輸電線路桿塔位移在線監(jiān)測技術研究

傅煒 鄭心城 范定志 李勇 黃凱 王洪平 蘇志棠 林閩卿

摘 要：為了防止桿塔傾斜、倒折等事故發(fā)生，研究了載波相位差分技術基本原理，研制了輸電線路桿塔位移形變在線監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)包括在線監(jiān)測終端、微信端應用和Web端軟件平臺，可實現(xiàn)對輸電線路桿塔形變位移數(shù)據(jù)的在線監(jiān)測、預警以及信號傳輸。通過現(xiàn)場安裝調試，發(fā)現(xiàn)輸電線路桿塔的位移監(jiān)測結果表示與實際工況相符，后臺軟件平臺邏輯清晰，可為電網(wǎng)安全運行提供有效的技術方案。

關鍵詞：載波相位差分技術;桿塔位移形變;在線監(jiān)測;Web;微信;信號傳輸

中圖分類號：TP393文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）12-00-04

0 引 言

輸電線路桿塔起到支持導線、避雷線及使其對大地與其他建筑物保持足夠安全距離的作用。桿塔的運維工作關乎電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行：在臺風、強降雨等惡劣天氣情況下，易發(fā)生山體滑坡、泥石流等自然災害，引發(fā)電力桿塔護坡塌方;在持續(xù)低溫極端氣候下，導線、桿塔的大面積覆冰容易引起鐵塔倒塌、折斷事故;地震、地質沉降等自然因素將造成桿塔傾斜、塔基沉降等安全隱患;施工不規(guī)范，工程管理不到位等問題將引起桿塔傾斜[1-3]。一旦發(fā)生倒塔事故，將嚴重影響電網(wǎng)的安全運行，輕則降低電網(wǎng)可靠性，重則引起大面積停電。

國內(nèi)對電力桿塔的檢測大部分采用人工巡檢，并進行記錄，雖然有推廣的無人機巡線，但本質還是通過人工采集判斷。桿塔數(shù)量龐大，運維人員必須在一個巡檢周期內(nèi)完成所有桿塔的巡視、維護工作，工作壓力較大。由于電力塔桿的沉降和變形相對緩慢，很難通過肉眼來辨別，因此容易因為運維人員的工作經(jīng)驗、技術水平等產(chǎn)生誤判、漏判的現(xiàn)象[4-7]。

本文通過研究北斗衛(wèi)星定位基本原理和載波平滑碼相位差分技術，研制出終端樣機，實現(xiàn)了采用無傾角傳感器對桿塔厘米級的監(jiān)測。通過GPRS/CDMA無線公網(wǎng)將現(xiàn)場采集的桿塔姿態(tài)信息傳送到后臺Web端應用軟件處理，可形象、清晰地還原現(xiàn)場工況。

1. 輸電桿塔在線監(jiān)測的基本原理

1.1 衛(wèi)星定位的基本原理

衛(wèi)星定位的基本原理基于后方交會測距法，每顆衛(wèi)星任意時刻的星歷參數(shù)能夠實時讀取，即衛(wèi)星任意時刻的三維空間坐標是唯一確定的。通過測量接收機與衛(wèi)星的距離能夠計算出接收機的位置坐標。

假設接收機的空間坐標為（x0， y0， z0），已知三顆衛(wèi)星的空間坐標分別為A（x1， y1， z1），B（x2， y2， z2），C（x3， y3， z3），則

方程組（1）中含有三個未知數(shù)，（x0， y0， z0）在給定距離OA，OB和OC下有唯一解，由此來確定待定位點的坐標[8]。

在利用衛(wèi)星進行位置定位時，通常會受到各種各樣的因素影響而產(chǎn)生誤差，例如電離層效應、對流層效應引起的誤差，星歷誤差和多路效應誤差等。為了盡可能消除這些誤差，采用兩臺以上的衛(wèi)星接收機同步各路信號（一臺作為基準站，一臺作為流動站），同時觀測衛(wèi)星數(shù)據(jù)，基準站通過電臺發(fā)射所接收的載波相位信號或載波相位差分改正信號，流動站在接收衛(wèi)星信號的同時會通過電臺接收基準站的電臺信號。在這兩信號的基礎上，流動站上的固化軟件進行差分運算，從而精確定出基準站和流動站的空間相對位置關系。

在實際工程中，基準站和流動站的距離一般不大于30 km，因此可以近似基準站和流動站電離層效應、對流層效應引起的誤差和星歷誤差相同。得到流動站在第i顆衛(wèi)星下的觀測方程[9]：

式中：Δρib為基準站偽距修正參數(shù);（xi， yi， zi）表示第i顆衛(wèi)星的空間坐標;（xu， yu， zu）表示流動站的坐標;d為距離誤差;Δdρ為同時觀測相同衛(wèi)星的各項誤差和。

如果基準站和流動站處于同一衛(wèi)星歷元，則通過方程（2）即可計算出流動站的地理坐標（xu， yu， zu）。

在這一過程中，會因觀測條件、信號源等的影響存在誤差，即儀器標定誤差，一般為平面1 cm+1 ppm，高程2 cm+1 ppm。載波相位差分可使定位精度達到毫米級[10]，已被大量應用于需要高精度位置的領域。

1.2 輸電桿塔在線監(jiān)測系統(tǒng)架構

目前供電企業(yè)仍然采用經(jīng)緯儀或全站儀來監(jiān)測桿塔位移，導致精度難以保證。本文通過載波相位差分技術研制出了監(jiān)測終端樣機，并結合后臺軟件對輸電線路桿塔進行在線監(jiān)測，系統(tǒng)框架如圖1所示。監(jiān)測移動站接收基準站發(fā)送的載波相位修正參數(shù)，對觀測值進行修正，測量出桿塔的姿態(tài)信息，通過無線公網(wǎng)將該信息發(fā)送至后臺監(jiān)控服務器進行數(shù)據(jù)分析處理。

2 監(jiān)測終端硬件設計結構

監(jiān)測終端除了負責對桿塔的定位之外還需要測量桿塔的傾斜度，并存儲和上報預警信息。因此硬件電路必須包含處理器模塊、載波相位多星座定位模塊、MEMS傳感器模塊、存儲區(qū)模塊和無線通信模塊。由于監(jiān)測終端處于戶外，僅依靠蓄電池供電壽命有限，因此還為監(jiān)測終端增加了太陽能供電模塊。為保證電網(wǎng)重要信息不泄露，本文采用特定的安全芯片對上報信息進行加密處理。監(jiān)測終端硬件設計結構如圖2所示。

2.1 高精度位移監(jiān)測模塊

高精度位移監(jiān)測模塊是監(jiān)測終端的重要組成部分，主要由多星座GNSS衛(wèi)星定位模塊、MEMS傳感器和氣壓計構成。多星座GNSS衛(wèi)星定位模塊主要負責設備的定位信息，MEMS傳感器負責采集桿塔位移形變信息，桿塔所處位置的氣壓對MEMS傳感器的工作精度影響較大，現(xiàn)場采用氣壓計采集當前塔桿周邊的氣壓信息來修正桿塔位移形變信息。

多星座GNSS衛(wèi)星定位模塊是基于海峽北斗最新的多射頻單元同步技術小型化雙天線測向定位模塊，模塊采用更加精密的載波相位定位差分技術，實現(xiàn)了靜態(tài)和動態(tài)情況下的高精度、高穩(wěn)定性、抗多路徑干擾的航向測試。

多星座GNSS衛(wèi)星定位模塊同時接收多個系列衛(wèi)星定位系統(tǒng)的信號，將多路載波相位觀測量進行有效結合，同時使用多個接收模塊，能夠實時提供0.2°（基線長度1 m）的航向測量精度，滿足低動態(tài)、低功耗、高精度定向需求。多星座GNSS衛(wèi)星定位模塊電路原理如圖3所示。

2.2 安全芯片

電網(wǎng)配電終端常用的安全加密芯片包括同方股份有限公司設計生產(chǎn)的TF32A09系列芯片、南京南瑞公司設計生產(chǎn)的NRSEC3000等。考慮到監(jiān)測終端主要針對GPRS/CDMA公網(wǎng)通信的數(shù)據(jù)進行加密，因此宜采用功能較單一、成本低廉的安全芯片。本文選用北京智芯微電子科技有限公司設計生產(chǎn)的配電終端安全芯片SC1161Y。該安全芯片支持SPI通信接口，具有SM1/SM2/SM3國密算法、真隨機數(shù)發(fā)生器、存儲器數(shù)據(jù)加密和總線加擾機制等安全保護機制，可有效保證數(shù)據(jù)傳輸、存儲的機密性和完整性。

SC1161Y應用電路原理如圖4所示。其中MISO為安全芯片的輸出端口，MOSI為安全芯片的輸入端口，SCK為時鐘端口，SSN為芯片的片選端口。使用時引腳2與7、引腳3與6需外部短接。

安全芯片和MCU之間采用SPI通信，當MCU發(fā)送數(shù)據(jù)、安全芯片接收數(shù)據(jù)時，MISO引腳需保持接收態(tài);當安全芯片發(fā)送數(shù)據(jù)、MCU接收數(shù)據(jù)時，MOSI引腳應始終保持低電平。

3 系統(tǒng)軟件設計

監(jiān)測終端主要負責對桿塔姿態(tài)的采集和信息上報。監(jiān)測終端的主程序包括MEMS傳感器測量位移和載波相位差分算法，前者主要用來觀測是否出現(xiàn)較大的位移，后者主要用于計算桿塔微小偏移，并且為運維人員提供地理位置信息。主程序流程如圖5所示。

輸電桿塔位移形變監(jiān)測軟件平臺包括Web端應用程序和通信服務程序，均安裝在監(jiān)控中心的服務器中。Web端應用程序用于實現(xiàn)輸電桿塔位移形變監(jiān)測系統(tǒng)的各種功能應用。通信服務程序用于接收來自平臺和各移動端應用用戶的待發(fā)指令，設備喚醒后接收下發(fā)校準指令，采集上傳桿塔位移形變數(shù)據(jù)信息。同樣，接收輸電桿塔位移形變監(jiān)測終端采集的數(shù)據(jù)信息存入服務器數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)對監(jiān)測數(shù)據(jù)的高效管理、分析和處理。根據(jù)各項功能指標，如數(shù)據(jù)采集與傳輸、GIS地圖監(jiān)控、位置監(jiān)控、數(shù)據(jù)報表、緊急報警等進行分析并處理。軟件邏輯如圖6所示。

輸電桿塔位移形變在線監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了大范圍、遠距離分布式桿塔監(jiān)控功能，平臺以地理信息技術為基礎，通過對終端設備采集信息的分析，為巡檢應急中心的維護人員提供可視化運行界面。作為一個一體化可拓展的應用平臺，開放數(shù)據(jù)接口和第三方應用的標準接口，以便后期接入新增的監(jiān)控內(nèi)容和功能應用。

4 實驗測試結果

通常來說，輸電桿塔發(fā)生傾斜時，基座的位移遠小于頂部的位移，如果將監(jiān)測終端安裝在桿塔基座處，采集的精度會打折扣，有可能造成漏判的情況;如果將監(jiān)測終端安裝在桿塔頂部，雖然能夠避免缺漏的情況，但是安裝時需要停電作業(yè)，且不便于設備運維。因此，監(jiān)測終端安裝高度遵循如下原則：

（1）監(jiān)測終端安裝在塔腿以上;

（2）與輸電線路之間保持要求的安全距離。

安裝區(qū)域如圖7所示。

由于桿塔數(shù)量眾多，出于成本考慮，在某供電公司兩條110 kV架空線的桿塔上分別安裝11套和12套監(jiān)測終端，為不破壞桿塔的塔材結構，保證原桿塔的應力分布，特采用鋼絲繩綁接的方式將監(jiān)測終端和太陽能電池板固定在塔材上，如圖8所示。

監(jiān)測終端信息上報有兩種方式，一種是定時上報，即每天在固定時間上傳桿塔當前時刻的位移值;另一種是緊急上報，即桿塔位移超出閾值后，立即上報異常信息。后臺Web端應用軟件不僅能夠接收預警信息，還能夠將異常信息派發(fā)給相應責任人。用戶可以直接通過層級地圖找到指定桿塔，獲得桿塔位移的歷史數(shù)據(jù)。

終端安裝一段時間后，針對預警次數(shù)較多的桿塔進行現(xiàn)場測量。以110 kV田忠Ⅰ路22～26號桿塔監(jiān)測數(shù)據(jù)為例，后臺導出歷史觀測值和現(xiàn)場測量值，見表1所列。

該區(qū)域桿塔處于沿海線路，所處地區(qū)的風力較大，平均為6級，風向為東南風，桿塔朝風向略有偏移，觀測值處于合理范圍內(nèi)。根據(jù)DL/T 741—2010《中華人民共和國電力行業(yè)標準：架空輸電線路運行規(guī)程》中規(guī)定直線桿塔的傾斜程度：50 m 以下高度鐵塔傾斜度α≤1%;50 m以上高度鐵塔傾斜度α≤0.5%。由此可知該地區(qū)監(jiān)測的桿塔均處于安全運行范圍內(nèi)。

5 結 語

通過載波相位差分算法實現(xiàn)對桿塔位移的精確測量，再利用無線公網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳送至監(jiān)控服務器，將運行人員的現(xiàn)場目測巡視+經(jīng)驗判斷的檢查模式變?yōu)樽詣硬杉?事后共同研判，避免手工記錄運行狀態(tài)不夠形象直觀而造成漏記、錯記的問題。供電單位的運維人員節(jié)約了去現(xiàn)場巡查的時間成本，實現(xiàn)了實時監(jiān)測。輸電運維人員可有針對性地提高巡檢及檢修質量，利用北斗定位系統(tǒng)確定事故發(fā)生地點后可以提前規(guī)劃路徑，避免運維人員盲目搜索。

參 考 文 獻

[1]楊自崗，冀宏領.220 kV架空輸電線路桿塔傾斜的原因分析及處理[J].中國電力，2016，49（s1）：40-43.

[2]楊艷美.高壓輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D]. 鄭州：鄭州大學，2017.

[3]周柯宏，張燁，舒佳，等.輸電線路桿塔傾斜度在線監(jiān)測系統(tǒng)[J].廣東電力，2013，26（7）：57-61.

[4]朱兵，葉水勇，邵名聲，等.基于北斗系統(tǒng)的桿塔在線監(jiān)測系統(tǒng)研究[J].陜西電力，2016，44（4）：51-53.

[5]王古月，魏永，章兵，等.基于北斗衛(wèi)星的電網(wǎng)塔形監(jiān)測研究[J].能源與環(huán)保，2017，39（10）：102-106.

[6]鄧召魁，呂玉祥，高存博，等.基于北斗衛(wèi)星的輸電桿塔在線監(jiān)測系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術，2016，39（10）：162-166.

[7]趙云.電力桿塔無線傳感網(wǎng)絡設計[D].南京：南京大學，2017.

[8] YANG Y. Progress，contribution and challenges of compass/beidou satellite navigation system [J]. Acta geodaetica et cartographica sinica，2010，39（1）：1-6.

[9]徐明山.采空區(qū)輸電桿塔姿態(tài)監(jiān)測與分析系統(tǒng)研究[D]. 太原：太原理工大學，2016.

[10]肖玉鋼，姜衛(wèi)平，陳華，等.北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的毫米級精度變形監(jiān)測算法與實現(xiàn)[J].測繪學報，2016，45（1）：16-21.