考慮水土流失評價指標的特高壓輸電線路環境監測系統

雷 磊，鄭樹海，王 勁，吳 健，霍春平，李 毅，郎霄劍

(1.國網陜西省電力公司電力科學研究院，陜西 西安 710100；2.國網(西安)環保技術中心有限公司，陜西 西安 710100；3.國家電網有限公司直流建設分公司，北京 100032；4.國家電網有限公司，北京 100031；5.西安市水利水土保持工作總站，陜西 西安 710018；6.西安理工大學電氣工程學院，陜西 西安 710048)

0 引言

電力基礎建設、電網規模擴大是國民經濟持續發展的有力支撐，也是建設“堅強智能電網”的先行基礎條件[1]。特高壓作為新基建重點建設對象之一，不僅有效解決遠距離電能互濟問題，同時為電網互聯互通和全能感知能力的優化、數字化應用范圍的提升，以及電力物聯網的建設奠定了基礎[2]。隨著環境保護生態意識的增強，以及國家相應法律、規范等的頒布實施，特高壓輸電線路工程實施中沿線水土流失保護和正常運行后沿線生態恢復工作也成為特高壓工程建設和驗收的重點考慮因素[3]。特高壓輸電工程沿線塔基及線路建設，勢必破壞原有地形、地貌，對周圍植被造成損壞，從而造成沿線施工建設點水土資源流失。如何有效防止特高壓輸電工程建設過程中水土流失，以及監測線路正常運行后環境恢復情況等問題是輸電線路建設過程中的研究重點。

目前，國內相關學者都在積極進行輸電線路水土保持方面的研究。文獻[4]針對輸電線路工程在伏沙地區域的水土流失特征與此區域內造成水土流失的原因進行探究，總結水土的保持治理策略。文獻[5]從輸電線路工程設計、實施施工、運行管理等方面分析了如何設計水土保持方案及措施。文獻[6]從業內準備及相關資料收集、現場調查及實地勘測、水土保持方案的設計等方面對特高壓輸電線路工程進行了闡述。文獻[7]結合水土流失可能引發的各種危害，總結了輸電線路水土流失的防范措施，提出該類工程水土保持各環節的主要工作以及應對策略。

上述研究主要從理論層面、實際問題展開論述。鮮有結合物聯網技術，對特高壓輸電線路沿線水土流失進行監測的理論研究和實際應用。為此，本文提出一種考慮水土流失評價指標的特高壓輸電線路環境監測系統設計方法，用以監測線路沿線水土環境因子實時變化，為特高壓輸電線路沿線生態恢復給予充足的數據支撐。

1 監測軟件系統研究

1.1 軟件框架

目前已有一些研究學者對輸電線路監測系統軟件進行設計，但是監測界面功能性和實用性方面還存在相應不足，不能準確反映特高壓輸電線路需要監測的環境指標。根據特高壓輸電線路水土保持的相關技術規定，本文所提出的監測流程示意圖(見圖1)。從圖1可以看出，該流程是通過對特高壓輸電線路沿線的監測點安裝水土流失監測設備，通過硬件設備來實時采集監測點數據，采用無線通信方式將采集數據進行傳輸，并在上位機終端進行數據接受。通過本文所提出的輸電線路水土保持監測系統軟件，可以對現場數據進行讀取與分析。

圖1 監測流程示意圖Fig.1 Schematic diagram of the monitoring process

1.2 輸電線路水土保持環境影響因子分析

根據水土保持監測的性能指標要求，參照行業標準《GB50434—2008開發建設項目水土流失防治標準》《SL277—2002水土保持監測技術規程》《SL342—2006水土保持監測設施通用技術條件》以及水土保持監測要求等，需要監測輸電線路沿線監測點的土壤流失量、降雨量等環境因子。

輸電線路沿線的降雨量將直接影響到輸電線路沿線水土保持的實際效果，并且面對極端天氣的出現，也會直接影響輸電水土保持效果。采用無線光敏測釬傳感器對監測點水土流失量可以進行實時監測，也可以將監測數據進行實時傳送。

1.3 水土流失量測量方法

水土流失量測量是輸變電工程水土保持監測項目中的最核心技術內容。利用傳統測量法監測水土流失量，存在自動化程度低、測釬坡面在讀取數據時人為干擾大及外作業工作量過大等缺陷，這與飛速發展的測試技術現狀不相適應。為此，新研制一種光敏測釬方法，實現了水土流失量的測量。

光敏測釬傳感器改變了傳統有線超聲測釬傳感器在測量水土流失量時測量延時長、測量誤差大、布線繁瑣的缺點。尤其在特高壓輸電工程線路中，大部分監測點位置偏僻，供電方式須采用電池供電。采用無線光敏測釬傳感器可以實現一體化自發、自用，利用太陽能進行供電，相比有線超聲測釬測量方式更加低碳環保。某特高壓輸電線路無線光敏測釬現場布設如圖2所示。

圖2 測纖布設Fig.2 Test fiber layout

無線光敏測釬上面布設有8組光敏傳感器，每組16個傳感器元件，每個光敏元件代表精度為1 mm。示意圖(見圖3)。在有光照的情況下，傳感器獲得高電位，沒有光照的情況下為低電位。依據此原理，插入土壤中的測釬由于沒有受到光照，光敏傳感器處于低電位狀態，暴露在外面的光敏傳感器部分，由于受到光照處于高電位狀態，因而可以準確判斷土地表面土壤流失量的變化情況。本監測系統現場設置有9組測釬，可以通過求平均變化值求出，測釬布設區域的土壤流失量變化情況，從而精確反映特高壓輸電線路在改監測點的土壤流失變化情況。

圖3 監測系統軟件界面Fig.3 Software interface for monitoring systems

1.4 系統界面顯示

本文所設計的某特高壓輸電工程水土保持在線監測系統軟件界面圖(見圖3)，操作軟件美觀，功能特點突出，可實現對特高壓輸電線路水土流失量的監測。

2 系統軟件功能介紹

2.1 數據遠端接連方式

由于數據需要進行遠距離傳送，據此本文所設計的方案采用的數據通信方式為借助移動、聯通、電信等通信公司進行無線數據傳輸，以輸電線路工程沿線具體的監測點布設地點，以及當地的實際信號強度為條件，擇優選擇網絡信號最好的通信公司。在數據采集點現場，通過路由器進行實地數據的接收和發送。借助某平臺的透傳云模式，將現場采集的數據進行遠距離傳送。采用虛擬串口在終端的監測控制中心進行數據傳輸和控制命令的下達。本文所采用的虛擬串口軟件(見圖4)。虛擬串口軟件可以將網絡透傳云與終端的監測控制軟件連接在一起，實現數據的實時傳輸。

圖4 虛擬串口軟件界面Fig.4 Virtual Serial Port Software Interface

2.2 監測軟件界面后端展示

本軟件的后端界面主要進行底層數據的下載和處理，將數據在后端進行處理后，數據量儲存在本地數據存儲庫中，然后在前端進行數據的展示與數據分析，可以直觀地將數據的變化情況反映給監測人員如圖5所示。

圖5 監測系統后端界面Fig.5 Back-end interface of the monitoring system

后端數據監測主要分為測站配置、系統配置、數據分析、視頻監控、數據下載等功能。測站配置主要完成的任務是對特高壓輸電線路監測點的信息和相對應的虛擬串口數據信息進行配置；系統配置功能主要實現系統時間設置、數據初始化等功能。視頻監控功能可以對遠程的攝像頭進行控制，對于重點突出的監測點，可以在現場安裝攝像頭來實時觀察監測點周圍的形態變化，并且對有意義值得觀察的視頻信息進行儲存和遠程分析。數據下載功能可以以天或者以月為單位對過去監測的數據進行下載。數據下載功能極大地方便了人工數據整理、記錄與統計。

2.3 監測軟件界面前端展示

本文所設計的監測軟件相較于傳統的系統，還設計了相應的前端軟件界面，前端界面有助于數據的直觀展示，并且更加符合現代互聯網發展趨勢。本文所設計的軟件前端界面如圖6所示。

圖6 監測軟件前端界面Fig.6 Monitoring software front-end interface

本文所設計的前端軟件主要有新聞管理、數據分析查看、打開串口、新聞管理等功能，并且在軟件的低端加上了相應的鏈接，可以直接打開與特高壓輸電線路水土保持相關的網站，可以使軟件登錄者方便訪問相關的網站。打開串口的功能主要虛擬串口的直接調用，方便操作；新聞管理功能可以實現相關新聞的滾動播放，方便操作人員查閱特高壓水土保持相關新聞；數據分析界面可以將監測到的數據進行實時分析。

3 自動監測結果及分析

經過對上述軟硬件系統的聯合調試，可以實現對數據的監測。本文所提的監測方法已經實際應用于某特高壓直流輸電工程。下面對實際監測到的數據進行分析，如圖7～12所示。

圖7 某月濕度的變化情況Fig.7 Changes in humidity for a month

圖8 某月風速的變化情況Fig.8 Changes in wind speed in a month

圖9 某月的風向分布圖曲線Fig.9 Wind distribution curve for a month

圖10 某月的噪聲分布曲線Fig.10 Noise distribution curve for a month

圖11 某月PM2.5分布曲線Fig.11 Distribution curves PM2.5 a month

圖12 數據表格形式展示Fig.12 Presentation of data tables

通過分析表征輸電線路生態環境變化情況，空氣中的濕度、溫度、風速、降雨量等會影響特高壓輸電線路水土流失量。通過本文所提的評價方式來綜合反應監測站點的水土流失情況，具有實際的應用價值與意義，運行以來，誤碼率低，監測狀況良好。

4 結語

本文提出了考慮環境評價指標的輸電線路水土保持監測軟件系統的設計方法。相較與傳統的人工監測方式，對輸電線路水土保持監測工作的智能化和自動化程度都有了顯著提高，減少了人力、物力。所提方法是電網互聯互通全面感知的初步探索，經過實際的輸電線路工程應用，取得可觀的監測效果，對特高壓輸電線路工程沿線水土流失保護與監測提供了一定參考價值。由于各地土壤土質結構差異較大，存在不同的特點，在后續研究中將重點關注如何通過精細化建模來表征土壤流失總體評價指標。