輸電線路桿塔位移在線監測技術研究

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測系統，系統包括在線監測終端、微信端應用和Web端軟件平臺，可實現對輸電線路桿塔形變位移數據的在線監測、預警以及信號傳輸。通過現場安裝調試，發現輸電線路桿塔的位移監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的安全穩定運行：在臺風、強降雨等惡劣天氣情況下，易發生山體滑坡、泥石流等自然災害，引發電力桿塔護坡塌方;在持續低溫極端氣候下，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;施工不規范，工程管理不到位等問題將引起桿塔傾斜[1-3]。一旦發生倒塔事故，將嚴重影響電網的安全運行，輕則降低電網可靠性，重則引起大面積停電。

國內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。桿塔數量龐大，運維人員必須在一個巡檢周期內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驗、技術水平等產生誤判、漏判的現象[4-7]。

本文通過研究北斗衛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，實現了采用無傾角傳感器對桿塔厘米級的監測。通過GPRS/CDMA無線公網將現場采集的桿塔姿態信息傳送到后臺Web端應用軟件處理，可形象、清晰地還原現場工況。

1. 輸電桿塔在線監測的基本原理

1.1 衛星定位的基本原理

衛星定位的基本原理基于后方交會測距法，每顆衛星任意時刻的星歷參數能夠實時讀取，即衛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，（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]。

在利用衛星進行位置定位時，通常會受到各種各樣的因素影響而產生誤差，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），同時觀測衛星數據，基準站通過電臺發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顆衛星下的觀測方程[9]：

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

如果基準站和流動站處于同一衛星歷元，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 輸電桿塔在線監測系統架構

目前供電企業仍然采用經緯儀或全站儀來監測桿塔位移，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測終端樣機，并結合后臺軟件對輸電線路桿塔進行在線監測，系統框架如圖1所示。監測移動站接收基準站發送的載波相位修正參數，對觀測值進行修正，測量出桿塔的姿態信息，通過無線公網將該信息發送至后臺監控服務器進行數據分析處理。

2 監測終端硬件設計結構

監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、存儲區模塊和無線通信模塊。由于監測終端處于戶外，僅依靠蓄電池供電壽命有限，因此還為監測終端增加了太陽能供電模塊。為保證電網重要信息不泄露，本文采用特定的安全芯片對上報信息進行加密處理。監測終端硬件設計結構如圖2所示。

2.1 高精度位移監測模塊

高精度位移監測模塊是監測終端的重要組成部分，主要由多星座GNSS衛星定位模塊、MEMS傳感器和氣壓計構成。多星座GNSS衛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，實現了靜態和動態情況下的高精度、高穩定性、抗多路徑干擾的航向測試。

多星座GNSS衛星定位模塊同時接收多個系列衛星定位系統的信號，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、低功耗、高精度定向需求。多星座GNSS衛星定位模塊電路原理如圖3所示。

2.2 安全芯片

電網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的TF32A09系列芯片、南京南瑞公司設計生產的NRSEC3000等。考慮到監測終端主要針對GPRS/CDMA公網通信的數據進行加密，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、真隨機數發生器、存儲器數據加密和總線加擾機制等安全保護機制，可有效保證數據傳輸、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發送數據、安全芯片接收數據時，MISO引腳需保持接收態;當安全芯片發送數據、MCU接收數據時，MOSI引腳應始終保持低電平。

3 系統軟件設計

監測終端主要負責對桿塔姿態的采集和信息上報。監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，均安裝在監控中心的服務器中。Web端應用程序用于實現輸電桿塔位移形變監測系統的各種功能應用。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指令，設備喚醒后接收下發校準指令，采集上傳桿塔位移形變數據信息。同樣，接收輸電桿塔位移形變監測終端采集的數據信息存入服務器數據庫，實現對監測數據的高效管理、分析和處理。根據各項功能指標，如數據采集與傳輸、GIS地圖監控、位置監控、數據報表、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測系統實現了大范圍、遠距離分布式桿塔監控功能，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，開放數據接口和第三方應用的標準接口，以便后期接入新增的監控內容和功能應用。

4 實驗測試結果

通常來說，輸電桿塔發生傾斜時，基座的位移遠小于頂部的位移，如果將監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，且不便于設備運維。因此，監測終端安裝高度遵循如下原則：

（1）監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。

安裝區域如圖7所示。

由于桿塔數量眾多，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測終端和太陽能電池板固定在塔材上，如圖8所示。

監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據。

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

該區域桿塔處于沿海線路，所處地區的風力較大，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。根據DL/T 741—2010《中華人民共和國電力行業標準：架空輸電線路運行規程》中規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%。由此可知該地區監測的桿塔均處于安全運行范圍內。

5 結 語

通過載波相位差分算法實現對桿塔位移的精確測量，再利用無線公網將數據傳送至監控服務器，將運行人員的現場目測巡視+經驗判斷的檢查模式變為自動采集+事后共同研判，避免手工記錄運行狀態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約了去現場巡查的時間成本，實現了實時監測。輸電運維人員可有針對性地提高巡檢及檢修質量，利用北斗定位系統確定事故發生地點后可以提前規劃路徑，避免運維人員盲目搜索。

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