基于高精度GPS定位的輸電線路檢修安全措施管理系統開發

王身麗，胡 川，王偉東，姚 俊，孫繼雄，黃梁偉，付 裕

（國網湖北省電力公司檢修公司，湖北 武漢 430050）

0 引言

隨著我國社會、經濟的飛速發展，電能作為清潔、高效的二次能源，在國民的生產和生活中的需求持續增長。為滿足電源大規模集中投產和用電負荷增長的需要，我國電網規模不斷擴大。電力網絡中的超高壓、特高壓輸電線路，在電能的大規模、跨區域、高效率傳輸中扮演著重要角色[1]。然而，這些輸電線路長期暴露在自然環境中，不僅承受正常機械載荷和電力負荷的內部壓力，而且遭受污穢、大風、雷擊等外界因素的侵害，使輸電線路上的各種金具、設備發生腐蝕、老化，對電能的安全可靠輸送帶來威脅。目前，輸電線路的檢修工作是生產管理的重要內容之一。

輸電線路的檢修包括“檢查、修理”兩項內容，是通過巡視、檢查和在線監測等發現的設備缺陷和種類異常，進行分析、歸納、總結，及時安排線路設備的計劃停電或帶電檢修[2]。輸電線路的檢修工作需要考察實際現場的設備現狀、作業環境、危險點及交叉跨越等，編制檢修項目的施工方案。國家電網公司雖然出臺了一系列輸電線路檢修規范，但在每次輸電線路檢修過程中，所采用的安全措施并不完全相同，增加了輸電線路檢修安全管理的難點。

此外，輸電線路檢修的安全措施監管采用工作票制度，檢修人員在執行或傳達命令時，存在操作錯誤或遺漏的可能。特別是在檢修過程中，接地線的掛接與拆除問題，雖然操作方法簡單，但是操作次數頻繁，而且接地線掛接位置的臨時更換等因素影響，容易讓檢修人員產生松懈思想，忽視了接地線的裝設與拆除重要性，導致惡性誤操作事故發生。如2007年12月湖南110 kV天黃線全線清抹絕緣子工作中，由于未拆除臨時接地線，而發生帶地線合斷路器的惡性電氣誤操作事故。2016年4月山東220 kV興東二線檢修工作中，由于線路側未掛接地線，造成感應電觸電死亡。

目前國內外對電力系統檢修工作中掛、拆接地線存在的問題研究較多。長治電力公司共同研制了變電站接地線狀態電子管理顯示系統，能夠自動統計現場已裝設接地線和接 地刀閘的數量，起到較好的顯示和提示作用。但是系統安裝在變電站控制室內，在輸電線路的檢修工作中難于應用[3]。云南電網公司研制的線路檢修及接地線狀態監視預警系統，利用檢修人員的掌上電腦（PDA）、臨時接地線條形編碼等，將現場信息通過GPRS無線傳輸到系統后臺管理程序[4]。此外，華北電力大學提出了基于RFID和Zigbee的作業現場接地線管控系統設計[5]，西安理工大學提出了基于手持設備的電力檢修作業地線掛接信息管理系統設計[6]等。在這些設計中，系統硬件裝置有些過于復雜，在輸電線路檢修的戶外操作時有難度；有些在接地線的位置以及狀態等信息收集方面，精度不高，易受人為因素影響，帶來了安全隱患。

本文從輸電線路檢修過程中，安全措施的管理入手，提出了一種基于高精度GPS的輸電線路檢修安全管理系統開發。本系統不但實時監控在檢修過程中各種設備的執行狀態，也對檢修操作人員的操作效果進行評估。設備的狀態位置信息，通過高精度GPS裝置發送到管理系統，為調度人員和輸電線路檢修管理人員提供相關的檢修狀態信息，提高輸電線路檢修管理效率和質量，避免在檢修過程中安全事故的發生。

1 管理系統結構設計

輸電線路檢修安全措施管理系統由現場終端設備和后臺管理系統兩部分組成。其中，現場終端設備負責采集檢修現場重要設備的位置以及狀態等信息，并實時發送到遠方的后臺管理系統。后臺管理系統在收到這些信息后自動進行處理，當出現檢修安全措施異常時發出警報。

后臺管理系統的結構包括檢修方案設置、安全措施設置、定位顯示、檢修狀態評估、權限管理等模塊組成，如圖1所示。

圖1 管理系統的結構圖Fig.1 Diagram of the management system

檢修方案設置模塊是根據標準化管理規定，結合待檢修的項目以及現場的情況等，預先編制的檢修作業指導方案，是開展檢修前的準備工作。

安全措施設置模塊包含兩個方面，一是在準備階段進行的安全措施，二是在檢修過程中臨時設置的安全措施。在管理系統中，所有的安全措施均需要進行記錄，并進行監控。

定位顯示模塊是對檢修過程中的人員，工具等進行定位，并與接收到的檢修過程信息合并，在地圖上進行實時顯示，為檢修管理人員提供直觀的檢修狀態信息。

檢修狀態評估模塊根據檢修人員傳回的檢修過程信息，包括文字，圖像，語音等，結合檢修人員與設備的實時位置、狀態，根據檢修規程規范，智能的對輸電線路檢修的安全措施進行評估。如果發現安全措施出現異常，將會發出報警信息。

權限管理設置模塊是根據管理系統使用人員的身份不同，開放相應的功能給使用者。檢修管理人員可以對檢修方案、安全措施等進行修改。而系統維護人員則可以對報警設置模塊、通信設置模塊進行調整。

報警設置模塊可以設置發光、聲、短信、彩信、無線語音通話等不同方式，將檢修過程中出現的異常情況通知給檢修管理人員。

通信設置模塊是管理系統與現場設備之間進行通信的模塊，現場設備信息可以通過建立好的信道自動傳輸到安全措施管理系統。

報表打印模塊可以將檢修作業信息打印輸出，為檢修工作保留文字記錄。

2 安全措施管理的關鍵技術

在輸電線路安全措施管理系統中，如何有效、準確的獲得檢修現場各種設備、設施的狀態信息是關鍵。為此，高精度的GPS定位技術與穩定的現場與后臺通信技術顯得尤其重要。

2.1 高精度GPS定位技術

全球定位系統GPS是一種以空間衛星為基礎的無線導航與定位系統[7]，能為全球用戶提供低成本、高精度的三維位置、速度和精確定時等導航信息，極大的提高了現代社會的信息化水平。GPS定位的基本原理是通過測量出多顆已知位置的衛星到用戶接收機之間的距離，來計算出接收機所在位置信息。實際定位過程中，由于存在時鐘不同步、大氣傳播延遲、多路徑效應等多種誤差，定位精度很難保證。

基于偽距的GPS定位誤差可以估計為

其中，ε為GPS解的誤差，GDOP為幾何精度因子，ε0是偽距測量中的誤差。幾何精度因子GDOP是觀測衛星的空間幾何分布對定位精度的影響，可由接收機到可視衛星的方向余弦矩陣G計算得到。

設未知參數的權系數矩陣M為，

則

為了提高計算精度，常用的方法是增加計算所用的可視衛星數量或多星座導航定位。但在計算過程中，矩陣G的階數也隨之增加，采用傳統的方法計算效率低。此外，矩陣M的條件數增大，在進行最小二乘法的定位求解時，計算過程變得不穩定，誤差變大。

考慮到幾何精度因子GDOP是矩陣M主對角線元素的函數，在實際計算中，可以不用計算出矩陣M中非對角線元素，以降低計算量。利用對稱矩陣GTG的LU分解算法，

式中：U為單位上三角矩陣；D為對角矩陣。幾何精度因子GDOP就可以利用矩陣U-1和矩陣D-1中的元素計算得到。在定位計算中，通過衡量幾何精度因子GDOP的大小，選擇合適的可視衛星，不但提高了計算精度，也大大減少了定位計算所需要的時間。

2.2 穩定的GPRS通信技術

在檢修過程中，現場終端設備與后臺管理系統之間的穩定通信是保證管理系統能夠正常運行的前提。考慮到輸電線路的檢修地點跨越區域大，無線GPRS數據傳輸單元能夠有效、穩定的實現現場的信息到后臺管理系統的檢修狀態傳輸。GPRS數據傳輸單元具有內部集成TCP/IP協議棧，即有GPRS撥號上網的功能，也有TCP/IP數據通信的能力。同時，它還提供串口數據雙向轉換功能，支持自動心跳技術，能夠保持永久在線。

在現場終端設備上，低功耗ARM Cortex-M內核32位STM32L151C8微控制器，與聯發科技MT2503S高集成、微型GPS及GPRS模塊結合應用。具體的通信流程為：在設備開機后，先檢測信號狀態；若信號強度符合要求，立即向服務器發送IMEI登錄信息包注冊設備，建立通信鏈接；設備在5 s內收到服務器響應數據包，則認為通信鏈接正常；如果設備連續嘗試3次與服務器建立鏈接失敗，接收不到服務器響應數據包，則認為建立通信鏈接條件不充足，將在20 min后重新嘗試；當成功建立通信鏈接后，設備按照1 min 1次的心跳頻率向服務器發送狀態信息包，服務器應在接收到信息后，盡快向設備發送通信響應數據。

3 系統應用

本系統目前已經應用于湖北國網電力公司檢修公司，在輸電線路檢修過程中對安全措施管理起到了良好的監控作用，同時也提高了檢修管理效率，促進了檢修管理的規范化。

現場終端設備體積小，重量輕，內部結構圖如圖2所示。現場終端設備具有防雨、防潮、防塵、防腐蝕措施，外殼的防護性能應符合GB 4208規定的IP65級要求，裝置適應桿塔上強電磁干擾環境，并應充分考慮線路人員的高空作業環境，安裝簡單方便，如圖3所示。

圖2 現場終端設備內部結構圖Fig.2 Internal structure of the terminal unit in the system

圖3 現場終端設備固定在線纜接頭示意圖Fig.3 Installation diagram of the terminal unit on the cable joint

后臺管理系統能夠與現場終端設備的可靠通信，并獲得設備的準確信息。系統操作簡單，檢修信息顯示直觀方便，檢修狀態的智能評估為輔助檢修管理人員進行安全漏洞的排查提供了便捷手段，提高了輸電線路檢修工作的安全性。管理系統的有關顯示界面如圖4所示。

圖4 管理系統的顯示界面Fig.4 Interface of the management system

4 結論

本文從輸電線路檢修的安全措施管理出發，介紹了所開發的輸電線路檢修安全管理系統。該系統利用高精度的GPS定位技術以及可靠的GPRS通信技術，對輸電線路檢修狀態、安全措施進行評估和監控，為檢修管理人員及電網調度人員提供直觀、可靠的輸電線路檢修信息，避免在檢修過程中由于安全措施的疏漏而出現的安全事故。本系統的硬件設備成本低、可靠性好，不僅規范了檢修安全管理，也提升了檢修工作效率，具有良好的推廣應用前景。

（References）

[1]劉振亞.中國電力與能源[M].北京：中國電力出版社,2012.LIU Zhenya.Electric power and energy in China[M].Beijing:China Electric Power Press,2012.

[2]國家電網公司.Q/GDW 174-2008架空輸電線路狀態檢修導則[S].北京：中國電力出版社，2008.State grid corporation of China.Q/GDW 174-2008 Guide for condition based maintenance strategy of overhead transmission line[S].Beijng:China Elec?tric Power Press，2008.

[3]張占龍,李冰,高磊,等.變電站接地狀態電子管理顯示系統[J].電力系統自動化,2006,30(24):88-90.ZHANG Zhanlong,LI Bing,GAO Lei,et al.Elec?tronic management display system of grounding sta?tus in substation[J].Automation of Electric Power Systems,2006,30(24):88-90.

[4]張占龍，李德文，郭祥書，等.線路檢修及接地線狀態監視預警系統[J].電力系統自動化,2009,33(16):112-115.ZHANG Zhanglong,LI Dewen,GUO Xiangshu,et al.A monitoring and warning system for transmis?sion network maintenance and grounding line work?ing conditions[J].Automation of Electric Power Sys?tems,2009,33(16):112-115.

[5]李春曉.基于RFID和Zigbee的作業現場接地線管控系統設計[D].北京：華北電力大學,2014.LI Chunxiao.The design of ground lead control sys?tem in operation site based on RFID and Zigbee[D].Beijing:North China Electric Power University,2014.

[6]劉家軍,陶凱,楊帆,等.基于手持設備的電力檢修作業地線掛接信息管理系統的開發[J].電網與清潔能源,2015,31(9):49-55.LIU Jiajun,TAO Kai,YANG Fan,et al.Develop?ment of information management system of ground line of the electric power maintenance operation based on the handheld device[J].Power System and Clean Energy,2015,31(9):49-55.

[7]陳燦輝,張曉林.衛星定位和精度因子的改進方法[J].北京航空航天大學學報,2011,37(4):472-477.CHEN Canhui,ZHANG Xiaolin.Improved method of satellite positioning and dilution of precision[J].Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2011,37(4):472-477.