基于云邊互動的輸電線路桿塔傾斜監測裝置設計策略研究

摘""要：針對架空輸電線路桿塔傾斜在線監測的現有技術特點，結合實際應用中存在供電系統不穩定、體積大、運維工作量大等問題，對不同應用場景的監測需求進行了分析和歸類，提出了基于云邊互動技術的桿塔傾斜監測裝置的設計策略，利用云邊互動技術科學調整不同應用場景下的數據采集和數據發送策略，結合智能判定和調控機制，大幅度降低了裝置的硬件需求，進而提出了裝置的硬件和結構趨向小型化和一體化的設計策略。

關鍵詞：桿塔""傾斜""在線監測""云邊互動

中圖分類號：TM75

Research"on"Design"Strategy"of"Transmission"Line"Tower"Tilt"Monitoring"Device"Based"on"Cloud"Edge"Interactionve

BAI"Yuqi

Electric"Power"Research"Institute"of"State"Grid"Xizang"Electric"Power"Co.，"Ltd.，"Lhasa，"Xizang（Tibet）"Autonomous"Region，"850000"China

Abstract："Based"on"the"existing"technical"characteristics"of"online"monitoring"of"tower"tilt"in"overhead"transmission"lines，"combined"with"the"problems"of"unstable"power"supply"systems，"large"volume，"and"manual"workload"inheavy"operation"and"maintenance"workload"in"practical"applications，"this"paper"analyzes"and"classifies"the"monitoringnbsp;requirements"of"different"application"scenarios."A"design"strategy"for"tower"tilt"monitoring"device"based"on"cloud"edge"interaction"technology"is"proposed，"which"scientifically"adjusts"the"data"acquisition"and"transmission"strategies"in"different"application"scenarios"using"cloud"edge"interaction"technology."Combined"with"intelligent"judgment"and"controlregulation"mechanisms，"the"hardware"requirements"of"the"device"are"greatly"reduced，"and"a"design"strategy"for"miniaturization"and"integration"of"the"device's"hardware"and"structure"is"proposed.

Key"Wwords："Tower;"Tilt;"Online"monitoring;"Cloud"eEdge"iInteraction

架空輸電線路桿塔作為輸電系統重要的支撐結構，其穩定性直接關系到電力安全輸送，但架空輸電線路在長期運行過程中，由于自然因素和人為因素的影響，桿塔的穩定性受到極大威脅，及時發現輸電通道的環境威脅與高風險目標的自動識別是關鍵問題[1]，一旦出現傾斜、倒塌等現象，如不被及時發現和處理，會造成電力系統癱瘓，甚至直接影響國民經濟和人民生命財產安全，造成巨大的損失[2]。

1"桿塔傾斜監測技術背景

1.1"""桿塔傾斜在線監測現有技術

1.1.1"""基于傳感器技術的在線監測

通過在桿塔上安裝高精度傾角傳感器，實時監測桿塔順線方向和垂直于順線方向的傾斜狀態，并通過無線通信技術將數據傳輸到后臺。

1.1.2"""基于北斗高精度定位技術的在線監測

結合北斗衛星和高精度傾角儀，對桿塔的傾斜、位移和變化速率等信息進行實時采集分析，幫助運維人員及時了解桿塔狀態。

1.1.3"""基于圖像識別技術的在線監測

通過安裝在桿塔上的視頻或圖像監測設備，實時拍攝桿塔及周圍環境的照片或視頻，利用圖像識別算法分析桿塔的傾斜狀態。

1.2"""現有技術在應用中的問題

上述3種技術均各有特點，但在實際應用中，根據經驗總結，存在以下問題：（1）目前大多傾斜監測設備采用太陽能板+儲能電池的模式進行供電，以確保實時監測，但儲能電池壽命短，太陽能光照條件不穩定，灰塵或鳥糞污染重的地區大大降低太陽能板的發電效率；（2）北斗高精度設備復雜，成本高，重量大，不利于大面積應用；（3）圖像識別需要人工介入進行審核，實時性較差。

2""電力桿塔傾斜監測應用場景分析

為了充分考慮架空輸電線路桿塔在應用中傾斜的實際場景，進而優化桿塔傾斜在線監測技術，實現軟硬件策略和結構匹配性，重點有如下兩種應用場景。

2.1""地質快變化和極端氣候造成的傾斜倒塌事故

該類場景通常為輸電線路桿塔處于地質極不穩定區域，通常人為因素占主要，如采礦區導致地質結構受力平衡破壞、工程機械設備作業區域的外力破壞、沿海臺風區域造成的短時局部的氣候破壞等。針對上述場景，具有特定時間段的實時監測需求，桿塔傾斜事故發展速度極快，運行維護工作難以避免桿塔的傾斜或倒塌，但須及時掌握事故發生桿塔位置以便縮短搶修時間，對角度、位移等監測精度要求較低。

2.2""地質慢變化和桿塔老化造成的傾斜倒塌事故

該類場景通常為輸電線路處于地質慢變化或桿塔自身自然老化產生的傾斜故障，傾斜的前期變化較為緩慢，難以通過肉眼在早期識別故障預警，同時，細微的變化受各類影響因素較多，需要分辨傾斜角度或位移的危險變化和正常浮動[3]。針對上述場景，對桿塔傾斜在線監測的精度和供電可靠性要求較高，但早期變化對實時性要求不高，早期變化具備大量時間通過監測數據進行預警和分析判斷，通過后臺告警通知運維人員修復和加固。

3"基于云邊互動技術的桿塔傾斜監測裝置設計

針對上述架空輸電線路桿塔傾斜在線監測現有技術和實際應用場景需求，本文提出一種基于云邊互動技術的電力桿塔傾斜監測裝置設計策略，主要從裝置硬件結構和云邊互動軟件技術兩個方面的優化設計進行論述。

3.1""裝置硬件機構設計思路

架空輸電線路桿塔傾斜監測裝置硬件系統主要由智能傳感器、主控MCU、存儲單元、4G/5G物聯網模塊和電源模塊構成，如圖1所示。其中傳感器為一款MEMS傳感器，具備超低功耗高性能三軸線性加速度檢測，可實現0.01°分辨率和±0.02°的誤差精度。主控采用超低功耗MCU，接收經過信號處理、AD轉換的傳感器傾斜角數據信息，通過儲存、解算、編碼等功能，交由通信模塊上傳至云端數據中心。裝置供電采用一次性高能鋰電池和超級電容復合供電的模式，利用低功耗軟硬件設計，不再依托太陽能供電。

監測裝置將各個模塊集成化設計，傳感器、主控、電源系統、通信系統及結構裝置均一體化設計，摒棄了常規傳感裝置獨立、供電系統獨立、通信系統獨立等模式，結合低功耗設計，將裝置整體重量控制在1"kg以內，大幅度提升了安裝便捷性，電源供應穩定性和可靠性也大幅度提升。

3.2""基于云邊互動的監測策略設計

采用云邊互動技術就是要充分結合架空輸電線路桿塔在線監測的實際應用場景，將監測策略充分于桿塔傾斜的真實狀態和運維工作的合理性進行充分融合。云邊協同是指邊緣計算的應用場景需要邊緣側與中央云端協同工作[4]，實現數據的采集、處理和分析，提高系統的響應速度、故障判別效率，為低功耗和小型化設計提供了策略支撐，"同時可以為電力物聯網設備提供更高的帶寬和更少的時延[5]。

3.2.1""基于云邊互動的桿塔傾斜智能監測策略設計

考慮架空輸電線路桿塔在應用中傾斜的實際場景，以及監測裝置小型化和低功耗的要求，裝置的監測軟件策略分為兩類：一類是基于快變化故障的監測策略，另一類是基于慢變化故障的監測策略。裝置可通過初始化配置或遠程固態升級選擇和調整策略方案。

基于快變化故障的監測策略，分為1個月模式、2個月模式和6個月模式，不同模式的具體數據采集方案和應用場景如表1所示。

6個月模式

采用夜間每2"h采集一次數據，白天每1"min采集一次數據，經邊端判斷未超過閾值時，則收集10次數據打包發送平臺，若監測期間數據超過閾值則實時發送至數據中心并告警

主要應用于桿塔附近有其他工程項目期間

基于慢變化故障的監測策略，該模式主要用于監測輸電線路處于地質慢變化或桿塔自身自然老化產生的傾斜故障，監測周期通常不低于5年。通常從首次監測到發展到傾斜故障的過程，監測策略會經歷以下4個階段。

（1）監測裝置安裝后初始模式為穩定采集模式，即每6"h采集1次數據并發送至數據中心。

（2）數據中心每天進行一次數據分析，當2天內的數據呈現同一傾斜趨勢發展但傾斜角度離告警閾值較遠，則自動調整為加密采集+穩定發送模式，即每1"h采集一次數據，保存6次數據后打包發送至數據中心。

（3）當上述加密采集的傾角數據依然呈現同一趨勢發展，則自動調整為加密采集+加密發送模式，即每1"h采集一次數據并每次發送至數據中心。

（4）當傾斜數據臨近告警閾值時，則自動調整為實時采集并發送模式，即每10"min采集一次數據并實時發送至數據中心，并向運行維護人員告警。

上述各個階段過程中，若傾斜趨勢恢復，則自動調回到上一階段的模式，實現云邊互動的調控策略。

3.2.2""云邊互動的智能判斷模式設計

邊端即桿塔傾斜在線監測裝置，安裝于桿塔塔身。當桿塔發生傾斜時，傳感器將數據傳輸至MCU，由MCU判斷傾斜角度是否超過預設臨界值，由此判斷結果將決定是否需要改變采集模式，這個過程即桿塔傾斜監測的邊緣計算。

云端進行獨立桿塔特征規律建立與判斷。云端即遠端數據中心，用于接收所有監測裝置傳輸的數據并分析處理。首先需建立被監測桿塔的特征信息，如桿塔類型、所處地理環境特征等信息，一方面將監測裝置傳輸的數據保存至數據中心對應桿塔數據庫中，便于運維人員查詢和接收告警信息；另一方面可利用云端海量數據進行特征分析，將地理、氣候、塔型等特征參數融合分析，可總結出特征桿塔的特定傾斜規律和判定依據。

云端建立特征類型并周期性調整邊端設備參數判斷策略。當大量數據支撐特定類型桿塔的特定傾斜規律和判定依據后，云端可以依據數據規約主動控制邊端設備調整特定桿塔的判定策略，實現云邊互動技術支撐下，差異化、精準化的桿塔傾斜監測策略。例如：處于局部風區的桿塔存在風吹擺動，通過云邊互動技術分析出該桿塔的正常風吹浮動范圍，調整危險傾斜角度的判定值。又如：不同高度和圍度的桿塔，由于受力條件等因素的不同，對于傾斜角的容許值存在較大差異，可以依據云邊互動技術調整監測策略。

4""結語

對桿塔傾斜監測的實際應用場景進行剖析，并設計了基于云邊互動的新型智能化監測裝置，結合多策略的靈活應用，將該類設備從硬件側大幅度小型化和一體化優化設計，大幅度提升調控水平，使新設計策略的桿塔傾斜監測更加符合實際應用，其運行維護價值和智能化水平更加突出。

參考文獻

[1]宰紅斌，高慧勇，王昊，等."5G通信技術在輸電線路在線監測系統中的應用[J].科技資訊，2024，22（1）：64-67.

[2]王雪濤，陳東升.輸電線路桿塔監測系統設計[J].科技與創新，2024（9）：89-91，94.

[3]李錚，武占俠.探討泛在電力物聯網在電力設備狀態監測中的應用[J].科技資訊，2022，20（1）：59-61，73.

[4]高亮，羅威，孫乾.一種基于云邊協同的電力業務時延優化方法[J].電力信息與通信技術，2021，19（8）：32-38.

[5]張雅潔，陸旭，李曦，等.電力物聯網下基于云邊協同的計算任務放置算法[J].電力信息與通信技術，2024，22（10）：38-47.