一种基于激光雷达的高压隔离开关合闸状态检测方法

摘要

本发明公开了一种基于激光雷达的高压隔离开关合闸状态检测方法，检测方法包括建立高压隔离开关合闸动作过程的几何抽象模型;提出高压隔离开关的前或后导电臂与水平方向的夹角值的测量算法;通过地面激光雷达扫描高压隔离开关,获取导电臂的点云;以一定数量且位置与任一坐标轴垂直的平面去截前、后导电臂点云；设计开发出导电臂夹角的自动测算模块;自动测算模块自动测算导电臂夹角值；判断高压隔离开关的合闸状态。本发明通过分析高压隔离开关合闸动作过程与结构特征，论证了通过测量导电臂夹角来判断合闸状态的可行性与优势；基于地面激光雷达获取高压隔离开关点云数据，提出了点云分组、拟合椭圆的计算圆柱轴线方向的方法，降低了计算难度。

权利要求

1.一种基于激光雷达的高压隔离开关合闸状态的检测方法,其特征在于,所述检测方法包括:步骤一,建立高压隔离开关合闸动作过程的几何抽象模型，分析得出可通过计算高压隔离开关的后导电臂与水平方向的夹角值或者前、后导电臂之间的夹角值来判断高压隔离开关合闸状态,提出高压隔离开关的前或后导电臂与水平方向的夹角值的测量算法；

步骤二,通过地面激光雷达扫描高压隔离开关,获取高压隔离开关的前或后导电臂的点云，以一定数量且位置与任一坐标轴垂直的平面去截前、后导电臂点云；

步骤三，在MATLAB中设计开发出高压隔离开关的后导电臂与水平方向的夹角值或者前、后导电臂之间的夹角值的自动测算模块；

步骤四,自动测算模块根据高压隔离开关的前或后导电臂的点云，对点云数据进行排序、分组和拟合，自动测算高压隔离开关的后导电臂与水平方向的夹角值或者前、后导电臂之间的夹角值；

步骤五，将测算得到的夹角值与规定值进行比较，判断高压隔离开关的合闸状态。

2.根据权利要求1所述的一种基于激光雷达的高压隔离开关合闸状态的检测方法，其特征在于：在所述步骤一中，前、后导电臂与水平方向的夹角值等效为前、后导电臂点云所拟合圆柱的轴线方向向量与竖直向量夹角的余角，以直角坐标系为参考，与X轴的夹角逆时针为正，计算公式如下：式中，向量 为前导电臂或者后导电臂轴向的方向向量，向量 为建立的直角坐标系中的竖直方向向量，模长为1。

3.根据权利要求2所述的一种基于激光雷达的高压隔离开关合闸状态的检测方法，其特征在于：在所述步骤二中，以一定数量且位置与任一坐标轴垂直的平面去截前、后导电臂点云，得到一系列离散的椭圆形状点云，通过拟合这一系列的椭圆，求解椭圆几何中心，计算出前、后导电臂轴向的方向向量。

4.根据权利要求1所述的一种基于激光雷达的高压隔离开关合闸状态的检测方法，其特征在于，在所述步骤三中，所述自动测算模块包括点云排列模块、点云自动分组模块、椭圆方程求解模块、方向向量求解模块和导电臂夹角计算模块。

5.根据权利要求4所述的一种基于激光雷达的高压隔离开关合闸状态的检测方法，其特征在于，所述点云排列模块将无序的点云按数据点的X轴坐标分量进行升序冒泡排序。

6.根据权利要求5所述的一种基于激光雷达的高压隔离开关合闸状态的检测方法，其特征在于，所述点云自动分组模块对排序好的点云进行分组，选择出合适的数据点作为拟合的数据样本，筛选公式如下：式中，(xi，yi，zi)为数据点Mi的坐标，x＝xj为分组平面，其值大小取决于点云分组数量与分组策略，D是设备中设置的设备到测量对象之间的距离，a是设备到测量对象之间距离对应下的设备测量精度，a、D取决于设备工作时的精度，d为测量对象与设备之间的实际距离，单位米，当数据点Mi到平面Pj：x＝xj(j＝1，2，3...)的距离小于da/D时，将该数据点X轴坐标分量修正为xj，使得点Mi位于平面Pj上，反之则将数据点坐标置0并舍弃。

7.根据权利要求6所述的一种基于激光雷达的高压隔离开关合闸状态的检测方法，其特征在于，所述椭圆方程求解模块根据每个平面上的点云，求解椭圆方程，具体如下：平面Pj(X＝xj)上的椭圆方程如下：

Ajy2+Bjyz+Cjz2+Djy+Ejz+1＝0

x＝xj，(j＝1，2，3...)

将上述平面Pj上的点云数据逐一利用最小二乘法拟合椭圆，公式如下：Δfi＝Ajyi2+Bjyizi+Cjzi2+Djyi+Ejzi+1；

对上式中的Aj求偏导，并令其值为0，公式如下：

上述关于Aj的方程式最高次为1次，同理，对Bj，Cj，Dj，Ej求偏导，联立得到五元一次方程组，求解该方程组，得到每个平面的椭圆方程系数值Aj，Bj，Cj，Dj，Ej(j＝1，2，3...)。

8.根据权利要求7所述的一种基于激光雷达的高压隔离开关合闸状态的检测方法，其特征在于，所述方向向量求解模块根据椭圆方程对导电臂轴向的方向向量求解，具体如下：椭圆方程对应的几何中心Oj(j＝1，2，3...)坐标的计算方式如下：xoj＝xj

将此一系列椭圆几何中心点均分为两个点集，分别求解这两个点集的中点坐标Pa(xa，ya，za) 、Pb(xb ，yb ，zb) ，计算方式如下所示，则导电 臂方向向 量为其中[]取整符号[]取整符号。

9.根据权利要求8所述的一种基于激光雷达的高压隔离开关合闸状态的检测方法，其特征在于，所述导电臂夹角计算模块根据导电臂方向向量计算前、后导电臂与水平方向的夹角值，具体如下：将上述求得的前、后导电臂方向向量为 代入下式中，

计算前、后导电臂与水平方向的夹角值，计算方式如下：

Δx＝xb-xa

Δy＝yb-ya

Δz＝zb-za。

10.根据权利要求9所述的一种基于激光雷达的高压隔离开关合闸状态的检测方法，其特征在于，所述导电臂夹角计算模块计算前、后导电臂之间的夹角值，将后导电臂与水平方向的夹角值减去前导电臂与水平方向的夹角值得到前、后导电臂之间的夹角值。

说明书

一种基于激光雷达的高压隔离开关合闸状态检测方法

技术领域

[0001] 本发明涉及高压隔离开关机械故障诊断，具体是一种基于激光雷达的高压隔离开关合闸状态检测方法。

背景技术

[0002] 高压隔离开关由操动机构带动动触头实现与静触头的接触与分离。在室外运行时极易受环境影响，加上操动机构运维不及时，机构生锈、卡涩致使高压隔离开关合闸不到位，出现间隙，导致发热甚至放电，影响设备寿命，威胁电网安全运行。而目前对于高压隔离开关的检测诊断技术缺乏，主要以经验判断为主，对高压隔离开关是否处于正常合闸状态完全依赖人员主观经验，容易引起误判。

[0003] 针对上述问题，众多学者开展了高压隔离开关的典型故障分析与检测方法的研究。典型的检测方法有：针对支柱绝缘子断裂故障的超声波检测技术、振动学法、应力应变检测法、红外检测法等；针对高压隔离开关操动锈蚀、卡涩等机械故障的电机电流检测法、操作力矩检测法等。电机电流检测法主要是通过检测分析高压隔离开关出现机械故障时的电机电流变化，目前处于实验室进行研究阶段；操作力矩检测法是通过电阻应变测量技术来检测高压隔离开关是否出现机械卡涩，只适用于停电检修时的场合。现场运行经验表明，高压隔离开关合闸不到位是现场典型隐蔽且危害大的缺陷，上述方法均无法在运行条件下对高压隔离开关合闸状态作出准确判断。为帮助现场运维简单直观的判断合闸到位情况，厂家一般推荐根据高压隔离开关的前、后导电臂的空间姿态，比如与水平方向的夹角作为依据辅助评估合闸到位状态，并明确写入了厂家技术文件。但遗憾的是，由于缺乏先进的可操作性的带电检测技术手段，目测并凭借运行经验实现定性判断是当前现场采用的主要方法，虽在一定程度上为保障高压隔离开关的安全，但也逐渐暴露出不足。

[0004] 因此,有必要开发一种精确的带电非接触式测量技术实现高压隔离开关合闸状态检测的方法。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种基于激光雷达的高压隔离开关合闸状态检测方法。

[0006] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种基于激光雷达的高压隔离开关合闸状态的检测方法,所述检测方法包括:

[0007] 步骤一,建立高压隔离开关合闸动作过程的几何抽象模型，分析得出可通过计算高压隔离开关的后导电臂与水平方向的夹角值或者前、后导电臂之间的夹角值来判断高压隔离开关合闸状态,提出高压隔离开关的前或后导电臂与水平方向的夹角值的测量算法；

[0008] 步骤二,通过地面激光雷达扫描高压隔离开关,获取高压隔离开关的前或后导电臂的点云，以一定数量且位置与任一坐标轴垂直的平面去截前、后导电臂点云；

[0009] 步骤三，在MATLAB中设计开发出高压隔离开关的后导电臂与水平方向的夹角值或者前、后导电臂之间的夹角值的自动测算模块；

[0010] 步骤四,自动测算模块根据高压隔离开关的前或后导电臂的点云，对点云数据进行排序、分组和拟合，自动测算高压隔离开关的后导电臂与水平方向的夹角值或者前、后导电臂之间的夹角值；

[0011] 步骤五，将测算得到的夹角值与规定值进行比较，判断高压隔离开关的合闸状态。

[0012] 进一步的，在所述步骤一中，前、后导电臂与水平方向的夹角值等效为前、后导电臂点云所拟合圆柱的轴线方向向量与竖直向量夹角的余角，以直角坐标系为参考，与X轴的夹角逆时针为正，计算公式如下：

[0013]

[0014] 式中，向量 为前导电臂或者后导电臂轴向的方向向量，向量 为建立的直角坐标系中的竖直方向向量，模长为1。

[0015] 进一步的，在所述步骤二中，以一定数量且位置与任一坐标轴垂直的平面去截前、后导电臂点云，得到一系列离散的椭圆形状点云，通过拟合这一系列的椭圆，求解椭圆几何中心，计算出前、后导电臂轴向的方向向量。

[0016] 进一步的，在所述步骤三中，所述自动测算模块包括点云排列模块、点云自动分组模块、椭圆方程求解模块、方向向量求解模块和导电臂夹角计算模块。

[0017] 进一步的，所述点云排列模块将无序的点云按数据点的X轴坐标分量进行升序冒泡排序。

[0018] 进一步的，所述点云自动分组模块对排序好的点云进行分组，选择出合适的数据点作为拟合的数据样本，筛选公式如下：

[0019]

[0020] 式中，(xi，yi，zi)为数据点Mi的坐标，x＝xj为分组平面，其值大小取决于点云分组数量与分组策略，D是设备中设置的设备到测量对象之间的距离，a是设备到测量对象之间距离对应下的设备测量精度，a、D取决于设备工作时的精度，d为测量对象与设备之间的实际距离，单位米，当数据点Mi到平面Pj：x＝xj(j＝1，2，3...)的距离小于da/D时，将该数据点X轴坐标分量修正为xj，使得点Mi位于平面Pj上，反之则将数据点坐标置0并舍弃。

[0021] 进一步的，所述椭圆方程求解模块根据每个平面上的点云，求解椭圆方程，具体如下：

[0022] 平面Pj(X＝xj)上的椭圆方程如下：

[0023] Ajy2+Bjyz+Cjz2+Djy+Ejz+1＝0

[0024] x＝xj，(j＝1，2，3...)

[0025] 将上述平面Pj上的点云数据逐一利用最小二乘法拟合椭圆，公式如下：

[0026] Δfi＝Ajyi2+Bjyizi+Cjzi2+Djyi+Ejzi+1；

[0027]

[0028] 对上式中的Aj求偏导，并令其值为0，公式如下：

[0029]

[0030] 上述关于Aj的方程式最高次为1次，同理，对Bj，Cj，Dj，Ej求偏导，联立得到五元一次方程组，求解该方程组，得到每个平面的椭圆方程系数值Aj，Bj，Cj，Dj，Ej(j＝1，2，3...)。

[0031] 进一步的，所述方向向量求解模块根据椭圆方程对导电臂轴向的方向向量求解，具体如下：

[0032] 椭圆方程对应的几何中心Oj(j＝1，2，3...)坐标的计算方式如下：

[0033] xoj＝xj

[0034]

[0035]

[0036] 将此一系列椭圆几何中心点均分为两个点集，分别求解这两个点集的中点坐标Pa(xa，ya，za)、Pb(xb，yb，zb)，计算方式如下所示，则导电臂方向向量为

[0037] 其中[]取整符号

[0038] []取整符号。

[0039] 进一步的，所述导电臂夹角计算模块根据导电臂方向向量计算前、后导电臂与水平方向的夹角值，具体如下：

[0040] 将上述求得的导电臂方向向量为 代入下式中，

[0041]

[0042] 计算前、后导电臂与水平方向的夹角值，计算方式如下：

[0043]

[0044] Δx＝xb-xa

[0045] Δy＝yb-ya

[0046] Δz＝zb-za。

[0047] 进一步的，所述导电臂夹角计算模块计算前、后导电臂之间的夹角值，将后导电臂与水平方向的夹角值减去前导电臂与水平方向的夹角值得到前、后导电臂之间的夹角值。

[0048] 本发明的有益效果：由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

[0049] 1、通过分析高压隔离开关合闸动作过程与结构特征，论证了通过测量导电臂夹角来判断合闸状态的可行性与优势；

[0050] 2、基于地面激光雷达获取高压隔离开关点云数据，提出了点云分组、拟合椭圆的计算圆柱轴线方向的方法，降低了计算难度；

[0051] 3、基于Matlab实现了导电臂夹角的自动测量，并与专业点云测量软件的手动测量值对比，验证了自动测量结果的可信性与提出的方法的可行性，成果可为变电站高压隔离开关合闸状态提供一种新的检测技术手段。

附图说明

[0052] 图1为本发明实施例中水平伸缩式高压隔离开关合闸动作示意图；

[0053] 图2为本发明实施例中一个与圆柱轴线不平行的平面截圆柱时的示意图。

具体实施方式

[0054] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。

[0055] 在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

[0056] 参照图1-2所示，本发明的优选实施例，一种基于激光雷达的高压隔离开关合闸状态的检测方法,所述检测方法包括:

[0057] 步骤一,建立高压隔离开关合闸动作过程的几何抽象模型，分析得出可通过计算高压隔离开关的后导电臂与水平方向的夹角值或者前、后导电臂之间的夹角值来判断高压隔离开关合闸状态，提出高压隔离开关的前或后导电臂与水平方向的夹角值的测量算法；

[0058] 步骤二,通过地面激光雷达扫描高压隔离开关,获取高压隔离开关的前或后导电臂的点云，以一定数量且位置与任一坐标轴垂直的平面去截前、后导电臂点云；

[0059] 步骤三，在MATLAB中设计开发出高压隔离开关的后导电臂与水平方向的夹角值或者前、后导电臂之间的夹角值的自动测算模块；

[0060] 步骤四,自动测算模块根据高压隔离开关的前或后导电臂的点云，对点云数据进行排序、分组和拟合，自动测算高压隔离开关的后导电臂与水平方向的夹角值或者前、后导电臂之间的夹角值；

[0061] 步骤五，将测算得到的夹角值与规定值进行比较，判断高压隔离开关的合闸状态。

[0062] 本发明通过分析高压隔离开关合闸动作过程与结构特征，论证了通过测量导电臂夹角来判断合闸状态的可行性与优势；基于地面激光雷达获取高压隔离开关点云数据，提出了点云分组、拟合椭圆的计算圆柱轴线方向的方法，降低了计算难度；基于Matlab实现了导电臂夹角的自动测量，并与专业点云测量软件的手动测量值对比，验证了自动测量结果的可信性与提出的方法的可行性，成果可为变电站高压隔离开关合闸状态提供一种新的检测技术手段。

[0063] 作为本发明的优选实施例，其还可具有以下附加技术特征：

[0064] 在本实施例中，在所述步骤一中，前、后导电臂与水平方向的夹角值等效为前、后导电臂点云所拟合圆柱的轴线方向向量与竖直向量夹角的余角，以直角坐标系为参考，与X轴的夹角逆时针为正，计算公式如下：

[0065]

[0066] 式中，向量 为前导电臂或者后导电臂轴向的方向向量，向量 为建立的直角坐标系中的竖直方向向量，模长为1。

[0067] 在本实施例中，在所述步骤二中，以一定数量且位置与任一坐标轴垂直的平面去截前、后导电臂点云，得到一系列离散的椭圆形状点云，通过拟合这一系列的椭圆，求解椭圆几何中心，计算出前、后导电臂轴向的方向向量。

[0068] 在本实施例中，在所述步骤三中，所述自动测算模块包括点云排列模块、点云自动分组模块、椭圆方程求解模块、方向向量求解模块和导电臂夹角计算模块。

[0069] 在本实施例中，所述点云排列模块将无序的点云按数据点的X轴坐标分量进行升序冒泡排序。

[0070] 在本实施例中，所述点云自动分组模块对排序好的点云进行分组，选择出合适的数据点作为拟合的数据样本，筛选公式如下：

[0071]

[0072] 式中，(xi，yi，zi)为数据点Mi的坐标，x＝xj为分组平面，其值大小取决于点云分组数量与分组策略，D是设备中设置的设备到测量对象之间的距离，a是设备到测量对象之间距离对应下的设备测量精度，a、D取决于设备工作时的精度，d为测量对象与设备之间的实际距离，单位米，当数据点Mi到平面Pj：x＝xj(j＝1，2，3...)的距离小于da/D时，将该数据点X轴坐标分量修正为xj，使得点Mi位于平面Pj上，反之则将数据点坐标置0并舍弃。

[0073] 在本实施例中，所述椭圆方程求解模块根据每个平面上的点云，求解椭圆方程，具体如下：

[0074] 平面Pj(X＝xj)上的椭圆方程如下：

[0075] Ajy2+Bjyz+Cjz2+Djy+Ejz+1＝0

[0076] x＝xj，(j＝1，2，3...)

[0077] 将上述平面Pj上的点云数据逐一利用最小二乘法拟合椭圆，公式如下：

[0078] Δfi＝Ajyi2+Bjyizi+Cjzi2+Djyi+Ejzi+1；

[0079]

[0080] 对上式中的Aj求偏导，并令其值为0，公式如下：

[0081]

[0082] 上述关于Aj的方程式最高次为1次，同理，对Bj，Cj，Dj，Ej求偏导，联立得到五元一次方程组，求解该方程组，得到每个平面的椭圆方程系数值Aj，Bj，Cj，Dj，Ej(j＝1，2，3...)。

[0083] 在本实施例中，所述方向向量求解模块根据椭圆方程对导电臂轴向的方向向量求解，具体如下：

[0084] 椭圆方程对应的几何中心Oj(j＝1，2，3...)坐标的计算方式如下：

[0085] xoj＝xj

[0086]

[0087]

[0088] 将此一系列椭圆几何中心点均分为两个点集，分别求解这两个点集的中点坐标Pa(xa，ya，za)、Pb(xb，yb，zb)，计算方式如下所示，则导电臂方向向量为

[0089] 其中[]取整符号

[0090] []取整符号。

[0091] 在本实施例中，所述导电臂夹角计算模块根据导电臂方向向量计算前、后导电臂与水平方向的夹角值，具体如下：

[0092] 将上述求得的导电臂方向向量为 代入下式中，

[0093]

[0094] 计算前、后导电臂与水平方向的夹角值，计算方式如下：

[0095]

[0096] Δx＝xb-xa

[0097] Δy＝yb-ya

[0098] Δz＝zb-za。

[0099] 在本实施例中，所述导电臂夹角计算模块计算前、后导电臂之间的夹角值，将后导电臂与水平方向的夹角值减去前导电臂与水平方向的夹角值得到前、后导电臂之间的夹角值。

[0100] 为便于对本发明的理解，以下提供一个较为具体的实施例：

[0101] 本实施例以水平伸缩式高压隔离开关为研究对象，该高压隔离开关主导电部分静触头、动侧导电部分(含传动座、前后导电臂、动触头)，分别安装在静侧、动侧支柱绝缘子顶上部。高压隔离开关分闸状态时，前、后导电臂折叠合拢，与静触头之间形成清晰可见的隔离断口。合闸动作时，操动机构带动拉杆使得后导电臂旋转运动，导电臂内部的推杆推动齿条，带动齿轮转动，进而带动前导电臂，使得前、后导电臂打开伸直展开，前、后导电臂夹角逐渐变小，直至前导电臂顶端的动触头插入静触头，前、后导电臂夹角达到目标范围，形成稳定的导电通路。

[0102] 根据高压隔离开关合闸动作过程建立抽象模型，其中点A为后导电臂与设备的铰接点，点C1为动触头与前导电臂连接点，B1C1、AB1为前、后导电臂，在合闸时，导电臂由状态1的AB1C1位置运动逐渐运动到状态3的水平AB3C3位置。以点A为坐标系原点，AB3C3所在的直线为X轴，竖直方向为Z轴，按右手螺旋定则建立直角坐标系，如图1所示。

[0103] 实际运行中为衡量导电臂空间姿态，判断高压隔离开关合闸到位情况，采用前导电臂与水平方向夹角和后导电臂与水平方向夹角两者的值是否在规定区间内作为判断依据。若设前、后导电臂与水平方向的夹角分别为前导电臂夹角θf与后导电臂夹角θb，即当后导电臂夹角θb∈[β1，β2]，前导电臂夹角 时，可判定高压隔离开关合闸到位，其中β1，β2， 的取值取决于目标高压隔离开关的具体型号。

[0104] 而在实际运算时，一般只需要通过计算高压隔离开关的后导电臂与水平方向的夹角值或者前、后导电臂之间的夹角值来判断高压隔离开关合闸状态，在本实施例中，通过计算高压隔离开关的后导电臂与水平方向的夹角值来判断高压隔离开关合闸状态。

[0105] 由于高压隔离开关前、后导电臂为空间几何体，与水平方向的夹角不易直接测量计算，需要寻找合适的几何特征来等效代替前、后导电臂的空间姿态带电非接触获取。

[0106] 地面激光雷达具有高精度，非接触的优点。利用地面激光雷达扫描高压隔离开关，获取前、后导电臂点云，能够很好地反映导电臂的空间姿态，但由于点云只是离散点的集合，只反映物体表面点的位置信息，不具备直接测量角度的功能。因此，需要从点云中提取出合适的数学特征。由于前、后导电臂均为规则的圆柱体，圆柱的方向通常以圆柱的轴线方向向量来表示，因此，通过拟合圆柱，以圆柱轴线方向向量作为前、后导电臂的数学特征的方式能够很好地反映导电臂空间姿态。

[0107] 根据上述分析，前、后导电臂夹角可等效为前、后导电臂点云所拟合圆柱的轴线方向向量与竖直向量夹角的余角，以图1中的直角坐标系为参考，与X轴的夹角逆时针为正，计算方法如下式所示：

[0108]

[0109] 式中，向量 为导电臂方向向量，向量 为建立的直角坐标系中的竖直方向向量，模长为1。

[0110] 由上式可得，基于导电臂夹角的高压隔离开关合闸状态检测关键是如何准确提取导电臂轴线向量。获取空间中任一圆柱轴线方向的传统方式为使用最小二乘法直接拟合圆柱面，进而得到圆柱轴线方向。但此方法在求解过程中需计算多元高次方程组的解，求解难度大。针对该问题，提出一种基于离散思想的点云切片分组计算方式，改进了圆柱轴线的求解过程，使得计算量、计算难度大大减小，具体计算原理如下：

[0111] 以空间中任一圆柱面(x2+y2＝r2)底面圆心为原点，底面平面为XOY平面，以Z轴为圆柱轴线方向。当一个与其轴线不平行平面所截如图2。

[0112] 该平面与Z轴交于点(0，0，h)，与XOY面的角度为 (逆时针)。该轮廓线方程为椭圆，长轴位于XOZ平面，短轴位于YOZ平面，故该椭圆长、短轴交点，即椭圆几何中心位于Z轴上，圆柱轴线也位于Z轴上，因此，至少求出两点即可确定圆柱的轴线向量。据此原理，当以一定数量且位置与任一坐标轴垂直的平面去截圆柱面点云时，可得到一系列离散的椭圆形状点云。通过拟合这一系列的椭圆，求解椭圆几何中心，计算出圆柱轴线方向，进而计算出高压隔离开关导电臂夹角值，将求解三维空间直线方向的问题转化为求二维平面点的问题，大大降低了计算难度，求解椭圆几何中心公式如下：

[0113]

[0114] 式中，r是圆柱面的半径，Ψ是平面与XOY平面的夹角，h是平面与Z轴的交点。

[0115] 根据上述提出的导电臂夹角测量算法原理，本实施例基于地面激光雷达点云在MATLAB中设计开发了高压隔离开关导电臂夹角自动测量的模块。

[0116] 1、点云排列模块

[0117] 此模块功能是将无序的点云按一定的要求进行排序，为后续点云分组提供便利。常用的排序算法有：快速排序、冒泡排序、直接插入排序等，本实施例选择按数据点的X轴坐标分量进行升序冒泡排序的策略。

[0118] 2、点云自动分组模块

[0119] 此模块对排序好的点云进行分组，选择出合适的数据点作为拟合的数据样本，筛选条件如下式所示：

[0120]

[0121] 式中，(xi，yi，zi)为数据点Mi的坐标，x＝xj为分组平面Pj，其值大小取决于点云分组数量与分组策略，如等间距、随机等方式，a、D取决于设备工作时的精度，如设备工作时作业精度设置为10m距离误差2mm，则a＝0.002，D＝10，d为测量对象与设备之间的实际距离，单位米。当数据点Mi到平面Pj：x＝xj(j＝1，2，3...)距离小于da/D时，将该数据点X轴坐标分量修正为xj，使得点Mi位于平面Pj上，反之则将数据点坐标置0，舍弃。

[0122] 3、椭圆方程求解模块

[0123] 最小二乘法是一种数学优化技术。它通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配。本模块根据每个平面上的点云，求解椭圆方程。

[0124] 平面Pj(X＝xj)上的椭圆方程如下：

[0125] Ajy2+Bjyz+Cjz2+Djy+Ejz+1＝0

[0126] x＝xj，(j＝1，2，3...)

[0127] 将上述平面Pj上的点云数据逐一利用最小二乘法拟合椭圆，公式如下：

[0128] Δfi＝Ajyi2+Bjyizi+Cjzi2+Djyi+Ejzi+1；

[0129]

[0130] 对上式中的Aj求偏导，并令其值为0，公式如下：

[0131]

[0132] 上述关于Aj的方程式最高次为1次，同理，对Bj，Cj，Dj，Ej求偏导，联立得到五元一次方程组，求解该方程组，得到每个平面的椭圆方程系数值Aj，Bj，Cj，Dj，Ej(j＝1，2，3...)。

[0133] 4、方向向量求解模块

[0134] 椭圆方程对应的几何中心Oj(j＝1，2，3...)坐标的计算方式如下：

[0135] xoj＝xj

[0136]

[0137]

[0138] 将此一系列椭圆几何中心点均分为两个点集，分别求解这两个点集的中点坐标Pa(xa，ya，za)、Pb(xb，yb，zb)，计算方式如下所示，则导电臂方向向量为

[0139] 其中[]取整符号

[0140] []取整符号。

[0141] 5、导电臂夹角计算模块

[0142] 将上述求得的导电臂方向向量为 代入下式中，

[0143]

[0144] 计算前、后导电臂与水平方向的夹角值，计算方式如下：

[0145]

[0146] Δx＝xb-xa

[0147] Δy＝yb-ya

[0148] Δz＝zb-za。

[0149] 为检验点云切片的拟合方法的可信性，需进行现场验证。以德国Z+F公司IMAGER 5010设备获取目标高压隔离开关点云数据，并以加拿大InnovMetric开发的点云数据软件Polyworks测量高压隔离开关导电臂轴线与伸缩方向的夹角，将该结果作为参照组。测试对象为某变电站220kV水平伸缩式高压隔离开关。

[0150] 对上述现场获得的点云数据进行处理，删除无关点云与噪点，得到后导电臂点云数据。以该导电臂点云为对象，使用Polyworks点云测量软件拟合圆柱面，并手动创建该圆柱轴线方向向量，测得该导电臂方向向量为： 代入导电臂夹角计算公式得：

[0151] θ＝-0.592°

[0152] 即后导电臂与竖直方向夹角为89.408°，与水平伸缩方向呈0.592°角，以此结果对比验证本发明提出的自动检测结果的可信性。

[0153] 选择等间距的策略确定分组平面，将点云矩阵依据X轴坐标分量进行升序排列，并分别以过第[N×i/6](i＝1,2,···6,[]为取整符号，N为点云数量)个数据点的平面作为点云分组平面。根据现场作业时的工作模式和到目标高压隔离开关的距离设定到分组平面的距离小于0.002×15/10时可分组到相应平面上。

[0154] 利用最小二乘法拟合上述6组点云分组数据，计算椭圆的几何中心坐标，得到6个椭圆几何中心点，得到后导电臂的方向向量为 输出高压隔离开关后导电臂夹角为：

[0155] θ＝-0.567°

[0156] 即本发明提出的高压隔离开关导电臂夹角自动检测结果为0.567°。与对照组人工测量值0.592°相比，两者相差0.025°，相对误差为4％，两组数据相差较小，根据现场高压隔离开关相应的技术手册可知，该高压隔离开关合闸到位规定为后导电臂与水平方向的夹角顺时针不大于2°，测量结果符合该标准，同时，该测量高压隔离开关在现场投运较长时间，经历过大电流载荷，多次红外热像测温均正常，无异常发热现象，可见现场高压隔离开关已合闸到位。可佐证，提出的基于地面激光雷达的高压隔离开关导电臂夹角检测技术具有可行性，能自动地实现夹角度数的测量，且精度满足工程要求。

[0157] 在不出现冲突的前提下，本领域技术人员可以将上述附加技术特征自由组合以及叠加使用。

[0158] 可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。