基于CORS的輸電塔監測系統

羅嘯宇 盧秀慧 鄧為東 謝文平

（1.廣東電網有限責任公司電力科學研究院，廣州 510080；2.北京航天光華電子技術有限公司，北京 100854）

長期以來，在外力干擾或惡劣自然環境的影響下，沿海一帶易發生臺風等極端天氣的地區，輸電塔基易產生形變、沉降、傾斜及位移，進而造成相應桿塔位置和角度的改變，帶來倒塔、斷線及跳閘等災害。為此，有必要針對重點關注的線路輸電塔，使用定位精度達到厘米級的衛星定位服務參考站（Continuously Operating Reference Stations，CORS）技術、傳感器技術、網絡通信技術等先進技術開展對輸電塔的變形監測，實現輸電塔的實時監測監控和危險評估，供運維部門決策。

以計算機技術、數據通信技術、現代互聯網（LAN/WAN）技術及全球導航衛星系統（Global Navigation Satellite System，GNSS）定位技術為基礎的CORS系統由連續運行參考站、數據通信鏈路、數據中心和用戶終端組成。CORS系統通過在一個區域內建立一個或多個連續運行的參考站，并與監控中心組成網絡，為用戶提供不同的全球定位系統（Global Positioning System，GPS）原始數據及載波相位差分技術（Real-time Kinematic，RTK）改正數、狀態信息，用戶只需一臺GPS接收機即可實現高精度、實時的導航定位。

本文采用基于CORS系統的位移監測技術，將GNSS接收機安裝到被監測物上進行輸電塔位移監測，將經過檢驗的GNSS觀測值主動、實時地發送給用戶，滿足不同層次的用戶需求，有效解決了觀測點與被測體因距離近而導致測試結果無效及不便實時監測的問題。

1 系統結構

系統包含硬件系統及軟件系統兩部分：硬件由主監測設備和輔助監測設備組成。主監測設備也就是基于 CORS的位移監測設備，主要用于監測塔頂的實時動態變形的長期靜態變形；輔助設備主要包括風速儀、加速度傳感器、傾角傳感器，用于測量風速、塔身加速度、塔身傾斜角度等參數。監測數據通過4G模塊傳輸到服務器進行顯示和處理。設備采用太陽能供電系統進行供電，保障設備長時間野外作業。軟件主要用于數據分析、處理、存儲及對外提供文本、圖形化等方式的數據信息顯示。系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構圖

2 硬件設計與實現

硬件系統框圖如圖2所示。

2.1 GNSS定位系統

定位系統主要由GNSS接收機和天線組成，用于接收北斗導航信號。針對輸電桿塔周圍多路徑、電磁波干擾嚴重的應用環境，本文選取帶多路徑抑制功能的天線。

圖2 硬件系統框圖

輸電塔位移監測分為靜態監測及動態監測，靜態監測采用靜態后處理模型，動態監測采用實時動態處理模型。動態監測終端設備安裝于輸電塔頂部，GNSS天線接收定位衛星原始數據來定位該點的地理位置，GNSS接收機利用原始數據解算出具體地理位置數據，通過4G通信模塊把初步定位數據發送至遠程CORS服務系統上，GNSS接收機接收CORS服務器返回的VRS差分修正數，并利用網絡RTK技術進行定位解算。采用網絡RTK技術，擴大了作業半徑，使得作業精度均等，從而得出塔頂的實時位置坐標信息。靜態監測終端設備安裝于輸電塔塔基，GNSS接收機將原始數據通過4G網絡發送給中心站，中心站利用原始數據進行解算，得出基礎的位移信息。在CORS網絡覆蓋范圍內，確保了定位精度及測繪系統的統一。

2.2 傳感器模塊

壓電式加速度傳感器是一種機電換能器，用于測量物體的振動加速度，具有測量范圍廣、質量輕、體積小、頻響范圍廣、抗干擾能力強及測量精度高等優勢。本文選用基于壓電晶體的壓電效應工作的高分辨率、高精度的壓電式加速度傳感器（ULT2031S），安裝于輸電塔頂部及塔中位置，用于測量兩2個高度4個方向的加速度變化量，測量范圍為±2g，分辨率為5×10-5g，頻率響應范圍為0.25Hz。

傾角傳感器經常用于系統的水平角度變化測量，理論基礎是牛頓第二定律。本文選用集成化較高的傾角傳感器模塊（WTU125-L30V），安裝于輸電塔頂部，用于測量輸電塔的傾斜角度，測量范圍為±30°，測量靈敏度為10＂。

超聲風速風向傳感器的工作原理是利用超聲波時差法來實現對風速的測量，通過超聲波在空氣中傳播的時差來計算風速和風向，有效地克服了機械式風速風向儀易磨損的缺陷。本文選用基于超聲波原理的風速風向一體傳感器（HS-FSSB01），將其安裝于輸電塔塔身距地10m左右的位置，用于測量輸電塔周邊的風速風向，測量風速為0~60m/s，測量精度為±0.3m/s，風向測量范圍為0°~359°，測量精度為±3°。

溫濕度計選用溫濕度一體化的傳感器（RSWS-N01-8），安裝于輸電塔塔身位置，用于測量輸電塔周邊溫濕度，測量范圍為-40~50℃，溫度測量精度為±0.5℃，濕度測量范圍為5%RH~100%RH，濕度測量精度為±2%RH。

2.3 4G模塊

4G標準具有通信速度快、網絡頻譜寬、通信方式靈活、兼容性好及智能性高等優勢。4G通信技術工作頻率高，受電磁干擾影響小，適用于在高壓環境下的遠程通信。

監測站與服務器之間的通信通過4G模塊實現，數據業務下行速率最高可以達到 100Mbit/s，上行速率最高可以達到50Mbit/s，本文選用有人科技的全網通模塊G785，該模塊為工業級設計產品，符合電力現場的溫度電壓需求，具有防雷擊設計，RS485接口防浪涌1kV，RS485接口電源隔離，防止電力環境如電弧等對設備的損害，適合本系統所處的應用環境。

2.4 太陽能供電系統

目前，輸電線路在線監測系統的供電方式以太陽能和蓄電池聯合供能的太陽能供電系統為主，太陽能光伏發電不受地理環境等因素的影響，負載通過太陽能控制器獲取太陽能電池板的電能。當供電系統產生的能量充足時，多余的能量儲存在蓄電池中；當產生的能量不足時，不足的部分則由蓄電池提供。供電系統主要由太陽能電池板、蓄電池及控制器組成。

本文選用TSWB-LYP200 AHA型號電池，電池容量為200A·h，質量為7.9kg，尺寸為361mm×55.5mm×256mm。為滿足系統24V供電電壓需求，后端電壓轉換選用VRB4824LD-30WR3電源處理模塊。太陽能電池板選用4串型號為GS-SP-50W的太陽能電池板，輸出電壓為64V，總功率為200W，總質量為3.5kg，單塊板尺寸為1060mm×272mm×5mm。

3 軟件設計與實現

服務器軟件為瀏覽器/服務器模式 （Browser/Server，B/S）、客戶機/服務器模式（Client/Server，C/S）嵌套結構，C/S軟件主要用于數據分析、處理及存儲。“.NET Framework”中提供的Socket通信具備完整的異步/同步接收/處理能力。本文的數據處理采用異步Socket通信技術、多線程編程技術，不必阻塞性地等待消息或者返回值。B/S軟件主要用于對外提供文本、圖形化等方式的數據信息顯示，采用My SQL數據庫，使用模型–視圖–控制器（Model View Controller，MVC）框架，Model層使用Java，View層使用Java Script，Controller層使用Java，服務器配置Java EE環境，服務器容器采用Tomcat。服務器軟件流程圖如圖3所示。

圖3 服務器軟件流程圖

3.1 數據處理

網絡環境下的Socket應用，采用TCP/IP協議，分為監聽客戶端連接請求線程、接收客戶端數據線程、解析客戶端數據線程、存儲客戶端數據線程及調度線程等5個核心線程。監聽客戶端連接請求線程采用Socket的異步方法；接收客戶端數據線程接收到數據包后存入包隊列，供解析客戶端數據線程調用，最后調用存儲客戶端數據線程，實現了數據包的接收、解析、存儲分開處理的功能，優化了服務器處理高并發場景的能力；調度線程用來處理數據包隊列異常、關閉等操作。

系統采樣周期為10Hz，即每秒存儲10條數據，系統需24h不間斷運行，每天每套設備采集監測數據量為24×60×60×10=864000條，兩套設備每年監測的數據量為864000×365×2=630720000條。

3.2 數據存儲

本系統每天產生80萬行數據，寫入和查詢數據的比例為4:1，涉及所有歷史數據的讀取，隨著系統規模的不斷增加，數據量和并發量不斷增加，有高并發量等特點，海量數據的存儲和訪問是整個監測系統的關鍵技術。為了確保系統的穩定性和擴展性，本文采用垂直拆分和水平拆分相結合的數據切分技術來提高網站性能，分流數據庫并發壓力，使數據庫表更具條理性。數據庫由數據表組成，每個數據表代表不同的業務類型，通過不同的業務類型對數據庫進行垂直拆分，分成不同的數據庫，垂直拆分降低了單點機器的負載。垂直拆分后遇到單機負載過重時，采用水平拆分，分成不同數據表，水平拆分提高了數據讀寫操作的效率，尤其是寫操作的效率。

假設database表中有1000萬條數據，每插入一條新的數據后，數據庫會針對這張表重新建立索引，在1000萬行數據中索引會占用大量的內存。數據庫的拆分一般遵循某種特定的規則，常見的拆分方式包括：基于某個整數類型字段的指定數目取模，基于某個時間類型字段的指定時間范圍，基于某個字符類型字段的Hash 值。本文采用對ID主鍵Hash取模的切分規則，將數據平均分布到一個數據庫的不同表中，例如，將database分為database_001，database_002，…，database_100共計100個子表，100個子表水平拼合后，又重新組成一個完整的database表，每個子表里包含10萬行數據。插入一條數據后，數據庫在這10萬行數據中重新建立索引，消耗的時間及占用的內存將下降一個數量級，提高了數據庫的操作效率，節省了內存。

同時，本文采用數據庫存儲預編譯過程，啟動服務器后將存儲過程加載到高速緩存中，再次調用無需通過編譯，提高了執行效率。

3.3 數據備份

龐大的數據量使數據庫的維護和備份變得尤為重要，為了避免數據的丟失，在服務器的備份和恢復中，采用數據冷備與熱備相結合的方式，定時將每月數據導為文件，以文件二維表的形式保存，雖然維護度低，但有較高的安全度。工作磁盤運行時，備用磁盤同時待命，當工作磁盤發生讀寫故障時，自動啟動備用磁盤，備用磁盤將立即代替故障磁盤進入工作狀態，這樣既提高了維護度，也保證了安全性。

4 結束語

本文設計了一個基于CORS的輸電塔遠程監測系統，試點應用于廣東電網某電力監測站，實現了監測數據的遠程傳輸，實時監測傾角、溫濕度、風速等信息，系統運行穩定，為輸電塔的長期運行與維護提供了有力保障，能夠降低臺風等自然災害給輸電線路帶來的危害，對保障輸電線路的安全運行具有重要意義。