北斗系統(tǒng)在輸電線路防災(zāi)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用探索

李 喆，劉浩宇，佘佐超

(國(guó)網(wǎng)四川省電力公司成都供電公司, 四川 成都 610041)

0 引 言

四川省的地勢(shì)復(fù)雜，地形地貌類別多樣，包括了盆地、平原以及山地特征。緊鄰龍門山脈的輸電線路較多，龍門山脈地質(zhì)條件復(fù)雜、降雨豐沛、人類工程活動(dòng)強(qiáng)烈，部分區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生類別多、程度重、輻射廣、頻度高，倒桿斷線的風(fēng)險(xiǎn)較高。這對(duì)輸電線路的破壞性最強(qiáng)，電網(wǎng)容災(zāi)的能力不容樂(lè)觀，亟需通過(guò)有效的監(jiān)測(cè)手段，設(shè)置地災(zāi)觀測(cè)點(diǎn)，對(duì)電力設(shè)施地質(zhì)環(huán)境位移、沉降等狀態(tài)進(jìn)行高精度監(jiān)測(cè)并及時(shí)告警，提升電網(wǎng)地災(zāi)隱患應(yīng)急處置能力。文獻(xiàn)[1]利用電力北斗技術(shù)，通過(guò)其中三大功能之一的短報(bào)文通信，開(kāi)展了北斗系統(tǒng)的地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)信息采集，實(shí)現(xiàn)地面以下的監(jiān)測(cè)等典型應(yīng)用。文獻(xiàn)[2]通過(guò)完善形成建筑物坐標(biāo)監(jiān)測(cè)體系，對(duì)北斗系統(tǒng)在城市中建筑物防災(zāi)減災(zāi)應(yīng)用提供了一種新思路，也啟發(fā)了編寫思路。文獻(xiàn)[3]采取載波相位差分技術(shù)(real-time kinematic,RTK)論證關(guān)于桿塔變化中達(dá)到厘米程度變化的有關(guān)理論。文獻(xiàn)[4]闡述了北斗系統(tǒng)在高緯度東北區(qū)域短基線的統(tǒng)計(jì)精度。文獻(xiàn)[5]明確了北斗系統(tǒng)在短基線條件下的毫米級(jí)分析能力，能夠達(dá)到目前市場(chǎng)中所有的精度監(jiān)測(cè)的實(shí)際需求。

按照已有的論證成果，下面主要基于桿塔發(fā)生沉降的突出情況，通過(guò)RTK技術(shù)對(duì)地質(zhì)擾動(dòng)的桿塔沉降情況進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控預(yù)警[6]，從而保障了桿塔設(shè)備安全穩(wěn)定的運(yùn)行。同時(shí)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)也進(jìn)行分析論證[7]，全方位描述北斗系統(tǒng)在實(shí)際使用中的應(yīng)用情況[8]及取得的成效。

1 案例基本情況

成都市220 kV桃圣線M號(hào)塔位于成都市主城區(qū)某鄉(xiāng)的砂石廠內(nèi)，桿塔型式為SJ901-30.5(30)，基礎(chǔ)根開(kāi)12.550 m；基礎(chǔ)形式為人工挖孔樁基礎(chǔ)，A、B、C腿樁基高度9 m、D腿樁基高度7.5 m，直徑1.2 m。該基桿塔位于砂廠內(nèi)，其中AD、BC、CD面堆放大量砂石且存在塔腳保護(hù)帽被埋、小材輕微變形的缺陷。

圖1 220 kV桃圣線M號(hào)塔

鐵塔周圍有大量砂石堆積，導(dǎo)致鐵塔基礎(chǔ)附近地質(zhì)受擠壓后發(fā)生持續(xù)變化。220 kV桃圣線某塔其中A、B、C腿第一層平臺(tái)主材包鋼處，以及第一層平臺(tái)橫材均出現(xiàn)不同程度的變形。在夏季連續(xù)暴雨天氣中，將該處點(diǎn)位作為重點(diǎn)關(guān)注進(jìn)行多次基礎(chǔ)測(cè)量，結(jié)果如表1所示。

表1 塔腿根開(kāi)測(cè)量數(shù)據(jù) 單位：m

由于該塔出現(xiàn)不同程度的變形，對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行構(gòu)成極大風(fēng)險(xiǎn)，采用北斗系統(tǒng)桿塔沉降監(jiān)測(cè)裝置對(duì)鐵塔塔基位移進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可對(duì)桿塔沉降情況及時(shí)預(yù)警。

2 塔基沉降精準(zhǔn)定位原理

2.1 基于塔基沉降定位相關(guān)原理

北斗精準(zhǔn)定位系統(tǒng)由基準(zhǔn)站、北斗地面監(jiān)測(cè)站和數(shù)據(jù)解算中心3部分構(gòu)成[9]。其中基準(zhǔn)站需要安裝在地勢(shì)平穩(wěn)的位置，為運(yùn)行中的監(jiān)測(cè)站提供相對(duì)參考位置[10]，基準(zhǔn)站與監(jiān)測(cè)站之間的距離小于20 km，原則上不超過(guò)3 m距離，且需要達(dá)到聯(lián)動(dòng)效果，才能夠真實(shí)體現(xiàn)出監(jiān)測(cè)對(duì)象的變化。上述兩個(gè)設(shè)備的觀測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線傳輸實(shí)時(shí)地傳輸至數(shù)據(jù)解算中心[11]。工作人員可以遠(yuǎn)程對(duì)數(shù)據(jù)變化情況進(jìn)行監(jiān)控。北斗基準(zhǔn)站和監(jiān)測(cè)站需要由全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)天線、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)接收機(jī)、供電系統(tǒng)和通信設(shè)備構(gòu)成。全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)天線采用新型扼流圈型天線，對(duì)電磁干擾進(jìn)行處理[12-13]?；鶞?zhǔn)站、監(jiān)測(cè)站同時(shí)采用蓄電池和市電進(jìn)行供電。

2.2 北斗載波相位定位技術(shù)

利用載波相位觀測(cè)方法實(shí)現(xiàn)北斗高精度差分定位，需設(shè)立基準(zhǔn)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)?；鶞?zhǔn)點(diǎn)通過(guò)當(dāng)前自身位置信息和北斗衛(wèi)星實(shí)時(shí)位置分析得到其真實(shí)間距，同時(shí)通過(guò)載波技術(shù)統(tǒng)計(jì)得到兩者的實(shí)際距離，再以上述實(shí)際距離和測(cè)量距離的差值為修正數(shù)據(jù)，修正衛(wèi)星到監(jiān)測(cè)點(diǎn)的測(cè)量距離，以減少大氣電離層、接收機(jī)鐘差、衛(wèi)星鐘差和對(duì)流層折射誤差的影響，得到準(zhǔn)確的位置信息數(shù)據(jù)，原理詳見(jiàn)圖2。

圖2 地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理

3 輸電線路防災(zāi)監(jiān)測(cè)應(yīng)用體系

3.1 應(yīng)用體系框架

在國(guó)家電網(wǎng)公司衛(wèi)星技術(shù)數(shù)據(jù)物聯(lián)體系的統(tǒng)一架構(gòu)上，細(xì)化公司的數(shù)據(jù)物聯(lián)體系。構(gòu)建多源衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)接入架構(gòu)；基于多源衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、時(shí)空序列數(shù)據(jù)、關(guān)系數(shù)據(jù)型數(shù)據(jù)，構(gòu)建支撐時(shí)空服務(wù)總線運(yùn)行的中間層數(shù)據(jù)庫(kù)，支撐上層應(yīng)用按照時(shí)間、空間、關(guān)系等維度開(kāi)展各種圖分析；構(gòu)建精準(zhǔn)位置數(shù)據(jù)、授時(shí)授頻數(shù)據(jù)、短報(bào)文數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)處理新架構(gòu)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行集中存儲(chǔ)和管理，為時(shí)空數(shù)據(jù)服務(wù)總線提供時(shí)空數(shù)據(jù)挖掘分析工具。

電網(wǎng)輸電設(shè)備防災(zāi)監(jiān)測(cè)應(yīng)用體系框架將北斗準(zhǔn)確的坐標(biāo)定位技術(shù)作為關(guān)鍵點(diǎn)。將基準(zhǔn)點(diǎn)(新建設(shè)或者其他供應(yīng)商提供)、桿塔(包括附近環(huán)境)以及北斗電力平臺(tái)系統(tǒng)等組合為全方位的輸電線路高精度變形監(jiān)測(cè)體系，同時(shí)通過(guò)全面的比較能夠得到平穩(wěn)、精準(zhǔn)的相關(guān)記錄，給輸電線路防災(zāi)減災(zāi)帶來(lái)支撐?；陔娏Ρ倍犯呔榷ㄎ患夹g(shù)可實(shí)現(xiàn)桿塔位移、滑坡及偏移的分析，同時(shí)可以利用北斗雙天線姿態(tài)技術(shù)實(shí)現(xiàn)桿塔塔形的精確測(cè)量[14]。而在現(xiàn)實(shí)的場(chǎng)景中，可根據(jù)實(shí)際需要選擇實(shí)時(shí)解算或后處理解算兩種處理模式，實(shí)現(xiàn)桿塔與附近地質(zhì)隱患點(diǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、全天侯的自動(dòng)化采集和監(jiān)控，它能夠?qū)Πl(fā)生變化的桿塔和附近山體變化帶進(jìn)行全方位實(shí)時(shí)有效的毫米級(jí)統(tǒng)計(jì)。該體系能夠適用于發(fā)電場(chǎng)與變電站地面沉降區(qū)以及跨越高速、高鐵、江河等的危塔，對(duì)其進(jìn)行載體變形位移、傾斜監(jiān)測(cè)等。

3.2 輸電線路地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)

為了對(duì)極端地區(qū)地災(zāi)隱患桿塔進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以通過(guò)北斗地基增強(qiáng)網(wǎng)和地災(zāi)北斗監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)頻繁發(fā)生山體變化的地質(zhì)進(jìn)行全方位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而可以提升至毫米級(jí)的統(tǒng)計(jì)分析。設(shè)備安裝在鐵塔附近的危急處，可以按照無(wú)線公網(wǎng)、光伏發(fā)電的模式進(jìn)行供電。通過(guò)使用北斗監(jiān)測(cè)裝置能夠全方位監(jiān)測(cè)隱患點(diǎn)地表變形情況，實(shí)時(shí)觀測(cè)統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)的變化情況，預(yù)先開(kāi)展防災(zāi)預(yù)警，確保電網(wǎng)穩(wěn)定有效地運(yùn)行。

參考成都220 kV桿塔可能存在山體滑坡的風(fēng)險(xiǎn)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察，在桿塔附近地面穩(wěn)定且地勢(shì)較高處建立電力北斗地災(zāi)監(jiān)測(cè)站。通過(guò)電力北斗基準(zhǔn)站和后臺(tái)解算系統(tǒng)，得到此處30天左右的實(shí)際變化情況；同時(shí)采用全面統(tǒng)計(jì)了解的方法對(duì)該監(jiān)測(cè)點(diǎn)每天數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，形成毫米級(jí)監(jiān)測(cè)變形量、變形累積量、變形速率數(shù)據(jù)。通過(guò)結(jié)合該區(qū)域地質(zhì)情況分析，能夠全面地了解到此處點(diǎn)位發(fā)生變化的具體情況。

4 塔基沉降位移監(jiān)測(cè)裝置的安裝與運(yùn)行

4.1 監(jiān)測(cè)測(cè)試

1)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境開(kāi)展基礎(chǔ)信號(hào)測(cè)試。采用目測(cè)方式檢查周圍環(huán)境是否存在遮擋，同時(shí)監(jiān)控實(shí)地的傳輸網(wǎng)絡(luò)的通信水平、整體冗余度等指標(biāo)，指標(biāo)率不能低于99%。2)電磁環(huán)境測(cè)試。在完成通信環(huán)境測(cè)試之后，利用頻譜儀測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)的電磁環(huán)境。包括測(cè)試1.575 GHz和1.25 GHz頻段是否存在周圍環(huán)境的擾動(dòng)[15]，如載波信號(hào)、高次諧波[16]等，整個(gè)過(guò)程中應(yīng)不大于-40 dBm。

4.2 監(jiān)測(cè)裝置安裝

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘察后，發(fā)現(xiàn)D號(hào)塔基位于泥土層內(nèi)部，因此其產(chǎn)生變化的概率高，同時(shí)D號(hào)腿的方向?qū)τ谛盘?hào)接收較為順暢，從而決定了沉降監(jiān)測(cè)裝置放置在D號(hào)腿相連的平臺(tái)上，然后通過(guò)澆筑水泥、嵌入固定物體后將監(jiān)測(cè)站點(diǎn)位裝置牢固立在塔基旁，確保兩者之間無(wú)任何運(yùn)動(dòng)發(fā)生的可能性。北斗觀測(cè)天線對(duì)中固定在觀測(cè)桿上，如圖3所示。

圖3 基于塔基沉降的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)裝置

為了提高監(jiān)測(cè)站的定位精度，基準(zhǔn)站以就近原則安裝在監(jiān)測(cè)站附近的平地，遠(yuǎn)離地質(zhì)擾動(dòng)區(qū)域，且基礎(chǔ)堅(jiān)固、距離監(jiān)測(cè)站約在100 m范圍的附近。

4.3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

以2020年9月7日至9月30日共計(jì)24天為例，運(yùn)行數(shù)據(jù)如圖4所示。經(jīng)過(guò)持續(xù)不間斷監(jiān)測(cè)D號(hào)腿在9月14日出現(xiàn)水平與垂直抖動(dòng)，后又迅速修正，可判定為衛(wèi)星抖動(dòng)。而后水平X、Y方向呈往返波動(dòng)，沒(méi)有出現(xiàn)偏移；垂直方向在9月24日等多日出現(xiàn)正向位移，但不久后呈往返波動(dòng)，確定不存在位移趨勢(shì)。D號(hào)腿位移量始終小于10 mm，屬于正常的抖動(dòng)偏差范圍。按照上述判定原則，截至10月1日，塔基實(shí)際變化情況為：D號(hào)腿垂直方向、水平方向累計(jì)無(wú)明顯偏移，位移量位于誤差范圍內(nèi)。

圖4 2020年9月7日至9月30日運(yùn)行數(shù)據(jù)

為了能夠全方位地掌握塔基的變化情況，通過(guò)沉降裝置與系統(tǒng)對(duì)該桿塔的塔基開(kāi)展為期約30天的連續(xù)監(jiān)測(cè)分析，保障了該鐵塔在遷改前的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

5 結(jié) 語(yǔ)

北斗系統(tǒng)的輸電線路地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)拓展延伸了北斗系統(tǒng)的多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，能夠全面匹配與融合輸電桿塔所在位置的周邊情況，達(dá)到對(duì)地質(zhì)災(zāi)害隱患的輸電線路桿塔的不間斷分析，為桿塔發(fā)生擾動(dòng)、沉降的監(jiān)測(cè)給予了全面詳實(shí)的參考技術(shù)路線，因此可對(duì)輸電設(shè)備企業(yè)未來(lái)的深化應(yīng)用提供技術(shù)支撐。如今，通過(guò)電力北斗應(yīng)用對(duì)輸電線路桿塔進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警還處于初級(jí)探索時(shí)期，可能會(huì)受到多個(gè)參考因素的影響，相關(guān)的實(shí)施應(yīng)用范圍和技術(shù)方案也有待于進(jìn)一步優(yōu)化與提升。隨著基于桿塔沉降監(jiān)測(cè)裝置的深化應(yīng)用，各類地災(zāi)監(jiān)測(cè)場(chǎng)景會(huì)不斷豐富。在未來(lái)研究中，增加電力北斗桿塔沉降監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的認(rèn)知能力，從而提升優(yōu)化后的預(yù)警成效，促進(jìn)電力公司的數(shù)字化轉(zhuǎn)型與運(yùn)檢智能化水平的提升。“北斗+電力”也為輸電專業(yè)運(yùn)維檢修和防災(zāi)減災(zāi)提供了技術(shù)參考，為智能電網(wǎng)發(fā)展模式進(jìn)行了積極的探索和應(yīng)用。