Мониторинг и перенаправление линий электропередач с помощью спутниковых снимков

T. ЛУЭМОНГКОЛ (1), A. ВАННАКОМОЛ (2) И T. КУЛВОРАВАНИЧПОНГ (1)

¹Исследовательское подразделение энергетических систем, Школа электротехники

²Школа геотехнологий

Инженерный институт, Технологический университет Суранари, Накхонратчасима 30000, Таиланд

Аннотация: - В данной работе представлено применение технологии спутниковой съемки для мониторинга линий электропередачи. В качестве основного инструмента использовались спутниковые снимки, обработанные с помощью программного обеспечения ENVI. Информация, полученная с помощью дистанционного зондирования Земли и геоинформационных систем (ГИС), может быть извлечена из исходных спутниковых данных LANDSAT ETM и топографической карты. В этой статье были исследованы районы провинции Накхонратчасима, к северо-востоку от Таиланда, для тематического анализа. Основная цель мониторинга линий электропередачи состоит в том, чтобы выявить участки ЛЭП, расположенные поблизости или проходящие через населенный пункт.


Ключевые слова: - Линия электропередачи, система сверхвысокого напряжения, технология спутниковой съемки, планирование энергосистемы


1 Введение

Спутниковые снимки нашли свое применение [1-5] в области сельского хозяйства, геологии, лесного хозяйства, сохранения биоразнообразия, регионального планирования, образования, разведки, ведения войны, прогноза погоды, электроэнергетики и т.д. Изображения могут быть в видимых цветах и в других спектрах. Для интерпретации и анализа спутниковых снимков необходимы некоторые эффективные программные пакеты, такие как ERDAS или ENVI. Все спутниковые снимки, сделанные НАСА, публикуются Earth Observatory и находятся в свободном доступе для общественности. Несколько других стран в настоящее время имеют программы спутниковой съемки, а европейские коллеги совместными усилиями запустили спутники ERS и Envisat с различными датчиками. Есть также частные компании, которые предоставляют коммерческие спутниковые снимки. В начале 21-го века спутниковые снимки стали широкодоступными, а простое в использовании программное обеспечение с доступом к базам данных спутниковых снимков предлагают несколько компаний и организаций.

На протяжении десятилетий линии электропередачи, особеннов Таиланде, строились для связи между электростанциями и электроподстанциями по всей стране. В последние годы рост населения привел к тому, что жилые районы распространяются во всех направлениях без каких-либо ограничений. Несколько деревень в местных районах сдвинули свою границу близко к линиям электропередач или пересекли их. Одной из важных работ по планированию передачи электроэнергии является мониторинг и перенаправление существующей мощности линии электропередачи на территории с меньшим количеством населения под ними или поблизости. Эта работа может быть выполнена с использованием аэрофотоснимков целевого района, полученных некоторыми летательными аппаратами, такими как БПЛА или вертолеты. При наличии и доступности ресурсов спутниковой съемки проще и дешевле проанализировать и перенаправить линии электропередач с изучением соответствующих спутниковых снимков. В связи с недавним прогрессом технологии спутниковой съемки разрешение изображения некоторых коммерческих спутников может достигать менее 1 метра. Этого решительного сигнала достаточно для работы по изменению маршрута, упомянутой ранее. Дело в том, что общая площадь поверхности Земли слишком велика, а разрешение спутниковых снимков относительно высокое. Спутниковые базы данных огромны, а обработка изображений, которая создает полезные результаты из необработанных данных, отнимает много времени. В зависимости от используемого датчика погодные условия могут повлиять на качество изображения. Например, трудно получить четкие изображения для областей с частым облачным покровом, таких как вершины гор.

В этой статье в разделе 2 приводится краткое описание линий электропередачи. В этом разделе кратко изложена конструкция башни и выравнивание проводников для систем передачи электроэнергии. Раздел 3 иллюстрирует спутниковые снимки и их применение в некоторых областях исследований. В этом разделе также были описаны топографические карты, которые использовались в работе. В этом разделе также была дана процедура изменения маршрута линии электропередачи, которая является основной целью данной работы. В следующем разделе, разделе 4, представлены результаты схемы изменения маршрута, предложенной в настоящем документе. Раздел 6, последний подвел итоги и обсудил их для дальнейшей работы.

2 Системы передачи электроэнергии

Системы передачи электроэнергии – это системы доставки электроэнергии группам потребителей в виде электрических подстанций. Системы передачи электроэнергии подключаются к электростанциям через повышающие трансформаторы для передачи электроэнергии от электростанций к нескольким подстанциям по всей стране. Электрические системы передачи электроэнергии могут осуществляться с помощью воздушных линий или подземных кабелей [6-8]. Подземные системы редко используются в обычных ситуациях по двум причинам: i) мощность передается на большие расстояния к нагрузкам и ii)стоимость установки подземной системы очень высока. Для передачи энергии на большие расстояния обычно используется высоковольтная система напряжением выше 110 кВ. В настоящее время, с увеличением потребности в электроэнергии, системы передачи электроэнергии эксплуатируются на сверхвысоком уровне напряжения 230 кВ и выше. Несмотря на то, что существует множество типов опор или опор линий электропередачи, используемых для передачи электроэнергии, стальные опоры неизменно используются для передачи на большие расстояния при более высоком уровне напряжения.

Рис. 1 Конструкция стальных опор для передачи электроэнергии

Рис. 2 Линия электропередач в Накхонратчасиме

Рис. 3 Линия электропередач в Накхон Свон

Рис. 4 Линия электропередачи, проходящая через общественную территорию

Рис. 1 приведены некоторые стальные конструкции линий электропередач напряжением около 115 – 230 кВ. На рисунках 2 и 3 показана часть линий электропередач в провинциях Накхонратчасима и Накхон Свон, Таиланд, соответственно. В этом районе под ними были только небольшие деревья, трава или рисовые поля. Иначе обстоит дело на рис. 4, где некоторые здания расположены рядом с линией электропередачи. Рис. 5 также показана карта передачи электроэнергии Таиланда, Управление электроэнергетики Таиланда (EGAT) [9]. Точечный круг на этом рисунке обозначил провинцию Накхонратчасима, исследуемую область в этой статье. Эта провинция находится примерно в 250 км к северо-востоку от Бангкока, столицы Таиланда .

Хотя инженеры по передаче электроэнергии обычно проектируют свои системы передачи с высоким уровнем безопасности, большая активность сообщества может вызвать непредсказуемые события, которые могут привести к отказу системы из-за отключения электроэнергии в больших зонах. Удаление людей с территории - это социальная проблема, и ее невозможно осуществить. Снятие и перенаправление существующих линий электропередачи - лучший выбор. Кроме того, изменение маршрута передающей части требует инвестиций. Причинение вреда людям и отключение электроэнергии могут стоить компенсации из-за социальных проблем.

Рис. 5 Карта передачи электроэнергии в Таиланде

Рис. 6 Спутниковый снимок, Таиланд [11]

3 Методы визуализации

Последний спутник LANDSAT, LANDSAT 7, был запущен в апреле 1999 года [10]. Он играет уникальную и существенную роль в области спутников наблюдения за Землей на орбите. Датчики наблюдения за Землей на LANDSAT 7, усовершенствованный тематический картограф plus (ETM+), воспроизводят возможности прибора thematic mapper на LANDSAT 4 и 5 TM+ также включает в себя новые функции, которые делают его более универсальным и эффективным инструментом для исследований глобальных изменений, мониторинга и оценки растительного покрова и картографирования больших площадей. Основными новыми функциями Landsat 7 являются: панхроматический диапазон с пространственным разрешением 15 м, калибровка и тепловой ИК-канал с пространственным разрешением 60 м. Рис. 6 показан спутниковый снимок, Таиланд [11]. Как упоминалось ранее, точечный круг является областью исследования в этой статье.

3.2 Топографическая карта

Топографическая карта, как показано на рис. 8 представляет собой типичную карту, характеризующуюся крупномасштабной детализацией и количественным представлением, обычно с использованием контурных линий в современном картографировании [12]. Традиционные определения требуют, чтобы топографическая карта отображала как природные, так и антропогенные особенности. Топографические карты нашли свое применение, например, в любом типе географического планирования или крупномасштабной архитектуры; науке о Земле и многих других географических дисциплинах; добыче полезных ископаемых и других наземных начинаниях; и рекреационном использовании, таком как пешие прогулки.

Рис. 8 Пример топографической карты [13]

Рис. 9 Топографическая карта местности Накхонратчасима

При планировании систем передачи электроэнергии маршруты линий электропередачи располагаются на такого рода картах. К сожалению, информация на этой карте устарела, потому что топографическая съемка страны была сделана давно. Единственное, что никогда не менялось, это GPS-координаты [14] линий электропередачи на топографических картах. С помощью этих координат можно найти существующие маршруты линий электропередачи, а затем нанести их на свежую версию спутникового снимка, как показано на рис. 10. Эта процедура будет описана в следующем подразделе.

Рис. 10 Сопоставление координат GPS

3.3 Методология перенаправления линий электропередач

Перед изменением маршрута участков линии электропередач необходимо подготовить свежие спутниковые снимки и топографические карты этих участков. Ниже приведена пошаговая процедура выполнения предлагаемого изменения маршрута линии электропередачи.

Шаг 0

Подготовка спутниковых снимков и топографических карт

Шаг 1

Выберите подходящую топографическую карту
Извлеките GPS-координат из топографической карты

Шаг 2

Выберите подходящую спутниковую карту
Измените размер изображения, чтобы охватить целевой маршрут линии
Нанесите координаты на подготовленный спутниковый снимок Создайте линейное соединение для формирования пути передачи

Шаг 3

Найдите участок линии, который был близок или проходил через населенный пункт
Найдите поблизости место, где можно построить линию

Шаг 4

Оцените изменение маршрута линии электропередачи.



4 Результаты и обсуждение

Это исследование было проведено с рассмотрением линии электропередачи 230 кВ, 50 Гц в провинции Накхонратчасима в качестве примера [15]. Эта провинция является крупнейшей провинцией по размеру и второй по численности населения в Таиланде. Топографическая карта исследования приведена на рис. 11, в то время как рис. 12 представляет цветные детали спутникового снимка того же района.

Рис. 11 Топографическая карта местности Накхонратчасима

Рис. 12 Спутниковый снимок местности Накхонратчасима

После получения набора GPS-координат линии электропередачи на топографической карте линия электропередачи может быть расположена на спутниковом снимке с помощью программного обеспечения ENVIИ. Рис. 13 показана топографическая карта с включением существующей трассы ЛЭП. Исходя из информации о координатах GPS, маршрут линии передачи может быть дублирован на спутниковом снимке, как показано на рис. 14.

После быстрой проверки было обнаружено семь возможных участков, на которые могут быть перенаправлены ЛЭП. GPS-координаты всех семи выбранных участков до изменения маршрута были указаны в таблице 1. В таблице 2 также содержится информация об их GPS-координатах после изменения маршрута. Первое место, как показано на рис. 15 и 16, было расположено в Бан Нонг Я Нгаме, район Муанг, Накхонратчасима. Второй участок, как показано на рис. 17 и 18, был расположен в районе подрайона Чаймонгкол, район Муанг, Накхонратчасима. Третий участок, как указано на Рис 19 и 20 был расположен в Бан Нонг Яплонге, район Чокечай, Накхонратчасима. Четвёртый участок, показанный на рис. 21 и 22, был расположен на земле Бан Сурасават, район Муанг, Накхонратчасима. Пятый участок, как показано на рис. 23 и 24, был расположен в Бан Янгяй, район Муанг, Накхонратчасима. Шестой участок, как показано на рис. 25 и 26, был расположен в Бан Нонг Хруэа Чут, район Нонсунг, Накхонратчасима. Седьмой участок, последний, как показано на рис. 27 и 28, был расположен в Бан Мае, район Муанг, Накхонратчасима. Снимки были проверены на наличие населенных пунктов. На рисунках 15 и 16 показан участок линии электропередачи, который был перенаправлен на топографической карте и спутниковом снимке соответственно. Как видно, существующий маршрут располагался недалеко от населенного пункта. Его нужно было перенаправить.

На рисунках 17 и 18 также показана другая часть, которая была перенаправлена в этой работе. На рис. 18, существующая линия проходила через небольшую деревню и была окружена другими деревнями. Перенаправленная линия может быть размещена как точка на рисунке.

Рис. 13 Топографическая карта местности Накхонратчасима с трассой линии электропередачи

Рис. 14 Спутниковый снимок района Накхонратчасима с трассой линии электропередачи

Таблица 1 GPS-координаты участка линии электропередачи семи выбранных участков до изменения маршрута

Таблица 2 GPS-координаты участка линии электропередачи семи выбранных участков после изменения маршрута

Рис. 15 Топографическая карта первого участка

Рис. 16 Спутниковый снимок первого участка

Рис. 17 Топографическая карта второго участка

Рис. 18 Спутниковый снимок второго участка

Рис. 19 Топографическая карта третьего участка

Рис. 20 Спутниковый снимок третьего участка

Рис. 21 Топографическая карта четвертого участка

Рис. 22 Спутниковый снимок четвертого участка

Рис. 23 Топографическая карта пятого участка

Рис. 24 Спутниковый снимок пятого участка

Рис. 25 Топографическая карта шестого участка

Рис. 26 Спутниковый снимок шестого участка

Рис. 27 Топографическая карта седьмого участка

Рис. 28 Изображениелинии передачи электроэнергии

Часть для изменения маршрута (семь примеров)

Предложенная методика очень полезна.

Некоторые эффективные методы обработки изображений могут быть полезны для улучшения этой работы, чтобыизменить маршрут по всей стране. Спутниковые снимки являются новым инструментом для применения в энергосистемах. Очень полезно интегрировать его выдающуюся особенность с некоторыми другими методами для оценки воздействия на окружающую среду в результате переноса линий передачи электроэнергии, таких как распределение электрического поля [16-17] или слышимый шум [18].



5 Заключение

В данной работе были использованы топографические карты и космические снимки для извлечения ключевой информации, описывающей линии электропередачи, расположенные на картах. Применение, продемонстрированное здесь, заключалось в изменении маршрута участков линий электропередачи, которые были расположены поблизости или проходили через населенный пункт. Они должны быть перенесены на какую-нибудь неиспользуемую землю поблизости. В качестве примера была использована линия электропередачи напряжением 230 кВ в провинции Накхонратчасима. Существовало семь участков линии, которые были перенаправлены, потому что они были близки к населенным пунктам. В результате использование аэрофотоснимков и спутниковых снимков оказалось весьма полезным. Инженеры по передаче электроэнергии могут перенаправить участки без полевых исследований, которые отнимают много времени и стоят очень дорого.

Поскольку спутниковые снимки являются мощным инструментом, наши исследования могут быть масштабированы для использования методов обработки спутниковых изображений. Обработка изображений может классифицировать области на основе спектров изображений. Когда пиксели изображения были разделены на две группы: i) область населенного пункта и ii) область, не относящаяся к населенному пункту, работа по изменению маршрута может быть начата и, следовательно, выполнена эффективно.



Ссылки:

[1] В. Эльшорбаги и А. Эльхаким, Карты оценки риска разлива нефти для крупных опреснительных установок в Объединенных Арабских Эмиратах, Опреснение, том 228, выпуски 1-3, стр. 200-216, 2008

[2] X. Jin и C. H. Davis, Интегрированная система автоматического картографирования дорог для мультиспектральных спутниковых снимков высокого разрешения методом слияния информации, Information Fusion, том 6, выпуск 4, стр. 257-273, 2005

[3] Г. Финнведен и А. Моберг, Инструменты анализа экологических систем - обзор, Журнал чистого производства, том 13, Is sue 12, стр. 1165-1173, 2005

[4] Ю. Нисигами, Х. Сано и Т. Кодзима, Оценка площади лесов вблизи пустынь — производство глобального биометанола из солнечной энергии, Прикладная энергия, том 67, выпуск 4, стр. 383-393, 2000

[5] Г.. Патил, В.Л. Майерс, З. Луо, Г.Д. Джонсон и К. Тайли, Многомасштабная оценка ландшафтов и водосборных бассейнов с помощью синоптических многомерных пространственных данных в экологической статистике, Математическое и компьютерное моделирование, том 32, выпуски 1-2, стр. 257-272, 2000

[6] J.J. Grainger и W.D. Stevenson, Jr., Анализ энергетических систем, McGraw-Hill, 1994.

[7] Р.К. Раджпут, Учебник по энергетике, Laxmi Publication, 2007

[8] Л. Григсби, Справочник по электроэнергетике, CRC Press, Бока-Ратон, 2001

[9] Отдел планирования энергосистем, Управление электроэнергетики Таиланда, 2002 год

[10] К. Элачи и Дж.В. Зил, Введение в физику и методы дистанционного зондирования, Wiley-Interscience, 2006

[11] http://maps.google.com/

[12] И. Ким, Д. Юнг и Р. Парк, Бинаризация изображений документа на основе топографического анализа с использованием модели потока воды, Распознавание образов, том 35, выпуск 1, стр. 265-277, 2002

[13] http://www.lyovic.com/

[14] Э. Мок, Быстрая система на основе GPS для геодезической проверки трасс дорог, Достижения в области строительных технологий, стр. 1637-1643, 2002

[15] Т. Луэмонгкол, А. Ваннакомол и Т. Кулвораваничонг, Применение спутниковых снимков для изменения маршрута линий электропередачи, ^4-я Международная конференция IASME/WSEAS по энергетике и окружающей среде (EE'09), 24 – 26 февраля 2009 г., Кембридж, Англия, стр. 303 – 308

[16] Р. Бунвутививат, Т. Кулвораваничпонг,. Пао-ла-Ор, Распределение электрического поля в результате гула мобильного телефона и сопряжения с воздушной линией электропередачи, ^7-й WSEAS Международная конференция по энергетическим системам, Пекин, Китай, 15 – 17 сентября 2007 г.

[17] Р. Бунвутививат, Т. Кулвораваничпонг,. Пао-Ла-Ор, Оценка электрического поля вокруг воздушной линии электропередачи с использованием нейросетевой модели, 11-я Международная конференция WSEAS по системам, остров Крит, Греция, 23-28 июля 2007 г.

[18] К. Шан, С. Бхатти, И.А. Гловер, Р. Аткинсон, И.Е. Португес,.Дж. Мур и Р. Резерфорд, Извлечение импулятивного шума из измерений на электроподстанции 400 кВ, ^4-я Международная конференция IASME/WSEAS по энергетике и окружающей среде (EE'09), 24 – 26 февраля 2009 г., Кембридж, Англия, стр. 135 – 139