Taking Accurate Measurements of High Voltage Installations with Laser Range Scanners and GPS

por J. Gomes-Mota¹, A. Vale², A. Matos-André¹, M. I. Ribeiro^2
1LABELEC/Grupo EDP, ²Instituto de Sistemas e Robótica/Instituto Superior Técnico

apresentado na CIGRÉ06 - Sessão 41 (Comité de Estudos B2) Paris, França, 28 de Agosto a 1 de Setembro, 2006.

Notas:

1. Este artigo relata o projecto de I&D que viria a dar origem ao Power Line Maintenance Inspection.
2. Albatroz Engenharia esteve presente na Exposição Técnica da CIGRÉ06.

Limiares de classificação para uma linha de 400kV com três fases horizontais e dois cabos de terra.

Resumo

Laser range systems are a valuable tool to measure live power installations, as they allow accurate measurements to be taken from a safe distance without disturbing electrical system operation.

A laser range scanner standing in one location will create a local model of free space around it. A laser range scanner mounted on a moving vehicle with Global Positioning System (GPS) provides a 3D geometrical model of the installation and the environment surrounding it. Laser systems combined with GPS localisation are used to measure clearance around overhead lines (OHL) and real-time sag variations. These solutions supply 3D metric data for maintenance processes, technical and legal audits, hazard assessment and safety training. Spin-off applications include fast as-built models of installations and updates of Geographical Information Systems (GIS) representations.

High-quality high-cost devices borrowed from aerial topography have been used in the past for some of these applications. The paper describes a new approach based on low-cost, portable, industrial laser range scanners and consumer electronics. These scanners can be operated from the ground or from a helicopter, as LABELEC does to inspect OHL. At present, their measuring range is up to 60m (197ft) or 80m (262ft), depending on target reflectance; their typical accuracy is near 2cm (1in) for still applications, up to ten times fold for moving, airborne applications. Although their accuracy and resolution are much lower than their topography counterparts, the authors show that they are sufficient for the aforementioned applications and offer a better value to cost ratio.

Preliminary experiments, described in the paper, proved the feasibility of this approach in cases the goal were to certify the compliance of warped substation bus rods to mechanical stress regulations and to verify tree clearance distances around OHL. Current efforts aim at developing an integrated solution with the airborne inspection of OHL, leading to significant efficiency gains. Significant challenges remain on the robustness and scalability issues, equipment wear out, data integration with GIS and optimal data representation for clients. The long-term goals are to integrate the laser scanner with video and audio streams to create a synchronous and coherent representation of the line track; to create real-time 3D models automatically and to develop software for various applications, starting with OHL clearance management and tree identification and growth forecast.

Palavras-chave

Overhead Lines (OHL), Right of Way (ROW), Clearance, Quality of Service, Safety, Laser Range Scanner, Laser Imaging Detection and Ranging (LIDAR), Global Positioning System (GPS).

"Os sistemas de medição com laser são uma ferramenta valiosa para inspeccionar instalações eléctricas sob tensão pois permitem obter medidas rigorosas a partir de distâncias seguras e sem perturbar a operação do sistema eléctrico.

Com um laser de medição e varrimento (laser range scanner) instalado numa posição pode criar-se um modelo do espaço livre à sua volta. Um mesmo laser de medição e varrimento montado num veículo com receptor GPS (Global Positioning System) gera um modelo tridimensional (3D) da instalação eléctrica e do ambiente à sua volta. Os sistemas laser combinados com localização por GPS são usados para medir distâncias de segurança em torno de linhas eléctricas aéreas e variações de flecha em tempo real. Estas soluções providenciam dados métricos em 3D para as actividades de manutenção, auditorias técnicas e legais, avaliação de riscos e treinos de segurança. Outras aplicações conexas incluem modelos "tal qual" (as built) de instalações e actualizações de representações em Sistemas de Informação Geográfica (GIS).

Os sistemas de alta qualidade e alto custo provenientes da topografia aérea foram usados no passado para algumas destas aplicações. O artigo descreve uma nova abordagem baseada em sistemas de baixo cusot, portáteis, recorrendo a laser range scanners industriais e electrónica de consumo. Estes lasers podem ser operado a partir do chão ou a partir de um helicóptero como a LABELEC faz para inspeccionar linhas eléctricas aéreas. Actualmente, o seu alcance de medida é de 60m a 80m, dependendo da reflectância dos alvos, a sua exactidão é próxima de 2cm para aplicações fixas e cerca de dez vezes mais para aplicações móveis, terrestres ou aéreas. Os autores mostram que embora a exactidão e resolução destes equipamentos sejam muito inferiores aos equipamentos topográficos usados para o mesmo fim, eles são suficientes para as aplicações supra-indicadas e oferecem uma melhor relação desempenho/preço.

Os ensaios preliminares descritos no artigo provam a viabilidade da abordagem nos casos em que o objectivo era verificar a deformação de varas de barramentos em subestações relativamente a normas de esforço mecânico e para medir as distâncias de seguranças em torno das linhas eléctricas aéreas. Os trabalhos actuais envolvem a integraçao destas funções na rotina actual de inspecções, o que deverá dar origem a ganhos de eficiência muito importantes. Subsistem desafios importantes nas áreas da robustez e escalabilidade da solução, desgaste do equipamento, integração de dados com os GIS e apresentação optimizada dos dados para os clientes. Os objectivos de longo prazo envolvem a integração dos dados laser com vídeo e áudio para criar uma representação coerente e síncrona da linha e faixa envolvente; a criação de modelos 3D automáticos e o desenvolvimento de software para várias aplicações, começanco com as linhas eléctricas aéreas, gestão da limpea da faixa e identificação de árvores e estimação de crescimento."