架空輸電線路北斗定位弧垂觀測研究

李 凱，劉云飛，韓啟云，張文濤

（安徽送變電工程有限公司，安徽 合肥 230601）

雅中—江西±800 kV特高壓直流輸電工程是國家實施西電東送、落實西部大開發(fā)、建設(shè)清潔能源基地的重大戰(zhàn)略，是優(yōu)化能源資源配置、服務(wù)地方經(jīng)濟發(fā)展的重點項目，是保障雅礱江中游大型電站電力可靠送出、增加四川水電外送能力、滿足華中地區(qū)快速增長的電力負(fù)荷需求、提升電力供給能力的具體舉措，對于減少棄水、打贏藍天保衛(wèi)戰(zhàn)、保護生態(tài)環(huán)境、提高人民群眾生產(chǎn)生活水平和增進民族團結(jié)具有重要意義。

1 工程概況

雅江特高壓線路工程起于四川省鹽源縣雅中±800 kV換流站，止于江西省東鄉(xiāng)縣±800 kV南昌換流站，沿線海拔1 000~3 100 m，其中丘陵5.4%、山地52.4%、高山32.6%、峻嶺9.6%。線路全長1 691.5 km。線路途經(jīng)四川、云南、貴州、湖南、江西5省區(qū)，其中四川省境內(nèi)長206.2 km，云南省境內(nèi)長222.4 km，貴州省境內(nèi)長468.4 km，湖南省境內(nèi)長475.5 km，江西省境內(nèi)長319 km。

2 工程難點

雅中—江西±800 kV特高壓直流輸電工程大部分在山區(qū)，架設(shè)索道多，并且夏季汛期暴雨、洪水、泥石流多發(fā)，主要的施工難點在于：

（1）地形條件復(fù)雜。沿線高山峻嶺占比42%，塔位坡度較大、場地狹窄，山形陡峭，工程整體施工難度大，面臨的安全風(fēng)險高。

（2）交通運輸難。沿線交通遠離國、省、縣道，大部分路段僅有鄉(xiāng)村道路可供利用，局部高山地區(qū)的塔位遠離村莊，大運、小運等材料轉(zhuǎn)運困難，交通條件較差。

（3）氣候條件惡劣。沿線氣候復(fù)雜，20 m以上重冰區(qū)達90%，雨季時間為7-9月份，冬季積雪覆蓋，冬雨季時間達6個月，大霧常年籠罩，氣候非常惡劣，有效施工工期短。

（4）交叉跨越多。僅皖送施工標(biāo)段就同時跨越國道213、昭麻二級公路、220 kV電力線、G85高速，其中涉及跨越金沙江，檔距達1 548 m。線路跨越電力線路187次，其中35 kV及以上電力線路38次。

（5）工期緊，建設(shè)任務(wù)重。工程2019年10月開工，2021年3月線路需須具備帶電條件，工期1年6個月，1個汛期，要優(yōu)質(zhì)安全按期完成工程建設(shè)，任務(wù)艱巨，責(zé)任重大。

針對以上的施工難點，項目參建技術(shù)人員經(jīng)過討論一致認(rèn)為架線工作最為耗費工時，同時霧天看弧垂受到的局限性最大，不確定因素更多，制約工程進度最明顯。因此決定將解決霧天弧垂觀測作為亟待解決的工程問題，同時也作為一個重要課題進行研究。目前該項目科研成果已在±800 kV雅江線成功應(yīng)用。

3 技術(shù)路線

在項目實施前期，我們決定研發(fā)一種輕巧便捷、不受視野限制的弧垂觀測裝置，其采用技術(shù)路線如下。

（1）弧垂觀測裝置外形設(shè)計，該設(shè)計首先要滿足行進過程的穩(wěn)定性，要具有上坡動力足下坡能制動的效果；其次裝置設(shè)計寬度能滿足子導(dǎo)線間距，避免發(fā)生摩擦情況。

（2）考慮動力問題要對馬達進行選型，在考慮扭矩、轉(zhuǎn)速、馬達自重、制動等情況后對馬達型號進行綜合選擇，在滿足動力需求的基礎(chǔ)上盡可能減輕設(shè)計的整體重量，減少耗能。

（3）對激光雷達進行設(shè)計，這里主要考慮到要減少電動機運轉(zhuǎn)過程中可能產(chǎn)生的磁場對雷達定位的準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響。設(shè)計時需考慮激光雷達裝配位置與電動機裝配位置之間的距離。

（4）壓緊輪是保證弧垂觀測裝置在導(dǎo)線行走的重要一環(huán)，計算出合適的壓緊輪數(shù)值至關(guān)重要。壓緊輪數(shù)值過大會導(dǎo)致裝置在導(dǎo)線上行走困難，相當(dāng)于克服較大摩擦力做功，增加了耗能；壓緊輪數(shù)值過小會導(dǎo)致裝置在上、下出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，若導(dǎo)線坡度較大時裝置可能無法正常返回。

（5）弧垂觀測裝置通信采用電臺通信方式，通信電臺型號各不相同，選型時要考慮通信距離及電臺之間信號的互相干擾。

4 總體設(shè)計和技術(shù)方案

4.1 系統(tǒng)介紹

GPS/北斗弧垂觀測裝置研究與應(yīng)用，是以傳感器測量、無線數(shù)字通信、計算機通信等技術(shù)為一體的綜合測量系統(tǒng)。通過研發(fā)弧垂觀測裝置、無線數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)、手持終端、中心基站組建智能監(jiān)測系統(tǒng)。利用無線數(shù)字通信技術(shù)組建局域無線通信網(wǎng)絡(luò)，通過輸出工程參數(shù)以及定位基站坐標(biāo)和高程，再利用傾角傳感器對觀測裝置進行姿態(tài)矯正，利用北斗定位對裝置現(xiàn)有位置、坐標(biāo)進行采集、顯示，利用激光雷達對其他子導(dǎo)線弧垂進行操平的一整套弧垂觀測智能裝置。

主要遇到的難點包括：（1）由于架空輸電線路放線區(qū)段長、通道沿途地形復(fù)雜等特點，如何建立高效、穩(wěn)定的通信網(wǎng)絡(luò)；（2）如何保證供電單元體積小、時效長、供電穩(wěn)定、重量輕便；（3）由于工作電壓范圍大且工作電流大，DC-DC芯片選擇困難；（4）通用電機芯片最大額定電流為3 A，直流電機堵轉(zhuǎn)電流為5 A，芯片被燒，當(dāng)使用10AMOS管搭，分流電路依然不能滿足堵轉(zhuǎn)電流需求，壓緊輪驅(qū)動電機選擇困難。

4.2 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由弧垂觀測裝置、中心基站、通信中繼電臺、手持終端等5個主要部分組成。其中弧垂觀測中內(nèi)置了傾角傳感器、激光雷達、北斗定位芯片等。弧垂裝置實物圖如圖1所示。

圖1 弧垂觀測裝置實物圖及應(yīng)用圖

弧垂觀測裝置共有7大部分組成，分別是北斗定位模塊、傾角傳感器模塊、控制模塊、驅(qū)動馬達、輪壓馬達、滾輪以及激光雷達。各部分對應(yīng)的功能見表1。

表1 弧垂觀測裝置各部分對應(yīng)的功能

4.3 硬件設(shè)計

弧垂觀測設(shè)備硬件設(shè)計主要包括：驅(qū)動單元設(shè)計、輪壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計、輪壓系統(tǒng)底部壓力監(jiān)測設(shè)計、輪軸設(shè)計、激光雷達支架設(shè)計、GPS支架設(shè)計、傾角傳感器外殼改造。

4.4 控制系統(tǒng)設(shè)計

弧垂觀測裝置控制系統(tǒng)包含安卓系統(tǒng)和控制主板，安卓系統(tǒng)共有4個端口，分別對應(yīng)測量系統(tǒng)（PH900芯片）、北斗定位系統(tǒng)、激光雷達測量系統(tǒng)、傾角矯正系統(tǒng)，其中激光雷達測量系統(tǒng)采用的是RS45通信方式。控制主板控制對象包括控制系統(tǒng)（LORO芯片）、壓緊輪馬達、驅(qū)動輪馬達以及激光雷達伸縮馬達，同時還分出1個端口對壓緊輪壓力計算進行控制。其中壓緊輪馬達、驅(qū)動輪馬達均采用無刷電機，控制電壓為16.8 V，啟動電流較小，實現(xiàn)PWM平滑調(diào)速。激光雷達伸縮馬達則采用的是有刷步進電機，控制電壓為12 V?？刂葡到y(tǒng)傳構(gòu)總圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總圖

同時，控制主板還對測量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、北斗定位系統(tǒng)、激光雷達測量系統(tǒng)、傾角矯正系統(tǒng)和輪壓測量系統(tǒng)進行供電?；〈褂^測裝置控制采用平板手持終端進行控制，將平板原有的網(wǎng)口、串口、USB接口等部件改為2個串口，其中com1接測量系統(tǒng)，頻率為900 MHz，com2接控制系統(tǒng)，頻率為433 MHz。那么為了減少設(shè)備組成成本以及減少硬件集成的復(fù)雜程度，利用平板自帶的藍牙模塊與參考站進行數(shù)據(jù)傳輸，傳輸頻率為840 MHz，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性?？刂浦靼宕谶x擇示意圖如圖3所示。

圖3 控制主板串口選擇示意圖

弧垂觀測裝置供電單元共包含4塊電池，其中測量系統(tǒng)和控制系統(tǒng)分別有2塊電池分別供電。測量系統(tǒng)和控制系統(tǒng)集成在同1塊控制主板上，供電電路的設(shè)計是將每塊電池串聯(lián)1枚肖特基二極管，防止同一系統(tǒng)的2塊電池出現(xiàn)互相充電的情況，然后在將2塊電池并聯(lián)使得同一系統(tǒng)的2塊供電電池互相熱備用。由于安卓系統(tǒng)輸出電壓上限是17 V，因此，控制電路輸出電壓為16.8 V極易觸碰上限電壓。此時，在雙電池并聯(lián)后串入DC-DC電路降低輸出電壓。在接入DC-DC電路后輸出電壓降低至9 V，大大增加了輸出電壓的安全裕度。動力系統(tǒng)這樣設(shè)計的主要目的有2個：其一是減少驅(qū)動系統(tǒng)在爬坡時，電壓降幅度過大對測量系統(tǒng)的影響，當(dāng)驅(qū)動系統(tǒng)在爬坡時電壓降可能減小50%以上，這對測量系統(tǒng)的穩(wěn)定產(chǎn)生較大影響，可能使測量系統(tǒng)電壓降低至正常工作電壓而中斷；其二是測量系統(tǒng)在裝置懸掛于導(dǎo)線時便處于持續(xù)工作時間，測量系統(tǒng)的能耗已做到最低設(shè)計能耗，然較長的工作時間也會使輸出電壓減小，這就使得裝置在返程過程中可能出現(xiàn)因動力不足無法正常返回的情況。那么，測量系統(tǒng)和控制系統(tǒng)獨立供電的優(yōu)勢就體現(xiàn)出來了。供能系統(tǒng)控制示意圖如圖4所示。

圖4 供能系統(tǒng)控制示意圖

控制系統(tǒng)的設(shè)計由電池串聯(lián)二極管后再并聯(lián)在串場效應(yīng)管（MOS管），場效應(yīng)管后串需要控制的驅(qū)動輪電機和壓緊輪電機，場效應(yīng)管均采用高/低電平控制，高電平啟動，低電平關(guān)閉。電源控制導(dǎo)通、開斷降壓示意圖如圖5所示。

圖5 電源控制導(dǎo)通、開斷降壓示意圖

雷達收縮選用有刷電機驅(qū)動，不選步進電機的原因主要是步進電機動力不夠，無法將激光雷達推出保護槽。雷達收縮選用有刷電機驅(qū)動，在收縮時加上限位開關(guān)，這里選用的是機械限位，機械限位開關(guān)自帶防水屬性。這里不選用電子限位的原因主要由于限位開關(guān)的功率大約在20 mA~30 mA，弧垂觀測裝置共有6個限位開關(guān)，合計功率在120 mA~180 mA之間，造成裝置能耗大大增加。

5 結(jié)束語

隨著電網(wǎng)規(guī)劃速率的加快，城市及平原地區(qū)電網(wǎng)通道日漸密集，多數(shù)超高壓、特高壓線路位于山區(qū)丘陵之間，且山區(qū)氣溫較低，易形成團霧及大霧天氣。同時，據(jù)了解，云、貴、川等地多數(shù)山區(qū)海拔較高，氣壓較大，冬季霧天持續(xù)時間較長，霧氣彌漫難以消散。在對于城市電網(wǎng)建設(shè)過程，對于輸電線路施工過程中跨越高鐵區(qū)段往往都是夜間停電進行導(dǎo)線展放，弧垂觀測較為困難。因此，對于以上施工狀況該設(shè)備市場應(yīng)用前景良好，具有很高的推廣價值，大大減少了因為天氣局限而帶來的停、窩工現(xiàn)象。

該項目成果具備較強的市場競爭力，主要原因有以下幾點。

（1）國網(wǎng)系統(tǒng)多家開展相關(guān)研究，科研成果稀缺，未形成成熟設(shè)備裝置。市場現(xiàn)有設(shè)備當(dāng)中只實現(xiàn)了基本的行走和測量，數(shù)據(jù)測量結(jié)果準(zhǔn)確度較低，缺乏爬坡、傾角矯正、激光雷達操平等功能。

（2）該套設(shè)備若進行商品化生產(chǎn)后生產(chǎn)成本不高，且完全由我司自主研發(fā)，在資本市場具有核心競爭力。

（3）該套設(shè)備實際工程應(yīng)用效果良好，在輸電線路基建行業(yè)具有一定的口碑，同時也得到了上級單位的重視，致力發(fā)展和改進。