基于自然災害下的輸電桿塔失穩智能感知技術研究應用

劉志武，羅培焱，成廣生

(國網龍巖供電公司，福建 龍巖 364003)

電網安全運行是社會正常運轉的重要保障，一旦電網出現事故，將對工農業生產、居民生活造成極大的影響。在各類電網安全事故中，多數和輸電線路的倒塔、斷線等有關[1-2]。輸電桿塔傾斜的原因很多，除了大風、洪水、地質災害外，施工質量不過關、地基不均勻沉降，甚至是意外沖撞等都可能導致桿塔傾斜[3-6]。由于輸電網絡覆蓋范圍極廣，而且數量眾多的輸電桿塔位于城市周邊、山地、河流等自然環境更為復雜的區域，靠人力對輸電線路及桿塔完成巡檢工作效率低下，因此有必要建立成套輸電設備的在線監測，重點對與桿塔正常工作關系密切的傾斜、震動、覆冰等工況進行在線監測，為輸電線路安全運行提供參考[7-9]。輸電桿塔監測的原理是在桿塔及其他附屬電力設備上安裝傳感器來獲取桿塔運行工況狀態，通過對這些監測量的整合分析，進行輸電桿塔的運行工況、潛在故障、安全等級等評估[10-11]。

1 桿塔失穩隱患實例

2019年，龍巖某地因連續降雨發生大面積山體滑坡情況，巡線人員調查發現，該滑坡山體上有龍巖市管轄的220 kV總登線205-206+1三基桿塔，最近桿塔206+1距離山體滑坡點398 m，如圖1所示。山體垂直高差大，土質松散，并且龍巖處于雨季，故該三基桿塔存在失穩隱患，由于年底疫情影響，本應進行的線路遷改工程被暫時擱置，為確保線路安全運行，立即加強對該線路段桿塔檢測，做好災害應急處置方案。

圖1 山體滑坡實況

2 失穩智能感知技術原理及功能

2.1 窄帶物聯網技術

窄帶物聯網NB-IoT構建于蜂窩網絡，只消耗約180 kHz的帶寬，可直接部署于GSM網絡、UMTS網絡或LTE網絡，以降低部署成本、實現平滑升級。

NB-IoT具備4大特點：①覆蓋廣，提供改進的室內覆蓋，在同樣的頻段下，NB-IoT比現有的網絡增益20 dB，相當于提升了100倍覆蓋區域的能力；②具備支撐連接的能力，NB-IoT的1個扇區能夠支持10萬個連接，支持低延時敏感度、超低的設備成本、低設備功耗和優化的網絡架構；③功耗更低，NB-IoT終端模塊的待機時間可長達10年；④ 模塊成本更低，充分考慮桿塔維護經濟成本。

NB-IoT自身具備的低功耗、廣覆蓋、低成本、大容量等優勢，使其廣泛應用于多種垂直行業，如遠程抄表、資產跟蹤、智能停車、智慧農業等[11-12]。

2.2 輸電桿塔狀態監測模塊技術

基于窄帶物聯網的輸電桿塔傾斜在線監測系統是一種集感知、通信、分析、監測為整體的解決方法。監測終端內置移動物聯網通信模塊(含物聯網芯片)，定位模塊采用三模(北斗+GPS+GLONAS)或雙模(北斗+GPS)，加速傳感單元、地磁傳感單元等用于收集通信塔的狀態信息和地理信息；移動物聯網通信模塊(特別是NB-IoT通信模塊)負責通過通信運營商基站傳送相關信息至遠程監測平臺或移動應用終端；系統監測數據包括經緯度、橫向傾斜角度、順線傾斜角度、綜合傾斜角度、綜合傾斜度等，遠程監測平臺負責對收集到的數據進行處理，同時對遠端監測終端的采集策略進行定義和下發。

2.3 主要功能

a.基本功能。能夠直觀顯示橫向傾角、縱向傾角、扭曲度變化數值。

b.電子地圖功能。能夠使用圖形和數字直觀顯示桿塔變化。

c.告警功能。能夠使用圖形、數字、文字、顏色、圖標等形式顯示桿塔告警及詳細內容。詳細告警內容包括橫向、縱向、扭曲告警；能夠使用短信、微信、APP、郵件等形式對告警進行通知提醒。

d.多種應用場景。具備PC端、微信端、安卓APP、蘋果APP等多種應用端軟件。

e.遠程配置與調試。能夠按遠程指令修改采集頻率、采樣時間間隔、 網絡適配器地址等參數。

f.數據存儲。能循環存儲至少30天的桿塔橫向、順線傾斜角度與綜合傾斜度、經緯度、工作狀態數據。

3 實際應用

3.1 在線監測主要參數

為滿足輸電桿塔災害應急處置方案要求，同時考慮該隱患段桿塔實際情況，需要在線監測的參數如表1所示。

表1 主要參數

3.2 設備安裝

輸電桿塔傾斜在線監測終端設備安裝如圖2所示。

圖2 在線監測終端安裝

3.3 增設攝像頭

依據該隱患段實際情況，為實時掌握桿塔周圍樹木滑坡情況，在桿塔上增設攝像頭對桿塔周圍實時監控，尤其是以滑坡點為中心的四周樹木，以便更好地對周圍情況進行監控，提前對桿塔失穩預判，如圖3所示。

圖3 安裝攝像頭

3.4 制定桿塔隱患匯報機制

利用窄帶物聯網的低功耗輸電桿塔狀態監測系統和攝像頭，輸電管理人員可在后臺實時查看桿塔及周圍基本情況。輸電桿塔交互巡視時，交互人員立即將該桿塔段巡視情況(正常和異常)上報帶班人員，帶班人員立即上報運維專責；桿塔出現異常時，巡線人員和交互人員直接匯報部門主任，流程如圖4所示。基于窄帶物聯網的輸電桿塔傾斜在線監測終端桿塔數據反饋及預警平臺情況如圖5、圖6所示。

圖4 隱患桿塔段匯報流程

圖5 在線監測終端數據

圖6 在線監測預警平臺

通過窄帶物聯網的輸電桿塔傾斜在線監測終端系統，直接高效地掌握桿塔數據變化情況，為桿塔運維應對自然災害突發情況提供決策依據。

4 應用效益

4.1 社會效益

a.及時排除隱患，減少停電次數。利用遠程視頻裝置，可以方便、快速定位桿塔，及早發現桿塔或桿塔周圍可能影響線路正常運行的隱患，并予以排查，從而避免或減少停電事故的發生，保障社會經濟穩定發展。

b.節約資源、保護環境。在線監測技術一定程度上可以減少災后重建的投入，減少巡線人員反復去現場的次數，節約資源消耗，對自然生態環境起到一定的保護作用。

c.推動行業進步。系統充分應用了在線監測技術、三維可視化技術、計算機網絡技術、數據庫技術、空間數據管理技術、海量數據漫游等多種先進技術，新技術的應用將有效推動電力以及相關行業的技術進步。

4.2 工作效益

a.改進工作模式。用遠程監控部分代替現場巡線，同時將虛擬環境與現場環境相結合，對線路狀況有了更實時、更直觀的信息掌握，促進了線路運行管理的信息化。

b.資源有效整合，方便應用拓展。平臺整合了在線監測、地理信息、設備臺帳、檔案資料、運維記錄等各種資源，既方便了各種信息的交叉調閱、綜合分析，也可以進行各種應用拓展，還可以與其他系統相接，作為信息綜合展示平臺，避免了系統重復建設。

c.積累歷史數據，為后續工程服務。通過在聯網工程沿線安裝一定數量的在線監測裝置，經過一定時期的監測數據積累，可以對沿線典型地區的環境及線路自身情況進行一定的統計和分析，從而使大修技改工作的時間安排更具可操作性。同時，歷史數據可以為后續其他輸電線路工程的建設提供參考，結合系統中的三維信息、資料信息，使線路盡量避開與事故多發區地形、環境相似的地區，同時選擇合適的塔型。

5 結束語

為保證輸電線路安全運行，實現線路運行狀態的可控、能控、在控，需通過線路巡檢、在線監測、試驗、科學運維等手段，進行線路狀態評價、風險評估、故障診斷，實現線路運行狀態化和運維智能化。沒有科學的監測手段、分析手段、運維手段將無法獲取線路運行的關鍵狀態信息，無法科學調度人力、物力資源進行優化的規劃、設計、維護、生產調度。因此安裝在線監測裝置及智能巡檢系統，使用先進智能監測設備，匯集狀態信息進行輸電線路設備運行狀態評估，發現輸電網運行隱患并借助巡檢系統及時進行信息交互、故障處理是提高輸電網安全穩定運行水平的迫切和切實需要，也是發展智能電網的需要，為將來建設堅強的能源互聯網提供技術支持。