基于衛星定位技術的輸電桿塔傾斜監測方法研究

汪 鵬，王 宇，張棟翔，祝 金，劉 軒

（內蒙古電力科學研究院，內蒙古呼和浩特 010020）

衛星定位是以衛星設備作為主要取樣結構的精準定位技術，能夠較好地克服傳統定位方法精度低、實時性差、導航能力弱的問題，可在特定空間環境中，為系統主機提供準確的可參考信息。一個完整的衛星定位系統需同時包含空間、地面、設備等多個組成部分。其中，空間部分位于飛行設備結構之上，可在日常飛行過程中，對區域環境的地面信息進行考察與記錄[1]。地面部分也叫地表基站，負責為飛行結構提供可參考的飛行數據信息，并可接收飛行設備反饋回來的信息文件。設備部分則直接由多個相互關聯的應用主機構成。

輸電桿塔是電網架空線路的支撐點，包含一根輸電桿塔配電網的被稱為單回路輸電網絡，包含兩根及兩根以上輸電桿塔的配電網被稱為多回路輸電網絡[2]。在輸電回路網絡中，由于輸電桿塔的傾斜問題，易導致電網穩定運行能力的持續下降。為避免上述情況的發生，傳統偽衛星監測手段在載波定位差分定位模型的支持下，獲得準確的衛星信號輸出觀測值，再通過卡爾曼濾波算法，計算輸電網絡主機所能承擔的電子量。然而該方法并不能對大面積停電現象進行有效抑制，其實際應用能力依然難以達到理想化的水平標準。

為解決該問題，提出基于衛星定位技術的新型輸電桿塔傾斜監測方法，通過GPS 節點協調的方式，確定輸電網絡的同步時鐘模式，再借助位移載荷量的計算結果，對相關監測系數進行標定處理。

1 衛星定位技術的非線性問題

1.1 GPS節點協調

GPS 節點協調可根據衛星信號收發器所處的實際位置，對相關定位節點進行實時規劃，從而使地面基站主機能夠獲得準確的衛星定位信息，以控制輸電桿塔的實際傾斜程度[3-4]。在輸配電網絡中，衛星信號收發器所處位置始終為固定、不可變的。而在一個配電網絡環境中，則可同時存在多個GPS 節點，這些節點對象可在反饋信道的作用下，建立與收發器設備間的應用連接，且在該過程中，輸電監測信號可在X、Y、Z軸3 個方向上共同傳輸，最終哪個方向上的輸電信號位移量最為明顯，則該方向即為輸電桿塔的實際傾斜方向，該方向上的位移變化量即為輸電桿塔的實際傾斜量。

圖1 GPS節點協調原理

1.2 同步時鐘模式

輸電桿塔傾斜監測方法的同步時鐘模式由GPS節點、衛星信號發射端兩部分共同組成，可為地面基站主機提供準確的定位系數修正結果，在已知標準時鐘周期結果的情況下，對實際傾斜角度監測時長進行初步估計[5]。與傳統偽衛星監測方法不同，基于衛星定位技術的同步時鐘模式需要一個主監控站和多個次級信號監測站，前者能夠準確記錄輸電桿塔在單位時間內的傾斜作用趨勢，后者則能夠根據記錄數據，生成完整的監測信息記錄。并可在衛星信道組織的作用下，將這些文件信息反饋至下級電網應用設備元件中[6-7]。設β代表配電網絡環境中的GPS 節點協調系數，χ代表衛星輸出信號的定位項指標，聯立上述物理量，可將輸電桿塔傾斜監測方法的同步時鐘模式定義為：

式中，代表配電衛星信號的輸出均值量，φ代表衛星輸出信號的定位特征值，y代表輸電桿塔的傾斜權限量。

1.3 定位精度因子

在輸配電網絡的衛星定位過程中，衛星信號收發器布局是最重要的一個環節，會影響主機對于輸電桿塔傾斜角度的最終判定結果。較差的衛星布局形狀能夠放大定位主機與信號收發器間的測距誤差值，最后造成監測誤差值的持續增大。定位精度因子可用來評價衛星信號收發器的幾何分布情況，且由于精度衰減因子及誤差放大倍數的影響，GPS 節點調試誤差也能在一定程度上反映定位精度因子的誤差量，該項物理系數的水平也會隨衛星信號收發器所處位置的改變而發生變化[8-9]。當定位精度因子較小時，最終計算所得的輸電桿塔傾斜角度監測誤差值也相對較小，反之則相對較大。設ΔR代表單位時間內的配電變化量，d1、d2分別代表兩個不同的配電量傳輸時長，聯立式（1），可將輸電桿塔傾斜監測方法的定位精度因子表示為：

其中，λ代表衛星節點定位系數，u代表傳輸電量的定位精度指標。

2 輸電桿塔傾斜監測方法

在衛星定位技術的支持下，按照輸電桿塔結構的搭建、位移載荷量的計算及監測系數標定的處理流程，實現輸電桿塔傾斜監測方法的順利應用。

2.1 輸電桿塔結構

輸電桿塔由塔腳、塔腿、塔身、上曲臂、下曲臂等多個結構共同組成。其中地線支架位于輸電桿塔頂端，將電量負載壓力釋放至上曲臂和下曲臂結構體中，從而使輸電桿塔的上部壓力干擾水平長期保持穩定狀態[10]。塔身、塔腿、塔腳屬于同一條水平直線上，可在承擔上部曲臂結構物理壓力的基礎上，建立輸電桿塔與地面環境之間的電量傳輸關系，從而使傳輸電流、傳輸電壓釋放于地表環境中，使輸電線路桿塔內的供電環境能夠長久趨于穩定[11-12]。由于穩固材料的存在，輸電線路桿塔側面結構始終具備較強的負載穩定作用，可在吸收多余傳輸電子的同時，有效保障輸電桿塔整體結構的的連接能力，這也是輸電桿塔能夠保持長期穩定應用的主要原因。

圖2 輸電桿塔結構示意圖

2.2 位移載荷量

大多數輸電線路桿塔都位于山區環境中，且絕大多數地區的地質和地形也都存在滑動的可能性，因而易導致滑坡災害的發生。在山體滑坡發生的初期階段，由于輸電桿塔位于易滑坡的山體結構之上，坡體頂端會出現緩緩下移的變化情況。在自然環境下，滑坡體會因物理沉積作用而逐漸下滑，而在其上表面架設輸電桿塔結構后，整個坡體則會因支撐點的流失而快速向下滑落[13-14]。位移載荷量是與輸電桿塔相關的在外力載荷作用下的滑動變化量，隨電量負載力作用的增大，該項物理量的數值變化水平也會逐漸增大，直至能夠與配電衛星定位技術的實踐需求完全匹配。設ε0代表最小的電量位移載荷系數，εn代表最大的電量位移載荷系數，n代表輸電桿塔結構的支撐載荷量系數值，聯立式（2），可將輸電桿塔的位移載荷量表示為：

式中，γ代表初發階段的山體滑坡系數，h1代表第一個配網載荷量，hn代表第n個配網載荷量，kn代表第n個配網電量特征值。

2.3 監測系數標定

監測系數標定是輸電桿塔傾斜監測方法設計的末尾處理環節，可在已知位移載荷的情況下，對衛星定位技術的實際作用能力進行有效權衡，從而使整個配電網環境能夠長期保持相對穩定的應用連接狀態[15-16]。監測系數是對輸電桿塔所具備電量承載能力的描述，一般情況下，監測系數標定值的數量級水平越高，最終所定義監測方法的應用能力也就越強，反之則越弱。規定在單位電量傳輸時間內，輸電桿塔結構所能承擔的最大電子傳輸量只能達到且在衛星主機上所能感知的電子傳輸量保持為時，整個配電網絡中的電壓與電流傳輸值也會在短時間內達到極值的應用狀態。在上述物理量的支持下，聯立式（3），可將輸電桿塔的監測系數標定結果表示為：

其中，θ代表配電網環境中的電子量測算系數，v0、vn分別代表衛星輸電定位的下限與上限監測條件，ξ代表既定的電子量監測系數指標，c1、c2分別代表兩個不同的輸電桿塔傾斜行為參量。支持并實現各項系數應用指標的計算與處理，在衛星定位技術的支持下，完成新型輸電桿塔的傾斜監測方法的設計。

3 實驗結果分析

為驗證基于衛星定位技術輸電桿塔傾斜監測方法的實際應用性能，設計如下對比實驗。以圖3 所示的輸電桿塔設備作為實驗對象，分別將其與實驗組、對照組配電網絡相連，其中實驗組網絡搭載基于衛星定位技術的輸電桿塔傾斜監測方法，對照組網絡搭載傳統偽衛星監測方法。

圖3 實驗用輸電桿塔設備

已知當輸電桿塔傾角定位精度處于60%～80%之間時，其監測行為才具有可參考價值，否則可認為所采取的監測方法不具備可參考價值。表1 記錄了實驗組、對照組在10°～100°傾角環境中的定位精度值。

表1 輸電桿塔傾角定位精度值

分析表1可知，實驗組傾角定位精度值在10°～80°的傾角環境中，始終能夠保持較為可信的定位精準度水平，而當傾角達到90°時，實際定位精度值達到了82.3%，超過了理想化限定的最大條件。對照組傾角定位精度值卻只能在40°～60°的傾角環境中，保持較為可信的定位精準度水平，而在其他傾角條件下，所記錄的定位精度并不能處于理想區間內。綜上可知，應用基于衛星定位技術輸電桿塔傾斜監測方法后，傾角定位精度更符合實際應用需求，能夠較好地解決因輸電桿塔傾斜行為而造成的大面積停電問題。

TID 指標能夠描述應用電網的穩定運行能力，一般情況下，TID 指標越大，應用電網的穩定運行能力也就越強，反之則越弱。表2 記錄了實驗組、對照組TID 指標的具體變化情況。

分析表2 可知，隨著實驗時間的延長，實驗組TID 指標始終保持相對穩定的波動變化狀態，整個實驗過程中的最大數值結果達到了73.69%。對照組TID 指標則保持先上升、再穩定的變化狀態，整個實驗過程中的最大結果僅能達到40.73%，與實驗組的最大值相比，下降了32.94%。綜上可知，應用基于衛星定位技術輸電桿塔傾斜監測方法后，TID 指標出現了明顯上升的數值變化趨勢，可大幅促進應用電網的穩定運行能力。

表2 TID指標對比表

4 結束語

在衛星定位技術的支持下，新型輸電桿塔傾斜監測方法針對電網穩定運行能力較差的問題進行了改進，聯合定位精度因子，計算位移載荷的實際水平，不僅促進了輸電桿塔傾角定位精度值的提升，也可使TID 指標結果得到了有效提高，能夠解決因輸電桿塔傾斜行為而造成的大面積停電問題。