基于北斗的輸電線塔傾斜監(jiān)測系統(tǒng)研究及應(yīng)用

彭松梟，袁里

（1.湖南科鑫電力設(shè)計有限公司，長沙410000；2.湖南未來橋科技有限公司，長沙410007）

1 引言

近年來，因自然災(zāi)害和人為等因素造成電力鐵塔傾倒和損壞的事故時有發(fā)生，極大地影響了電力傳輸系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。依據(jù)DL/T 741—2010《架空輸電線路運(yùn)行規(guī)程》中電力直線桿塔監(jiān)測要求，經(jīng)常出現(xiàn)人工巡檢效率低、肉眼難以觀察到其初期微小變化、復(fù)巡周期長無法全天候監(jiān)測、缺乏智能化預(yù)警及統(tǒng)計分析功能等問題。目前，常規(guī)的桿塔傾斜測量方法有經(jīng)緯儀測量法、平面鏡測量方法和傾角儀法等。經(jīng)緯儀法受地形條件影響大，平面鏡測量方法要求平面鏡與測量中心線所在平面垂直不易操作，傾角儀法受溫度環(huán)境影響大且不能反映沿塔高方向的姿態(tài)變化。本文設(shè)計研究了一種基于北斗定位的方法，建立桿塔傾斜計算模型，實(shí)現(xiàn)各種極端環(huán)境和特殊地形下桿塔傾斜度及姿態(tài)的實(shí)時監(jiān)測與預(yù)警[1]。

2 輸電線塔傾斜監(jiān)測原理

輸電線塔傾斜監(jiān)測中北斗系統(tǒng)主要由北斗衛(wèi)星接收基準(zhǔn)站、監(jiān)測站、通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)分析處理中心、遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺等組成。北斗定位系統(tǒng)直接解算測點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，通過測點(diǎn)天線接收衛(wèi)星導(dǎo)航信號，利用衛(wèi)星導(dǎo)航高精度差分定位實(shí)現(xiàn)毫米級的高精度坐標(biāo)定位。為獲取桿塔傾斜值，將三個北斗天線分別安置在輸電線塔頂部的三個拐角點(diǎn)上，利用姿態(tài)測量原理和衛(wèi)星相對定位，計算得到三點(diǎn)構(gòu)成的夾角，進(jìn)而獲取1-2與1-3方向的傾斜角，即桿塔在兩個方向的傾斜。

圖1 北斗測點(diǎn)安裝位置

3 北斗傾斜監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

從系統(tǒng)組成的角度看，傾斜監(jiān)測系統(tǒng)由如下部分構(gòu)成：傳感器層、數(shù)據(jù)采集層數(shù)據(jù)采集卡板、無線傳輸層、現(xiàn)場區(qū)域中心基站、電網(wǎng)監(jiān)控中心客戶端。由于桿塔北斗天線的安裝位置均位于桿塔端部，因此，需使用無線通信手段，選用GSM 通信方式，減少空間距離帶來的干擾。但由于輸電線路桿塔數(shù)量龐大，每基桿塔配置相應(yīng)的GSM 模塊將極大地增加成本。采用Zigbee 短距離無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，可在較低成本的基礎(chǔ)上滿足實(shí)際使用功能。Zigbee 是基于IEEE802.15.4 無線標(biāo)準(zhǔn)研制開發(fā)的有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的通信技術(shù)，具有模塊功耗低、簡單易用、成本低、通信可靠穩(wěn)定等特點(diǎn)，可滿足桿塔間通信需要。桿塔間采用Zigbee 通信，而桿塔和控制室間采用GSM 通信，以達(dá)到降低成本的目的[2]。

4 傾斜監(jiān)測數(shù)據(jù)的智能分析與處理

為對傾斜監(jiān)測原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析及對桿塔傾斜發(fā)展進(jìn)行預(yù)測，從而對可能發(fā)生的險情進(jìn)行預(yù)警，達(dá)到避災(zāi)或減災(zāi)的目的，本技術(shù)采用“卡爾曼濾波”方法對定位結(jié)果進(jìn)行平滑和預(yù)測，并用支持向量機(jī)進(jìn)行分析推理。

卡爾曼濾波器的操作包括兩個階段：預(yù)測與更新。在預(yù)測階段，濾波器使用上一傾斜狀態(tài)的估計，對當(dāng)前傾斜狀態(tài)進(jìn)行估計；在更新階段，濾波器利用對當(dāng)前傾角狀態(tài)的觀測值優(yōu)化在預(yù)測階段獲得的預(yù)測值，以獲得一個更精確的新估計值。卡爾曼濾波預(yù)測狀態(tài)計算公式如下：

支持向量機(jī)（Support Vector Machine，SVM）于1995年提出，它在解決小樣本、非線性及高維模式識別中表現(xiàn)出許多特有的優(yōu)勢，并能夠推廣應(yīng)用到各種機(jī)器學(xué)習(xí)問題中。本文基于“徑向基核函數(shù)”通過大量訓(xùn)練樣本（xi是輸電線塔監(jiān)測點(diǎn)傾斜測量值輸入；yi是輸電桿傾斜概率輸出），得到分類函數(shù)進(jìn)而對新的位移測量值x 計算出新的輸電桿傾斜概率，作為預(yù)測結(jié)果，該算法可推理出相當(dāng)準(zhǔn)確的結(jié)論。

5 系統(tǒng)試驗(yàn)及工程應(yīng)用研究

北斗傾斜監(jiān)測系統(tǒng)會經(jīng)受高低溫等惡劣環(huán)境，為保障系統(tǒng)在輸電線塔工作環(huán)境下運(yùn)行的可靠性，進(jìn)行了干擾試驗(yàn)。

5.1 高低溫試驗(yàn)

從0°C 逐漸升到50°C，在50°C 時保持溫度恒定，觀測時間為晚上8:00至第二天早上8:00，數(shù)據(jù)接收12個小時，共解算40 組數(shù)據(jù)。角度誤差為0.0401°，小于0.050°。從0°C 逐步降到在-30°C，保持溫度不變。觀測時間為晚上8:00至第二天早上6:00，數(shù)據(jù)接收10個小時，角度的誤差為0.0389°，小于0.050°測試結(jié)果表明北斗系統(tǒng)受溫度影響較小。

5.2 高壓電場干擾試驗(yàn)

將被測試GPS 傾斜監(jiān)測設(shè)備處于開機(jī)狀態(tài)，放入高電壓測試環(huán)境中，將GPS天線安置于高壓電線下方1m 處。在有無磁干擾與加電磁干擾的情況下分別測試。測試結(jié)果表明：在加壓、不加壓兩種情況下，測量結(jié)果基本不變。

圖2 高低溫試驗(yàn)和高壓電場干擾試驗(yàn)

在烏魯木齊米東區(qū)750kV（超高壓）電力鐵塔上布設(shè)應(yīng)用了本文研發(fā)的系統(tǒng)（圖3），太陽能板抗風(fēng)系數(shù)選定為27m/s（相當(dāng)于十級臺風(fēng)），系統(tǒng)終端能存儲30天數(shù)據(jù)。塔上坐標(biāo)定位精度為2～3mm（靜態(tài)相對定位），鐵塔傾斜度測量精度為0.003%。經(jīng)過一年多的連續(xù)監(jiān)測，鐵塔傾斜度為0.16%，未發(fā)生持續(xù)性的傾斜。

圖3 烏魯木齊超高壓電力鐵搭應(yīng)用該系統(tǒng)及軟件平臺界面

6 結(jié)語

本文創(chuàng)新地將北斗系統(tǒng)研究應(yīng)用到電網(wǎng)輸電線塔傾斜在線監(jiān)測預(yù)警中，研究應(yīng)用表明，采用北斗姿態(tài)測量技術(shù)監(jiān)測電塔傾斜，無需穩(wěn)定的地面基準(zhǔn)點(diǎn)，將傳統(tǒng)的后端模糊度解算技術(shù)改為現(xiàn)場分布式解算，有效地減少了數(shù)據(jù)傳輸量，可結(jié)合GPS 采用兩個衛(wèi)星系統(tǒng)的多頻信號，利用組合信號，可以提高定位的精度，縮短定位的時間，檢測定位中的粗差數(shù)據(jù)，提高定位可靠性。該系統(tǒng)成功應(yīng)用于烏魯木齊超高壓電力鐵塔，實(shí)現(xiàn)了電力鐵塔的高精度、遠(yuǎn)程、自動化監(jiān)測，具有重要的應(yīng)用價值。