地物属性识别技术在三维输变电选址选线中的应用

罗玉鹤， 郭高鹏， 白文博， 杨东东， 李洪助

(1.宁波市电力设计院有限公司，浙江 宁波 315000；2.北京国遥新天地信息技术有限公司，北京 100101)

0 引 言

在输变电过程中，容易出现断股、断丝、金具损坏、断杆和倒杆等问题，影响电厂向电网送电，甚至导致供电线路瘫痪，影响居民日常生活和工厂生产，造成不可估量的损失[1]。

国内正在不断完善电力行业标准，提高输变电输电效率，减轻环境对输变电设施的影响。基于国家的大力支持，国内学者，如刘文升[2]以500 kV的变电所为例，发现电厂向电网传输电力的输变电通道大量集中存在输变电线路单一的现象，布置输变电时水土保持工作的绝对性和重要性，在设计输变电线路方面，采用遥感技术，形成遥感影像，选择输变电铺设位置和路径。此外，徐庆华等[3]从输变电设备本身着手，为输变电选址选线，提供良好的开放性框架。相对于国内，国外对于输变电选址选线研究较早[4-6]，采用瞬变网络分析仪，确定输变电选址最优距离；提出输变电选址选线，需要考虑人类居住生活环境因素；利用数学模型，测量冰雪覆盖对输变电选址选线的影响；此外还有公司研究了EPMapper软件，为输变电选址选线提供便利。

本文整合以往研究经验，采用地物属性识别技术，研究三维输变电选址选线方法。

1 基于地物属性识别技术的三维输变电选址选 线方法

1.1 识别输变电铺设路径地物

由于输变电敷设区域覆盖城区，屋顶、油漆路和绿化植物等会影响输变电敷设。在铺设过程中，要根据这些特点的位置选择位置和线路，避免铺设后的输变电，影响电厂向电网的输电。因此采用地物属性识别技术，识别输变电选址选线区域地物。为此，建立如下假设：

(1)

式中:H0为目标不存在，即为背景(不存在影响输变电选址选线的地物)；x为识别区域样本像元光谱；N为输入的光谱图像像素点；μ0为背景均值向量估计值；H1为目标存在；μ1为目标均值向量的估计值；Σ0和Σ1分别为不同位置的特征值。根据式(1)，将其分为未知目标和未知背景，以及已知目标和未知背景两种情况。

(1) 未知目标和未知背景。地物识别技术中，在获取输变电区图像的过程中，所用的光谱可能会受到一些因素的影响。因此，有必要在区域内寻找小特征值，即区域内现有的地物，则有：

y=D(x)=(x-μ0)TΣ-1(x-μ0)

(2)

式中:y为根据样本像元的光谱x得到的一个标量识别统计值；D(x)为像元光谱x根据决策函数计算得到的一个统计量；Σ为特征值；T为小特征值寻找过程的时间系数。从式(2)可以看出，特征值Σ的大小，决定了D(x)的大小，根据特征值Σ大小，可以判断该区域是否存在影响输变电选址选线的地物。

(2) 已知目标和未知背景。在这种情况下，采用光谱获取输变电铺设区域图像，只能将所有像元的能量近似表示为背景能量。因此假设识别地物目标为d，采用地物属性识别技术，对每个像元进行计算。则有：

(3)

式中:ω*为地物属性识别技术算子；R为输变电选址选线区域样本自相关矩阵。根据式(3)，即可在已知目标和未知背景情况下，识别地物目标d。

综合以上内容，可以得到输变电的敷设区域、影响输变电线路位置和选线的地面特征[7]以及该区域的具体地形。根据不同的传播路径和传播特征，计算出不同的传播路径和传播特征，从而选择出影响地面特征选择的属性适当的位置和线路，铺设输变电线路。

1.2 计算地物权重

基于上一小节，采用地物属性识别技术，识别地铺设输变电区域，存在的地物属性，建立如图1所示的影响输变电选址选线层次结构图。

图1 影响输变电选址选线层次结构图

图1中，目标层表示输变电选址选线，因素层表示影响输变电选址选线的因素，方案层表示在这个因素的影响下，得到的输变电铺设位置和线路。基于图1所示的影响输变电选址选线层次结构图，建立影响因素判断矩阵。考虑到影响输变电选址选线的因素众多，采用两两比较的形式，确定影响因素权重，则对于第i个方案Pi的n个因素进行相互比较，形成n×n阶判断矩阵A。

(4)

根据式(4)所示的因素比较判断矩阵A，建立统一的判断因素权重标度，并将其分为9个档次。其中：2、4、6、8四个档次表示1、3、5、7、9五个档次相邻判断的中间值：1表示两个元素同等重要；3表示一个元素比另一个元素稍微重要；5表示一个元素比另一个元素明显重要；7表示一个元素比另一个元素强烈重要；9表示一个元素比另一个元素极端重要。

基于以上内容，完成输变电选址选线影响因素的重要性比较，将影响较大的特征全部排除在输变电选址选线范围之外，最大限度地减小地物对输变电线路选址的影响。

1.3 三维输变电选址选线

输变电选址选线，除了要考虑区域地物影响外，还要考虑输变电选址选线所需要的投资成本、运输以及损失等经济因素。为此，假设：需要建立输变电区域所需要的输变电容量为S；在该区域，铺设的输变站设备折旧年限为m；购买新设备的成本费用为K(S)；新建输变电年运行费用为u(S)；铺设输变电的投资费用为f(s)；输变电存在的负荷集合为J；土地成本费用为L；输变电铺设距离为T；输变电设备距离自来水管线距离为W；特殊保护设备费用为P。则建立的输变电模型C为：

(5)

式中:r0为贴现率；ε为运输距离指标值系数；Wj为输变电第j点负荷；τ为距离水源距离指标值系数；dj为输变电与第j点负荷之间的距离；δ为土地成本指标值系数；α为线路折损系数；β为输变电选线单位长度建设费用系数；φ为特殊地段指标值系数；γ为单位长度设备运输费用系数；θ为输变电距水管的单位长度建设费用系数。

根据式(5)确定的输变电建设经济因素，选择输变电位置和路径。假设输变电的选址集合为U，且U={(x1,y1),(x2,y2),L,(xn,yn)}，其中：(xi,yi)为输变电第i个位置的坐标；L为选线集合，且L={l1,l2,L,ln}；lj为第j条线路的布置方案；n为选址选线方案个数。则有：

P=argmaxLj∑xi∈Nj(x)I(pk=lj)

(6)

式中:I为指示函数；pk为第k个输变电铺设方案，即pk∈P；P为输变电选址选线方案；xi为待选位置;Nj(x)为x(涵盖x)的j线路。当pi=lj时，指示函数I=1，否则I=0，为铺设输变电选择的位置和路径。

为提高输变电选址选线效率，降低输变电建设返工几率，将采用VisualSFM三维软件，模拟输变电选址选线过程，根据模拟结果，再在实际铺设输变电区域中，铺设输变电。因此，将上述识别地物属性结果数据，以及计算输变电选址选线区域的影响因素结果，全部输入VisualSFM三维软件中，形成选址选线区域三维模型。并将式(5)和式(6)输入VisualSFM三维软件中，运算输变电位置和路径，根据运算结果，自动铺设输变电，从而得到输变电最优位置和路径。完成输变电选址选线。

2 试验论证分析

采用对比试验的方式，以某区域电网的输变电为试验对象，以VisualSFM三维软件作为此次试验环境，验证此次研究的三维输变电选址选线方法。将此次研究的三维输变电选址选线方法，记为试验A组；两种传统三维输变电选址选线方法，分别记为试验B组(文献[2]方法)和试验C组(文献[3]方法)。确定输变电铺设起点和终点位置、存在的地物和指标计算公式，改变输变电铺设位置和长度，对比三组方法，对输变电铺设路径的障碍识别误差、选线指标和选址选线速度。

基于此次设置的试验参数，随机选择其中一条的原输变电路径起点和终点，作为本组试验研究对象，要求其存在油漆路、水体、植被、屋顶和裸地等影响输变电铺设地物。经过实地调差，发现该处影响输变电铺设的地物面积分别为233.60 万m2、75.78 万m2、318.92 万m2、170.72 万m2和41.31 万m2。采用三组技术分别识别此次铺设输变电路径上存在影响输变电铺设的地物，并与实地调差结果进行对比。验证三组技术，识别输变电铺设路径，与实际调查结果存在的误差，其对比结果，如表1所示。

从表2可以看出，试验A组识别输变电路径铺设上存在的影响输变电铺设障碍，产生的平均误差比试验C组小34.85%，比试验B组小26.4%。由此可见，本文研究的三维输变电选址选线方法，在识别铺设输变电路径上存在的地物误差较小。

3 结束语

本文研究三维输变电选址选线方法，充分利用地物属性识别技术，提高输变电铺设路径地物识别精度，从而提升输变电选址选线速度。

表1 路径障碍识别误差对比表