張 薇

(太原廣播電視大學,山西 太原 030024)

0 引言

近年來，國家經(jīng)濟建設加快腳步，電力作為其發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)也走在了發(fā)展前沿.我國幅員遼闊，地形多變，輸電線路在西北西南等地廣人稀的地區(qū)往往需要經(jīng)受更加嚴峻的考驗.這些地區(qū)礦區(qū)分布密集，地下采空區(qū)較多，加之天氣惡劣，變壓器桿塔承重較重，重心又偏高，變壓器桿塔就會隨著地質變化出現(xiàn)一些不可預估的損壞，從而影響供電線路的正常運行，造成生產(chǎn)生活不便，嚴重的還會產(chǎn)生安全事故[1].監(jiān)測山體移動，特別是變壓器桿塔傾斜、平移，采取相應預警措施是變壓器故障預防重點，需著重研究，不斷完善.目前針對變壓器故障和輸電線路監(jiān)測的方法主要有：變壓器油中溶解氣體的方法，通過監(jiān)測局部放電使油、紙或油和紙分解產(chǎn)生的甲烷等氣體實現(xiàn)故障監(jiān)測；局部放電的監(jiān)測方法，大致分為超聲檢測法、光測法、化學檢測法、脈沖電流法、射頻檢測法、超高頻局部放電檢測法；變壓器繞組溫度在線監(jiān)測方法，可分為直接法、熱模擬和間接測量法[2].以上這些研究方法皆側重于變壓器內部故障監(jiān)測，對于外界外力作用引起的變壓器機械故障并未涉及，且并未形成監(jiān)測和預警系統(tǒng).

北斗系統(tǒng)定位包括動態(tài)絕對定位和靜態(tài)絕對定位，靜態(tài)絕對定位的精度，約可達到米級，而動態(tài)絕對定位的精度僅為10～40 m.北斗系統(tǒng)相對定位，也叫差分北斗定位，它的出現(xiàn)提高了標準北斗定位的精度，目前已廣泛應用于大地測量、精密工程測量、地球動力學等方向的研究和精密導航.差分北斗定位是一個測站對兩個目標的觀測量、兩個測站對一個目標的觀測量或一個測站對一個目標的兩次觀測量之間進行求差，可以實現(xiàn)消除公共誤差和公共參數(shù)的效果.北斗差分定位系統(tǒng)的工作原理即為通過站點間數(shù)據(jù)連通對比不同站點發(fā)出的數(shù)據(jù)或同一測站兩次不同數(shù)據(jù)并計算出校正后的數(shù)據(jù)完成的[3].

基于此，本文設計了一種基于北斗偽距差分定位的變壓器桿塔線路監(jiān)測預警系統(tǒng)，系統(tǒng)基準站與移動站數(shù)據(jù)來自衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理采用北斗偽距差分技術，監(jiān)測站與基準站數(shù)據(jù)傳輸采用射頻方式，移動站與管理中心用GPRS通訊方式.數(shù)據(jù)接收與傳輸方式合理，采用偽距差分的變壓器桿塔定位新型算法，使得桿塔傾斜與高程變化、平行與垂直移動等狀況監(jiān)測準確，滿足了系統(tǒng)設計要求，達到了預期效果.

1 系統(tǒng)總體設計

圖1 監(jiān)測預警系統(tǒng)框圖

設計的監(jiān)測預警系統(tǒng)主要由三部分構成：系統(tǒng)基準站、系統(tǒng)移動站和監(jiān)控中心.系統(tǒng)基準站由微控制器、北斗定位板卡、北斗定位天線、射頻通信模塊、電池、太陽能控制器、太陽能光伏板等組成，它的工作職責在于向其輻射范圍內的系統(tǒng)移動站點提供地理坐標.系統(tǒng)移動站由微控制器、北斗定位板卡、北斗定位天線、傾角傳感器、射頻通訊模塊、GPRS通訊模塊、電池、太陽能控制器、太陽能光伏板等組成，移動站的主要工作職責除了接收基準站發(fā)出的地理坐標，同樣也需要儲存本站點所處坐標，之后根據(jù)不同站點提供多個地理坐標信息結合北斗差分定位算法解算出更精確的位置坐標，將數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡的公網(wǎng)動態(tài)IP+DNS解析方式接入總監(jiān)控中心.后臺總監(jiān)控中心主要負責將系統(tǒng)移動站上傳的數(shù)據(jù)進行存儲，并根據(jù)存儲數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)信息進行分析，從而起到監(jiān)測的作用，監(jiān)控中心往往還配有打印機作為輸出硬件，對監(jiān)測到的數(shù)據(jù)輸出打印.監(jiān)測預警系統(tǒng)如圖1所示.

2 系統(tǒng)各部分設計

2.1 北斗差分定位原理

以上提到的系統(tǒng)基準站需要選擇安置在地質穩(wěn)定的已知坐標點上，基準站和移動站的北斗接收機接收來自衛(wèi)星的定位信號，基準站測得偽距與該接收機解算的衛(wèi)星星歷信息作差，可以得到北斗接收機的偽距修正值.將此修正值發(fā)回到監(jiān)控中心儲存在計算機中，通過軟件進行差分定位解算[4].

系統(tǒng)基準站到衛(wèi)星i的理論距離為：

(1)

偽距為：

(2)

公式(2)與公式(1)作差，差值即為接收機偽距的改正值，將該值儲存在控制中心的計算機中，利用軟件實時處理和修正移動站的偽距觀測值，定位結算出的位置精度可達到10 cm.

2.2 系統(tǒng)基準站

為了保障系統(tǒng)基準站的工作，設計其能源供給來自太陽能供電系統(tǒng)，其裝置結構如圖2所示.

圖2 基準站結構圖

圖2給出了系統(tǒng)基準站工作的硬件結構，從圖中也能看出基準站的基本工作流程：太陽能光伏板吸收太陽能，能源在控制器中轉換并儲存至鋰電池以提供整個系統(tǒng)的電流輸入;數(shù)據(jù)的采集輸入部分由北斗定位系統(tǒng)來完成，北斗定位天線主要負責提供本站點所處位置配合北斗定位板卡換算出具體地理位置信息并提供給基準站控制單元;系統(tǒng)的控制單元主要采用32位微處理器架構，選用ARM9處理器配合復位電路、程序自動寫入等環(huán)節(jié)共同組成數(shù)據(jù)處理單元；經(jīng)控制單元分析處理后的數(shù)據(jù)最終由射頻模塊與周圍移動站進行數(shù)據(jù)交換，傳輸頻段使用工業(yè)免費頻段(433 MHz)將數(shù)據(jù)分享至系統(tǒng)移動站，來往數(shù)據(jù)經(jīng)過北斗差分定位解算最終得到精度較高的位置坐標信息[5].

2.3 系統(tǒng)移動站

系統(tǒng)移動站的組成結構和基準站的組成結構類似，大致也可分為能源供給板塊、數(shù)據(jù)采集板塊、數(shù)據(jù)分析處理板塊和數(shù)據(jù)傳輸板塊四大板塊.

圖3 移動站結構圖

能源供給板塊的組成及工作原理和系統(tǒng)基準站的相同，相較于系統(tǒng)基準站，移動站所處的地質環(huán)境可能更為惡劣，穩(wěn)定性也更差，固定的能源供給是不可靠的，因此同樣采用太陽能供電系統(tǒng)為移動站的正常工作提供能源；數(shù)據(jù)采集板塊構成和工作原理采用北斗定位天線絕對位置信息并結合北斗定位卡相對位置收集本站點位置的具體信息并打包傳輸給數(shù)據(jù)分析處理板塊，以進行下一步的分析過程.數(shù)據(jù)分析處理板塊作為站點的控制系統(tǒng)采用基于ARM9的32位微處理器架構,另外在數(shù)據(jù)處理單元中加入了傾角傳感器、RTC電路和JTAG電路等狀態(tài)自檢電路，對系統(tǒng)移動站狀態(tài)實時監(jiān)控結合北斗定位系統(tǒng)傳輸回的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)分析.分析后的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)傳輸模塊實現(xiàn)和基準站之間的數(shù)據(jù)互通，系統(tǒng)移動站的數(shù)據(jù)傳輸模塊除了射頻傳輸功能還加入了GPRS通訊電路，定位信息的處理同樣應用北斗差分定位解算.系統(tǒng)移動站結構如圖3所示.

2.4 監(jiān)控中心服務器

變壓器桿塔監(jiān)測預警服務器軟件系統(tǒng)總體方案如圖4所示.系統(tǒng)設計共六個板塊，主要功能板塊五個和一個“更多”板塊.系統(tǒng)設置了兩種種不同登錄身份，分別為系統(tǒng)管理員、系統(tǒng)操作員，其中系統(tǒng)管理員登錄后主要擁有“系統(tǒng)設置”、“系統(tǒng)管理”和“更多”三個板塊的操作權限，而系統(tǒng)操作員登錄后主要進行“網(wǎng)絡服務”、“設備管理”和“數(shù)據(jù)中心”等實際工作板塊使用權限[8].

圖4 系統(tǒng)總體方案框圖

服務器軟件采用Visual C#作為編程語言，數(shù)據(jù)庫在Visual Studio Net 2010 平臺上搭建，使軟件具有客戶機/服務器體系結構、圖形化用戶界面.軟件對運行的操作系統(tǒng)環(huán)境局限性不大，裝載此軟件可選用Windows Server系列操作系統(tǒng)，也可選用Windows 7及Windows 8等操作系統(tǒng)[9].

3 結論

本文針對電力工程輸電線路架設過程中，變壓器桿塔所處地質環(huán)境復雜，礦區(qū)采空區(qū)地貌和巖石斷裂地質山體水平和垂直方向移動較大，給變壓器桿塔帶來塌陷和傾斜的影響，進而造成變壓器機械損壞，變壓器的損壞會直接導致輸電網(wǎng)斷電，影響輻射區(qū)生產(chǎn)生活用電，帶來經(jīng)濟損失和生活不便，嚴重的還會帶來安全事故的發(fā)生.因此，設計一種基于北斗系統(tǒng)差分定位算法的變壓器桿塔監(jiān)測預警系統(tǒng)，通過系統(tǒng)內基準站和移動站差分運算，將移動站的定位級別提高到厘米級別，并將數(shù)據(jù)傳輸回監(jiān)控中心進行儲存和分析，成功對移動站變壓器桿塔的水平和垂直兩個方向實現(xiàn)監(jiān)測和預警，對電力工程建設中變壓器的故障和輸電線路起到了很好的監(jiān)測和預警作用.