些问题：

（1）虽然测试数据能达到精度要求，但目前尚未发布三维激光扫描的作业规范，设备无法和传统仪器一样进行年检，需要在作业前进行自检，但这一点不符合变形监测项目的规范要求^[5]；

（2）徕卡ScanStation P20扫描仪无法进行气温、气压和湿度改正。在目前进行的几个项目中数据精度不存在问题，但在其他地区是否对数据精度有较大影响，还待进一步验证；

（3）由于变形监测数据要按一定的时间序列存档，1个220 kV变电站1次扫描的点云数据量在20 GBytes左右，目前尚无1个高效的数据管理平台。

5 结语

目前，构筑物变形监测的相关方法和理论研究都比较深入和成熟，但对于输变电设施监测研究的成果相对较少，设备带电运行严重限制了传统变形监测技术在此领域的推广应用。对于站内设施的倾斜问题，应用地面三维激光扫描技术进行测量，不仅能准确计算支撑设备的倾斜量，还能通过点云快速测量各种带电体的运行距离，高效解决生产运维过程中遇到的难题。