基于衛星定位技術的輸電線路智能馳度觀測系統

韓啟云，李 凱，焦 劍，陳 晨，桂和懷

安徽送變電工程有限公司，安徽 合肥 230022

0 引言

近年來，隨著我國電力建設的不斷推進，各種跨區域的電網建設也逐漸增多，這些電網通常以特高壓輸電線路為主要結構，且橫跨多個復雜地形，施工難度和維護難度都顯著提升，如何確保這些區域的電網長期穩定運行是一項難題[1-3]。在電網的運維中，馳度觀測是一項重要內容，以往的馳度觀測多采用基于光學的技術方法，其受到的限制較多，在降水和霧霾等低能見度的天氣條件下，基于光學的馳度觀測方法則不再適用。為此，基于衛星定位技術開發新的馳度觀測技術方法具有重要意義。

1 系統概述及系統工作原理

1.1 系統概述

基于衛星定位技術的輸電線路智能馳度觀測系統，其主要包括移動監測模塊、信息參考模塊、水平張力監測模塊、系統數據監測終端四個部分[4]。在實際應用過程中，移動監測模塊會基于衛星定位技術對輸電線路的馳度進行實時動態監測，工作人員根據監測結果即可分析是否進行施工緊線作業[5]。由于該系統基于衛星定位技術實現，因此對環境能見度并無過高要求，在惡劣天氣下仍能夠開展相應作業。

1.2 系統工作原理

在該馳度觀測系統中，其主要模塊均基于計算機技術、數字通信網絡技術和衛星定位技術加以實現。在這些先進技術融合應用的情況下，實現對輸電線路馳度更為有效的觀測，有效克服了傳統工作模式下的技術難題，通過應用該馳度觀測系統，以往因天氣原因難以進行馳度觀測的實際困難將得以有效解決。利用衛星定位進行導地線馳度觀測時，因基準站所得到的測量數據為其單點定位數據，存在較大誤差，因此實際觀測時使用一個基準站用于提供衛星定位所需的基準參考數據和兩個移動站進行導地線馳度觀測。為了確保移動站的天線高程數據具有較高的精確度，采用RTK鏈接模式，將移動站與基準站建立通信鏈接。這種方式可達到厘米級定位精度（實測誤差范圍控制在±20 mm），通過這種方式進行數據采集后，兩個移動站的天線高程數據一目了然，通過對這兩個數據進行簡單的差值計算，即可得到兩個移動站的天線高程差值[6-7]。對馳度進行觀測時，基準站J安放在鐵塔頂端，移動站A安放在導線絕緣子懸掛點正上方；移動站B通過遙控自動行走裝置安裝在最內側或最外側子導線導線上任意一點（取接近導線弧垂點為宜）。

2 中心基站系統軟件

中心基站系統軟件的主要作用是對采集到的數據進行分析處理，工作人員在系統軟件界面上輸入相關數據，經分析處理后即可輸出結果并展示，實現馳度觀測的最終目標。在實際應用過程中，主要需要工作人員輸入由觀測模塊所獲得的桿塔坐標和掛點高度差值等數據，數據輸入后，該軟件即可對數據進行分析處理，處理后即可顯示出衛星小車的位置坐標，以及衛星小車和子導線相對位置的示意圖，并實時顯示出導線馳度模擬情況。在監測終端模塊，其主要基于各類傳感器加以實現，根據傳感器功能上的差異，采用多種封裝形式進行封裝，以確保其在安裝、調試和應用上的便利性。

3 系統供電

當前，架空輸電線路的施工作業區域多為地形復雜的野外，這些區域無法使用市電進行供電，如架設專用線路或使用燃油發電機組，則成本過高。為了解決系統的供電難題，工程人員在系統中增設了小型儲能站作為系統的電源，儲能站采用鋰離子蓄電池組[8]。為了確保電源供電的穩定、可靠，在投入使用前，技術人員需要分析系統功耗情況，根據分析結果合理確定電池的供電電壓和容量，并增設電源智能管理系統對設備電源進行智能化管理，確保該儲能站能夠維持智能馳度觀測系統的工作需要。經過分析計算可知，該儲能站能夠確保智能馳度觀測系統連續工作24 h。

4 馳度智能計算原理

當兩個移動站與基準站建立起RTK鏈接時，可得到兩個移動站的天線高程數據，將兩個移動站天線的高程數據作差值計算，即可得到兩個移動站的天線高差。馳度計算原理圖如圖1所示。

圖1 馳度計算原理圖

設掛點A的天線高程為Ha，經緯度坐標分別為NA、EA；掛點B的天線高程為Hb，經緯度坐標分別為NB、EB；移動站的天線極化點距導線懸掛點的距離為L。根據移動站A、B的經緯度坐標可計算出兩個移動站的直線距離S，即據導線A、B懸掛點的距離。小車測量已知量：小車高程HC；小車與桿位中心距離LC。預知量：觀測檔兩懸點高程Ha、Hb。得出如下計算公式：式中：L2為掛點A與掛點B的高程差；L1為小車在掛點A與掛點B連線的投影點與掛點A的高程差；fs為小車處的弧垂。

計算時以A點作為計算參考點。當A、B懸掛點等高時，懸掛點高程與小車高程即小車處導線馳度。如掛點B位置相對更高，則有

此時

由此得出

如掛點A位置相對更高，則利用公式（7）計算，此時

由此得出

根據以上公式不難看出，只需通過兩個移動站的坐標值，即可計算出兩點之間的直線距離，如果移動站無限趨近掛點時，就是兩側掛點時間數據。

此時移動站所在位置的馳度計算公式為

代入測量所得到的數據即可計算出該位置的馳度值。事實上，該數值與導線上任意一點的馳度都相等。通過得到的計算結果，并對其進行推導，即可分析得到導線馳度的最大值。在實際工作中，通常會取得多組測量數據，為了確保最終計算結果的準確，可在剔除一些明顯偏差的數據后，對剩余數據取平均值作為最終計算結果。

5 系統使用方法

5.1 基本數據的準備

輸電線路智能馳度觀測系統對馳度的解算需要使用馳度觀測檔的相關參數作為數據計算的基本參數。選擇觀測檔兩基桿塔中的任意一基作為數據觀測站點，其需要準備的數據如下。

（1）圖紙數據。①觀測檔桿號。②觀測檔檔距（單位：m）。③觀測檔兩懸掛點高程（單位：m）。④觀測站桿塔橫擔半寬（單位：m）。⑤施工基面至掛點距離（單位：m）。⑥導線直徑（單位：mm）。

（2）現場測量數據。①觀測站桿位中心經、緯度坐標（單位：DM，其中分保留小數點后四位數字）。②觀測站參考基礎頂面高程（單位：m）。③衛星天線至參考基面距離（單位：m）。

5.2 數據終端軟件解算參數的設置

（1）圖紙參數的設置。開啟系統數據監測終端運行系統數據監測終端的系統軟件，點擊“數據監測終端軟件”中“參數設置”菜單進入“運行參數設置”界面。然后分別在開始桿塔和結束桿塔錄入“經緯度坐標”“高程”“呼高”“串長”“橫擔長”“滑車寬”“橫擔寬”，再錄入檔距參數“檔距”“比載”“張力”“導線直徑”，以及參考站“經緯度”“高程”。參數輸入完成后，點擊“保存參數”按鈕，最后點擊“退出”按鈕即可。

（2）現場測量數據的設置。按照要求填寫完成必要工程參數后點擊“提交工程數據”按鈕，即完成信息錄入工作，在桿塔信息待錄入頁面出現觀測檔桿位編號。現場測量數據獲取時，將使用系統設備自動進行獲取，開啟系統數據監測終端、安放衛星信息參考站、啟動衛星移動監測站，并將衛星移動監測站置于桿位中心樁上，運行系統數據監測終端的系統軟件，待系統指示進入RTK差分狀態后，在桿塔數據輸入頁面中點擊“提交工程參數”和“提交基站數據”后可點擊“弧垂測量”按鈕，進入弧垂等計算、測量參數數字化動態顯示頁面。數字化動態顯示頁面可顯示導線收緊過程中的實時弧垂值，隨小車位置或緊線狀態變化時弧垂值實時變化。點擊“啟動拉力傳感器”按鈕是測試每根子導線的當前拉力，點擊“保存記錄”按鈕是保存小車當前位置弧垂數據，點擊“導出數據”按鈕可以把剛剛保存的弧垂記錄導出成Excel表格進行展示。

5.3 衛星信息參考站的設置

衛星信息參考站是實現RTK差分，為衛星移動監測站提供衛星定位修正數據信息的基站。衛星信息參考站需安裝在鐵塔頂端，利用其自身攜帶的磁鐵吸附在鐵塔頂端主材上，然后開啟電源開關，基站狀態指示燈分別點亮即可[9]。

5.4 衛星移動監測站的安裝

將移動監測遙控小車放置在被測區段子導線線上，開啟遙測小車設備電源，待系統數據監測終端顯示已與小車建立通信聯系，且小車衛星數據正常后，通過系統數據監測終端上的控制面板遙控小車向觀測檔中間段前進，根據監測終端顯示的遙測小車處于觀測檔中間時停止小車前進[10-11]。衛星數據發送至數據監測終端后，監測終端軟件即可根據差分狀態自動解算該觀測檔的導線馳度，如圖2所示，遙控開啟小車攝像機即可觀測搭載小車以外的子導線馳度。

圖2 現場安裝圖

5.5 導線水平張力監測終端的安裝

導線水平張力監測終端用于校核衛星馳度監測解算的馳度數據，數據監測終端根據導線水平張力監測終端反饋的監測數據自動根據導線張力校核當前導線馳度值的準確性，如圖3所示。導線水平張力監測終端安裝連接順序為導線卡線器—U型掛環—導線水平張力監測終端—U型掛環—起重滑車/緊線手扳/手拉葫蘆。

圖3 智能測力裝置

5.6 注意事項

（1）設備使用前應將電池進行充電，確保電池電量飽滿；（2）嚴謹碰撞、拋擲系統設備中任何單元設備；（3）系統設備使用完畢后應置于專用設備箱內，妥善保管；（4）電池充電時，應注意通風，切勿置于高溫環境下充電；（5）請勿在易燃、易爆環境場所使用。

6 經濟效益分析

經現場試驗，該套系統可極大地提高施工效率，有效解決了不可預測的大霧天氣的影響問題，在張力架線施工時，單區段節約費用計算如下（緊線施工提前7 d完成）。

工人上下班車輛費用：500元/臺班×1臺班×2臺× 7 d=0.7萬元。

貨運車輛費用：700元/臺班×1臺班×7 d=0.49萬元。

機械設備使用費：2000元/臺班×1臺班×7臺×7 d= 9.8萬元。

人工工資：300元/工日×30人×7 d=6.3萬元。

綜上得知，每個放線區段施工中可節約費用17.29萬元。

7 結束語

系統應用了現代傳感器測量及衛星定位技術，與計算機通信、單片微型計算機控制、無線數字通信網絡等多學科技術領域充分結合，實現了架空輸電線路施工過程中導線馳度的實時檢測，有效解決了濃霧區段導線馳度觀測的難題，為霧區架線施工的順利完成提供了可靠的技術保障。該系統的成功應用為送電線路工程架線施工的科學指揮提供了有力技術保障，為電網建設的科技創新和施工建設過程更加安全、可靠、高效運行積累了寶貴經驗，降低了工程成本的開支。該套系統的使用在輸電線路工程施工中取得較大的社會效益和經濟效益。