基于衛(wèi)星定位技術(shù)的輸電線路智能馳度觀測(cè)系統(tǒng)

韓啟云，李 凱，焦 劍，陳 晨，桂和懷

安徽送變電工程有限公司，安徽 合肥 230022

0 引言

近年來，隨著我國電力建設(shè)的不斷推進(jìn)，各種跨區(qū)域的電網(wǎng)建設(shè)也逐漸增多，這些電網(wǎng)通常以特高壓輸電線路為主要結(jié)構(gòu)，且橫跨多個(gè)復(fù)雜地形，施工難度和維護(hù)難度都顯著提升，如何確保這些區(qū)域的電網(wǎng)長期穩(wěn)定運(yùn)行是一項(xiàng)難題[1-3]。在電網(wǎng)的運(yùn)維中，馳度觀測(cè)是一項(xiàng)重要內(nèi)容，以往的馳度觀測(cè)多采用基于光學(xué)的技術(shù)方法，其受到的限制較多，在降水和霧霾等低能見度的天氣條件下，基于光學(xué)的馳度觀測(cè)方法則不再適用。為此，基于衛(wèi)星定位技術(shù)開發(fā)新的馳度觀測(cè)技術(shù)方法具有重要意義。

1 系統(tǒng)概述及系統(tǒng)工作原理

1.1 系統(tǒng)概述

基于衛(wèi)星定位技術(shù)的輸電線路智能馳度觀測(cè)系統(tǒng)，其主要包括移動(dòng)監(jiān)測(cè)模塊、信息參考模塊、水平張力監(jiān)測(cè)模塊、系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)終端四個(gè)部分[4]。在實(shí)際應(yīng)用過程中，移動(dòng)監(jiān)測(cè)模塊會(huì)基于衛(wèi)星定位技術(shù)對(duì)輸電線路的馳度進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，工作人員根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果即可分析是否進(jìn)行施工緊線作業(yè)[5]。由于該系統(tǒng)基于衛(wèi)星定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)，因此對(duì)環(huán)境能見度并無過高要求，在惡劣天氣下仍能夠開展相應(yīng)作業(yè)。

1.2 系統(tǒng)工作原理

在該馳度觀測(cè)系統(tǒng)中，其主要模塊均基于計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和衛(wèi)星定位技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)。在這些先進(jìn)技術(shù)融合應(yīng)用的情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電線路馳度更為有效的觀測(cè)，有效克服了傳統(tǒng)工作模式下的技術(shù)難題，通過應(yīng)用該馳度觀測(cè)系統(tǒng)，以往因天氣原因難以進(jìn)行馳度觀測(cè)的實(shí)際困難將得以有效解決。利用衛(wèi)星定位進(jìn)行導(dǎo)地線馳度觀測(cè)時(shí)，因基準(zhǔn)站所得到的測(cè)量數(shù)據(jù)為其單點(diǎn)定位數(shù)據(jù)，存在較大誤差，因此實(shí)際觀測(cè)時(shí)使用一個(gè)基準(zhǔn)站用于提供衛(wèi)星定位所需的基準(zhǔn)參考數(shù)據(jù)和兩個(gè)移動(dòng)站進(jìn)行導(dǎo)地線馳度觀測(cè)。為了確保移動(dòng)站的天線高程數(shù)據(jù)具有較高的精確度，采用RTK鏈接模式，將移動(dòng)站與基準(zhǔn)站建立通信鏈接。這種方式可達(dá)到厘米級(jí)定位精度（實(shí)測(cè)誤差范圍控制在±20 mm），通過這種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集后，兩個(gè)移動(dòng)站的天線高程數(shù)據(jù)一目了然，通過對(duì)這兩個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單的差值計(jì)算，即可得到兩個(gè)移動(dòng)站的天線高程差值[6-7]。對(duì)馳度進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，基準(zhǔn)站J安放在鐵塔頂端，移動(dòng)站A安放在導(dǎo)線絕緣子懸掛點(diǎn)正上方；移動(dòng)站B通過遙控自動(dòng)行走裝置安裝在最內(nèi)側(cè)或最外側(cè)子導(dǎo)線導(dǎo)線上任意一點(diǎn)（取接近導(dǎo)線弧垂點(diǎn)為宜）。

2 中心基站系統(tǒng)軟件

中心基站系統(tǒng)軟件的主要作用是對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，工作人員在系統(tǒng)軟件界面上輸入相關(guān)數(shù)據(jù)，經(jīng)分析處理后即可輸出結(jié)果并展示，實(shí)現(xiàn)馳度觀測(cè)的最終目標(biāo)。在實(shí)際應(yīng)用過程中，主要需要工作人員輸入由觀測(cè)模塊所獲得的桿塔坐標(biāo)和掛點(diǎn)高度差值等數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)輸入后，該軟件即可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，處理后即可顯示出衛(wèi)星小車的位置坐標(biāo)，以及衛(wèi)星小車和子導(dǎo)線相對(duì)位置的示意圖，并實(shí)時(shí)顯示出導(dǎo)線馳度模擬情況。在監(jiān)測(cè)終端模塊，其主要基于各類傳感器加以實(shí)現(xiàn)，根據(jù)傳感器功能上的差異，采用多種封裝形式進(jìn)行封裝，以確保其在安裝、調(diào)試和應(yīng)用上的便利性。

3 系統(tǒng)供電

當(dāng)前，架空輸電線路的施工作業(yè)區(qū)域多為地形復(fù)雜的野外，這些區(qū)域無法使用市電進(jìn)行供電，如架設(shè)專用線路或使用燃油發(fā)電機(jī)組，則成本過高。為了解決系統(tǒng)的供電難題，工程人員在系統(tǒng)中增設(shè)了小型儲(chǔ)能站作為系統(tǒng)的電源，儲(chǔ)能站采用鋰離子蓄電池組[8]。為了確保電源供電的穩(wěn)定、可靠，在投入使用前，技術(shù)人員需要分析系統(tǒng)功耗情況，根據(jù)分析結(jié)果合理確定電池的供電電壓和容量，并增設(shè)電源智能管理系統(tǒng)對(duì)設(shè)備電源進(jìn)行智能化管理，確保該儲(chǔ)能站能夠維持智能馳度觀測(cè)系統(tǒng)的工作需要。經(jīng)過分析計(jì)算可知，該儲(chǔ)能站能夠確保智能馳度觀測(cè)系統(tǒng)連續(xù)工作24 h。

4 馳度智能計(jì)算原理

當(dāng)兩個(gè)移動(dòng)站與基準(zhǔn)站建立起RTK鏈接時(shí)，可得到兩個(gè)移動(dòng)站的天線高程數(shù)據(jù)，將兩個(gè)移動(dòng)站天線的高程數(shù)據(jù)作差值計(jì)算，即可得到兩個(gè)移動(dòng)站的天線高差。馳度計(jì)算原理圖如圖1所示。

圖1 馳度計(jì)算原理圖

設(shè)掛點(diǎn)A的天線高程為Ha，經(jīng)緯度坐標(biāo)分別為NA、EA；掛點(diǎn)B的天線高程為Hb，經(jīng)緯度坐標(biāo)分別為NB、EB；移動(dòng)站的天線極化點(diǎn)距導(dǎo)線懸掛點(diǎn)的距離為L。根據(jù)移動(dòng)站A、B的經(jīng)緯度坐標(biāo)可計(jì)算出兩個(gè)移動(dòng)站的直線距離S，即據(jù)導(dǎo)線A、B懸掛點(diǎn)的距離。小車測(cè)量已知量：小車高程HC；小車與桿位中心距離LC。預(yù)知量：觀測(cè)檔兩懸點(diǎn)高程Ha、Hb。得出如下計(jì)算公式：式中：L2為掛點(diǎn)A與掛點(diǎn)B的高程差；L1為小車在掛點(diǎn)A與掛點(diǎn)B連線的投影點(diǎn)與掛點(diǎn)A的高程差；fs為小車處的弧垂。

計(jì)算時(shí)以A點(diǎn)作為計(jì)算參考點(diǎn)。當(dāng)A、B懸掛點(diǎn)等高時(shí)，懸掛點(diǎn)高程與小車高程即小車處導(dǎo)線馳度。如掛點(diǎn)B位置相對(duì)更高，則有

此時(shí)

由此得出

如掛點(diǎn)A位置相對(duì)更高，則利用公式（7）計(jì)算，此時(shí)

由此得出

根據(jù)以上公式不難看出，只需通過兩個(gè)移動(dòng)站的坐標(biāo)值，即可計(jì)算出兩點(diǎn)之間的直線距離，如果移動(dòng)站無限趨近掛點(diǎn)時(shí)，就是兩側(cè)掛點(diǎn)時(shí)間數(shù)據(jù)。

此時(shí)移動(dòng)站所在位置的馳度計(jì)算公式為

代入測(cè)量所得到的數(shù)據(jù)即可計(jì)算出該位置的馳度值。事實(shí)上，該數(shù)值與導(dǎo)線上任意一點(diǎn)的馳度都相等。通過得到的計(jì)算結(jié)果，并對(duì)其進(jìn)行推導(dǎo)，即可分析得到導(dǎo)線馳度的最大值。在實(shí)際工作中，通常會(huì)取得多組測(cè)量數(shù)據(jù)，為了確保最終計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確，可在剔除一些明顯偏差的數(shù)據(jù)后，對(duì)剩余數(shù)據(jù)取平均值作為最終計(jì)算結(jié)果。

5 系統(tǒng)使用方法

5.1 基本數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備

輸電線路智能馳度觀測(cè)系統(tǒng)對(duì)馳度的解算需要使用馳度觀測(cè)檔的相關(guān)參數(shù)作為數(shù)據(jù)計(jì)算的基本參數(shù)。選擇觀測(cè)檔兩基桿塔中的任意一基作為數(shù)據(jù)觀測(cè)站點(diǎn)，其需要準(zhǔn)備的數(shù)據(jù)如下。

（1）圖紙數(shù)據(jù)。①觀測(cè)檔桿號(hào)。②觀測(cè)檔檔距（單位：m）。③觀測(cè)檔兩懸掛點(diǎn)高程（單位：m）。④觀測(cè)站桿塔橫擔(dān)半寬（單位：m）。⑤施工基面至掛點(diǎn)距離（單位：m）。⑥導(dǎo)線直徑（單位：mm）。

（2）現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)。①觀測(cè)站桿位中心經(jīng)、緯度坐標(biāo)（單位：DM，其中分保留小數(shù)點(diǎn)后四位數(shù)字）。②觀測(cè)站參考基礎(chǔ)頂面高程（單位：m）。③衛(wèi)星天線至參考基面距離（單位：m）。

5.2 數(shù)據(jù)終端軟件解算參數(shù)的設(shè)置

（1）圖紙參數(shù)的設(shè)置。開啟系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)終端運(yùn)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)終端的系統(tǒng)軟件，點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)終端軟件”中“參數(shù)設(shè)置”菜單進(jìn)入“運(yùn)行參數(shù)設(shè)置”界面。然后分別在開始桿塔和結(jié)束桿塔錄入“經(jīng)緯度坐標(biāo)”“高程”“呼高”“串長”“橫擔(dān)長”“滑車寬”“橫擔(dān)寬”，再錄入檔距參數(shù)“檔距”“比載”“張力”“導(dǎo)線直徑”，以及參考站“經(jīng)緯度”“高程”。參數(shù)輸入完成后，點(diǎn)擊“保存參數(shù)”按鈕，最后點(diǎn)擊“退出”按鈕即可。

（2）現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)的設(shè)置。按照要求填寫完成必要工程參數(shù)后點(diǎn)擊“提交工程數(shù)據(jù)”按鈕，即完成信息錄入工作，在桿塔信息待錄入頁面出現(xiàn)觀測(cè)檔桿位編號(hào)?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)獲取時(shí)，將使用系統(tǒng)設(shè)備自動(dòng)進(jìn)行獲取，開啟系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)終端、安放衛(wèi)星信息參考站、啟動(dòng)衛(wèi)星移動(dòng)監(jiān)測(cè)站，并將衛(wèi)星移動(dòng)監(jiān)測(cè)站置于桿位中心樁上，運(yùn)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)終端的系統(tǒng)軟件，待系統(tǒng)指示進(jìn)入RTK差分狀態(tài)后，在桿塔數(shù)據(jù)輸入頁面中點(diǎn)擊“提交工程參數(shù)”和“提交基站數(shù)據(jù)”后可點(diǎn)擊“弧垂測(cè)量”按鈕，進(jìn)入弧垂等計(jì)算、測(cè)量參數(shù)數(shù)字化動(dòng)態(tài)顯示頁面。數(shù)字化動(dòng)態(tài)顯示頁面可顯示導(dǎo)線收緊過程中的實(shí)時(shí)弧垂值，隨小車位置或緊線狀態(tài)變化時(shí)弧垂值實(shí)時(shí)變化。點(diǎn)擊“啟動(dòng)拉力傳感器”按鈕是測(cè)試每根子導(dǎo)線的當(dāng)前拉力，點(diǎn)擊“保存記錄”按鈕是保存小車當(dāng)前位置弧垂數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊“導(dǎo)出數(shù)據(jù)”按鈕可以把剛剛保存的弧垂記錄導(dǎo)出成Excel表格進(jìn)行展示。

5.3 衛(wèi)星信息參考站的設(shè)置

衛(wèi)星信息參考站是實(shí)現(xiàn)RTK差分，為衛(wèi)星移動(dòng)監(jiān)測(cè)站提供衛(wèi)星定位修正數(shù)據(jù)信息的基站。衛(wèi)星信息參考站需安裝在鐵塔頂端，利用其自身攜帶的磁鐵吸附在鐵塔頂端主材上，然后開啟電源開關(guān)，基站狀態(tài)指示燈分別點(diǎn)亮即可[9]。

5.4 衛(wèi)星移動(dòng)監(jiān)測(cè)站的安裝

將移動(dòng)監(jiān)測(cè)遙控小車放置在被測(cè)區(qū)段子導(dǎo)線線上，開啟遙測(cè)小車設(shè)備電源，待系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)終端顯示已與小車建立通信聯(lián)系，且小車衛(wèi)星數(shù)據(jù)正常后，通過系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)終端上的控制面板遙控小車向觀測(cè)檔中間段前進(jìn)，根據(jù)監(jiān)測(cè)終端顯示的遙測(cè)小車處于觀測(cè)檔中間時(shí)停止小車前進(jìn)[10-11]。衛(wèi)星數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)終端后，監(jiān)測(cè)終端軟件即可根據(jù)差分狀態(tài)自動(dòng)解算該觀測(cè)檔的導(dǎo)線馳度，如圖2所示，遙控開啟小車攝像機(jī)即可觀測(cè)搭載小車以外的子導(dǎo)線馳度。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)安裝圖

5.5 導(dǎo)線水平張力監(jiān)測(cè)終端的安裝

導(dǎo)線水平張力監(jiān)測(cè)終端用于校核衛(wèi)星馳度監(jiān)測(cè)解算的馳度數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)終端根據(jù)導(dǎo)線水平張力監(jiān)測(cè)終端反饋的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)根據(jù)導(dǎo)線張力校核當(dāng)前導(dǎo)線馳度值的準(zhǔn)確性，如圖3所示。導(dǎo)線水平張力監(jiān)測(cè)終端安裝連接順序?yàn)閷?dǎo)線卡線器—U型掛環(huán)—導(dǎo)線水平張力監(jiān)測(cè)終端—U型掛環(huán)—起重滑車/緊線手扳/手拉葫蘆。

圖3 智能測(cè)力裝置

5.6 注意事項(xiàng)

（1）設(shè)備使用前應(yīng)將電池進(jìn)行充電，確保電池電量飽滿；（2）嚴(yán)謹(jǐn)碰撞、拋擲系統(tǒng)設(shè)備中任何單元設(shè)備；（3）系統(tǒng)設(shè)備使用完畢后應(yīng)置于專用設(shè)備箱內(nèi)，妥善保管；（4）電池充電時(shí)，應(yīng)注意通風(fēng)，切勿置于高溫環(huán)境下充電；（5）請(qǐng)勿在易燃、易爆環(huán)境場(chǎng)所使用。

6 經(jīng)濟(jì)效益分析

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，該套系統(tǒng)可極大地提高施工效率，有效解決了不可預(yù)測(cè)的大霧天氣的影響問題，在張力架線施工時(shí)，單區(qū)段節(jié)約費(fèi)用計(jì)算如下（緊線施工提前7 d完成）。

工人上下班車輛費(fèi)用：500元/臺(tái)班×1臺(tái)班×2臺(tái)× 7 d=0.7萬元。

貨運(yùn)車輛費(fèi)用：700元/臺(tái)班×1臺(tái)班×7 d=0.49萬元。

機(jī)械設(shè)備使用費(fèi)：2000元/臺(tái)班×1臺(tái)班×7臺(tái)×7 d= 9.8萬元。

人工工資：300元/工日×30人×7 d=6.3萬元。

綜上得知，每個(gè)放線區(qū)段施工中可節(jié)約費(fèi)用17.29萬元。

7 結(jié)束語

系統(tǒng)應(yīng)用了現(xiàn)代傳感器測(cè)量及衛(wèi)星定位技術(shù)，與計(jì)算機(jī)通信、單片微型計(jì)算機(jī)控制、無線數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)等多學(xué)科技術(shù)領(lǐng)域充分結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了架空輸電線路施工過程中導(dǎo)線馳度的實(shí)時(shí)檢測(cè)，有效解決了濃霧區(qū)段導(dǎo)線馳度觀測(cè)的難題，為霧區(qū)架線施工的順利完成提供了可靠的技術(shù)保障。該系統(tǒng)的成功應(yīng)用為送電線路工程架線施工的科學(xué)指揮提供了有力技術(shù)保障，為電網(wǎng)建設(shè)的科技創(chuàng)新和施工建設(shè)過程更加安全、可靠、高效運(yùn)行積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)，降低了工程成本的開支。該套系統(tǒng)的使用在輸電線路工程施工中取得較大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。