Análisis de modelos digitales del terreno levantados con dron para el diseño de líneas eléctricas de alta tensión

Abstract

En España, la producción de energía proviene de diversas fuentes, incluyendo la nuclear, hidráulica, renovables, carbón y ciclo combinado. Aunque la producción de energía se encuentra en transición hacia fuentes de energía renovable, la dependencia del gas natural y el carbón aún es significativa. El gobierno español ha establecido un objetivo ambicioso para alcanzar una economía de bajas emisiones de carbono para 2050 y ha implementado medidas para fomentar el desarrollo de las energías renovables. La Red Eléctrica de España (REE) es el operador nacional del sistema eléctrico y tiene un papel clave en la gestión, el control y la planificación del sistema eléctrico español, así como en el desarrollo de la infraestructura necesaria para apoyar la transición hacia una economía de bajas emisiones de carbono. La red de transporte está compuesta por más de 40.100 kilómetros de líneas de alta tensión, más de 4.800 posiciones de subestaciones y más de 74.000 MVA de capacidad de transformación. El diseño de líneas de alta tensión implica considerar factores técnicos y regulaciones para asegurar la seguridad, la eficiencia y la durabilidad de la línea. El levantamiento topográfico es un proceso fundamental para el diseño y tendido de líneas eléctricas de alta tensión. Este proceso permite identificar obstáculos en el camino de la línea, calcular la altura necesaria para las torres, diseñar la línea de manera efectiva y segura, y estimar los costos de construcción de la línea. Actualmente, el levantamiento topográfico del perfil del terreno se realiza mediante GPS, ya que este sistema proporciona una posición geográfica precisa y confiable, es más rápido que los métodos tradicionales, eficiente en la recopilación y transmisión de datos, accesible y disponible para la mayoría de las empresas y organizaciones, y se integra fácilmente con otros sistemas de información geográfica. La técnica de vuelo fotogramétrico clásico para obtener el relieve del terreno de líneas de alta tensión es costosa debido a la logística, tiempo y esfuerzo necesarios para realizar y procesar las imágenes, y la necesidad de contar con un equipo altamente capacitado y experimentado. Sin embargo, con la aparición de los drones (UAV), se han obtenido ventajas como la flexibilidad, eficiencia, rapidez, accesibilidad y la integración con otros sistemas, lo que puede mejorar la precisión y reducir los costos en el proceso de diseño de la línea de transmisión mediante técnicas fotogramétricas. La precisión estimada de un dron en el levantamiento de la altimetría y la planimetría depende de varios factores, incluyendo la altura de vuelo, la calidad de la cámara y la tecnología de posicionamiento utilizada (GPS, RTK, etc.). En general, a medida que la altura de vuelo disminuye, la precisión de la altimetría y la planimetría mejora. Con tecnologías de posicionamiento precisas, como RTK, se pueden lograr precisiones aún más altas. El objetivo general de la tesis es evaluar el uso de drones para el diseño e inspección de líneas eléctricas de alta tensión. Para ello, se establecen varios objetivos específicos que incluyen un análisis bibliométrico de la investigación en líneas de alta tensión, el levantamiento de 10 líneas de alta tensión con drones y GPS, el diseño y cálculo de estas líneas utilizando los dos modelos digitales del terreno, el análisis de la precisión, costo, rapidez, viabilidad, eficiencia y seguridad de ambos métodos, y la elaboración de conclusiones objetivas y confiables para ayudar en la toma de decisiones informadas sobre el uso de drones y GPS en la inspección de líneas de alta tensión.

Abstract

In Spain, energy production comes from a variety of sources, including nuclear, hydro, renewables, coal and combined cycle. Although energy production is transitioning to renewable energy sources, dependence on natural gas and coal is still significant. The Spanish government has set an ambitious target to achieve a low-carbon economy by 2050 and has implemented measures to encourage the development of renewable energy. Red Eléctrica de España (REE) is the national electricity system operator and plays a key role in the management, control and planning of the Spanish electricity system, as well as in the development of the infrastructure needed to support the transition to a low-carbon economy. The transmission grid is made up of more than 40,100 kilometers of high-voltage lines, more than 4,800 substation positions and more than 74,000 MVA of transformation capacity. The design of high-voltage lines involves considering technical factors and regulations to ensure the safety, efficiency and durability of the line. Surveying is a fundamental process for the design and laying of high-voltage power lines. This process allows identifying obstacles in the path of the line, calculating the necessary height for the towers, designing the line effectively and safely, and estimating line construction costs.

Currently, the topographic survey of the terrain profile is performed using GPS, as this system provides an accurate and reliable geographic position, is faster than traditional methods, efficient in data collection and transmission, accessible and available to most companies and organizations, and is easily integrated with other geographic information systems. The classic photogrammetric flight technique for obtaining the terrain relief of power lines is expensive due to the logistics, time and effort required to make and process the images, and the need for a highly trained and experienced team. However, with the advent of drones (UAVs), advantages have been gained such as flexibility, efficiency, speed, accessibility and integration with other systems, which can improve accuracy and reduce costs in the transmission line design process using photogrammetric techniques. The estimated accuracy of a drone in surveying altimetry and planimetry depends on several factors, including flight altitude, camera quality, and the positioning technology used (GPS, RTK, etc.). In general, as flight altitude decreases, the accuracy of altimetry and planimetry improves. With precise positioning technologies, such as RTK, even higher accuracies can be achieved.

The overall objective of the thesis is to evaluate the use of drones for the design and inspection of high voltage power lines. To this end, several specific objectives are established including a bibliometric analysis of high voltage power line research, the survey of 10 high voltage power lines with drones and GPS, the design and calculation of these lines using the two digital terrain models, the analysis of the accuracy, cost, speed, feasibility, efficiency and safety of both methods, and the development of objective and reliable conclusions to aid in making informed decisions on the use of drones and GPS in the inspection of high voltage power lines.