傅煒 鄭心城 范定志 李勇 黃凱 王洪平 蘇志棠 林閩卿

摘 要：為了防止桿塔傾斜、倒折等事故發(fā)生，研究了載波相位差分技術(shù)基本原理，研制了輸電線路桿塔位移形變?cè)诰€監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)包括在線監(jiān)測終端、微信端應(yīng)用和Web端軟件平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電線路桿塔形變位移數(shù)據(jù)的在線監(jiān)測、預(yù)警以及信號(hào)傳輸。通過現(xiàn)場安裝調(diào)試，發(fā)現(xiàn)輸電線路桿塔的位移監(jiān)測結(jié)果表示與實(shí)際工況相符，后臺(tái)軟件平臺(tái)邏輯清晰，可為電網(wǎng)安全運(yùn)行提供有效的技術(shù)方案。

關(guān)鍵詞：載波相位差分技術(shù);桿塔位移形變;在線監(jiān)測;Web;微信;信號(hào)傳輸

中圖分類號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2019）12-00-04

0 引 言

輸電線路桿塔起到支持導(dǎo)線、避雷線及使其對(duì)大地與其他建筑物保持足夠安全距離的作用。桿塔的運(yùn)維工作關(guān)乎電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行：在臺(tái)風(fēng)、強(qiáng)降雨等惡劣天氣情況下，易發(fā)生山體滑坡、泥石流等自然災(zāi)害，引發(fā)電力桿塔護(hù)坡塌方;在持續(xù)低溫極端氣候下，導(dǎo)線、桿塔的大面積覆冰容易引起鐵塔倒塌、折斷事故;地震、地質(zhì)沉降等自然因素將造成桿塔傾斜、塔基沉降等安全隱患;施工不規(guī)范，工程管理不到位等問題將引起桿塔傾斜[1-3]。一旦發(fā)生倒塔事故，將嚴(yán)重影響電網(wǎng)的安全運(yùn)行，輕則降低電網(wǎng)可靠性，重則引起大面積停電。

國內(nèi)對(duì)電力桿塔的檢測大部分采用人工巡檢，并進(jìn)行記錄，雖然有推廣的無人機(jī)巡線，但本質(zhì)還是通過人工采集判斷。桿塔數(shù)量龐大，運(yùn)維人員必須在一個(gè)巡檢周期內(nèi)完成所有桿塔的巡視、維護(hù)工作，工作壓力較大。由于電力塔桿的沉降和變形相對(duì)緩慢，很難通過肉眼來辨別，因此容易因?yàn)檫\(yùn)維人員的工作經(jīng)驗(yàn)、技術(shù)水平等產(chǎn)生誤判、漏判的現(xiàn)象[4-7]。

本文通過研究北斗衛(wèi)星定位基本原理和載波平滑碼相位差分技術(shù)，研制出終端樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)了采用無傾角傳感器對(duì)桿塔厘米級(jí)的監(jiān)測。通過GPRS/CDMA無線公網(wǎng)將現(xiàn)場采集的桿塔姿態(tài)信息傳送到后臺(tái)Web端應(yīng)用軟件處理，可形象、清晰地還原現(xiàn)場工況。

1. 輸電桿塔在線監(jiān)測的基本原理

1.1 衛(wèi)星定位的基本原理

衛(wèi)星定位的基本原理基于后方交會(huì)測距法，每顆衛(wèi)星任意時(shí)刻的星歷參數(shù)能夠?qū)崟r(shí)讀取，即衛(wèi)星任意時(shí)刻的三維空間坐標(biāo)是唯一確定的。通過測量接收機(jī)與衛(wèi)星的距離能夠計(jì)算出接收機(jī)的位置坐標(biāo)。

假設(shè)接收機(jī)的空間坐標(biāo)為（x0， y0， z0），已知三顆衛(wèi)星的空間坐標(biāo)分別為A（x1， y1， z1），B（x2， y2， z2），C（x3， y3， z3），則

方程組（1）中含有三個(gè)未知數(shù)，（x0， y0， z0）在給定距離OA，OB和OC下有唯一解，由此來確定待定位點(diǎn)的坐標(biāo)[8]。

在利用衛(wèi)星進(jìn)行位置定位時(shí)，通常會(huì)受到各種各樣的因素影響而產(chǎn)生誤差，例如電離層效應(yīng)、對(duì)流層效應(yīng)引起的誤差，星歷誤差和多路效應(yīng)誤差等。為了盡可能消除這些誤差，采用兩臺(tái)以上的衛(wèi)星接收機(jī)同步各路信號(hào)（一臺(tái)作為基準(zhǔn)站，一臺(tái)作為流動(dòng)站），同時(shí)觀測衛(wèi)星數(shù)據(jù)，基準(zhǔn)站通過電臺(tái)發(fā)射所接收的載波相位信號(hào)或載波相位差分改正信號(hào)，流動(dòng)站在接收衛(wèi)星信號(hào)的同時(shí)會(huì)通過電臺(tái)接收基準(zhǔn)站的電臺(tái)信號(hào)。在這兩信號(hào)的基礎(chǔ)上，流動(dòng)站上的固化軟件進(jìn)行差分運(yùn)算，從而精確定出基準(zhǔn)站和流動(dòng)站的空間相對(duì)位置關(guān)系。

在實(shí)際工程中，基準(zhǔn)站和流動(dòng)站的距離一般不大于30 km，因此可以近似基準(zhǔn)站和流動(dòng)站電離層效應(yīng)、對(duì)流層效應(yīng)引起的誤差和星歷誤差相同。得到流動(dòng)站在第i顆衛(wèi)星下的觀測方程[9]：

式中：Δρib為基準(zhǔn)站偽距修正參數(shù);（xi， yi， zi）表示第i顆衛(wèi)星的空間坐標(biāo);（xu， yu， zu）表示流動(dòng)站的坐標(biāo);d為距離誤差;Δdρ為同時(shí)觀測相同衛(wèi)星的各項(xiàng)誤差和。

如果基準(zhǔn)站和流動(dòng)站處于同一衛(wèi)星歷元，則通過方程（2）即可計(jì)算出流動(dòng)站的地理坐標(biāo)（xu， yu， zu）。

在這一過程中，會(huì)因觀測條件、信號(hào)源等的影響存在誤差，即儀器標(biāo)定誤差，一般為平面1 cm+1 ppm，高程2 cm+1 ppm。載波相位差分可使定位精度達(dá)到毫米級(jí)[10]，已被大量應(yīng)用于需要高精度位置的領(lǐng)域。

1.2 輸電桿塔在線監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

目前供電企業(yè)仍然采用經(jīng)緯儀或全站儀來監(jiān)測桿塔位移，導(dǎo)致精度難以保證。本文通過載波相位差分技術(shù)研制出了監(jiān)測終端樣機(jī)，并結(jié)合后臺(tái)軟件對(duì)輸電線路桿塔進(jìn)行在線監(jiān)測，系統(tǒng)框架如圖1所示。監(jiān)測移動(dòng)站接收基準(zhǔn)站發(fā)送的載波相位修正參數(shù)，對(duì)觀測值進(jìn)行修正，測量出桿塔的姿態(tài)信息，通過無線公網(wǎng)將該信息發(fā)送至后臺(tái)監(jiān)控服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理。

2 監(jiān)測終端硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

監(jiān)測終端除了負(fù)責(zé)對(duì)桿塔的定位之外還需要測量桿塔的傾斜度，并存儲(chǔ)和上報(bào)預(yù)警信息。因此硬件電路必須包含處理器模塊、載波相位多星座定位模塊、MEMS傳感器模塊、存儲(chǔ)區(qū)模塊和無線通信模塊。由于監(jiān)測終端處于戶外，僅依靠蓄電池供電壽命有限，因此還為監(jiān)測終端增加了太陽能供電模塊。為保證電網(wǎng)重要信息不泄露，本文采用特定的安全芯片對(duì)上報(bào)信息進(jìn)行加密處理。監(jiān)測終端硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1 高精度位移監(jiān)測模塊

高精度位移監(jiān)測模塊是監(jiān)測終端的重要組成部分，主要由多星座GNSS衛(wèi)星定位模塊、MEMS傳感器和氣壓計(jì)構(gòu)成。多星座GNSS衛(wèi)星定位模塊主要負(fù)責(zé)設(shè)備的定位信息，MEMS傳感器負(fù)責(zé)采集桿塔位移形變信息，桿塔所處位置的氣壓對(duì)MEMS傳感器的工作精度影響較大，現(xiàn)場采用氣壓計(jì)采集當(dāng)前塔桿周邊的氣壓信息來修正桿塔位移形變信息。

多星座GNSS衛(wèi)星定位模塊是基于海峽北斗最新的多射頻單元同步技術(shù)小型化雙天線測向定位模塊，模塊采用更加精密的載波相位定位差分技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)情況下的高精度、高穩(wěn)定性、抗多路徑干擾的航向測試。

多星座GNSS衛(wèi)星定位模塊同時(shí)接收多個(gè)系列衛(wèi)星定位系統(tǒng)的信號(hào)，將多路載波相位觀測量進(jìn)行有效結(jié)合，同時(shí)使用多個(gè)接收模塊，能夠?qū)崟r(shí)提供0.2°（基線長度1 m）的航向測量精度，滿足低動(dòng)態(tài)、低功耗、高精度定向需求。多星座GNSS衛(wèi)星定位模塊電路原理如圖3所示。

2.2 安全芯片

電網(wǎng)配電終端常用的安全加密芯片包括同方股份有限公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的TF32A09系列芯片、南京南瑞公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的NRSEC3000等。考慮到監(jiān)測終端主要針對(duì)GPRS/CDMA公網(wǎng)通信的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，因此宜采用功能較單一、成本低廉的安全芯片。本文選用北京智芯微電子科技有限公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的配電終端安全芯片SC1161Y。該安全芯片支持SPI通信接口，具有SM1/SM2/SM3國密算法、真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器、存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)加密和總線加擾機(jī)制等安全保護(hù)機(jī)制，可有效保證數(shù)據(jù)傳輸、存儲(chǔ)的機(jī)密性和完整性。

SC1161Y應(yīng)用電路原理如圖4所示。其中MISO為安全芯片的輸出端口，MOSI為安全芯片的輸入端口，SCK為時(shí)鐘端口，SSN為芯片的片選端口。使用時(shí)引腳2與7、引腳3與6需外部短接。

安全芯片和MCU之間采用SPI通信，當(dāng)MCU發(fā)送數(shù)據(jù)、安全芯片接收數(shù)據(jù)時(shí)，MISO引腳需保持接收態(tài);當(dāng)安全芯片發(fā)送數(shù)據(jù)、MCU接收數(shù)據(jù)時(shí)，MOSI引腳應(yīng)始終保持低電平。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)測終端主要負(fù)責(zé)對(duì)桿塔姿態(tài)的采集和信息上報(bào)。監(jiān)測終端的主程序包括MEMS傳感器測量位移和載波相位差分算法，前者主要用來觀測是否出現(xiàn)較大的位移，后者主要用于計(jì)算桿塔微小偏移，并且為運(yùn)維人員提供地理位置信息。主程序流程如圖5所示。

輸電桿塔位移形變監(jiān)測軟件平臺(tái)包括Web端應(yīng)用程序和通信服務(wù)程序，均安裝在監(jiān)控中心的服務(wù)器中。Web端應(yīng)用程序用于實(shí)現(xiàn)輸電桿塔位移形變監(jiān)測系統(tǒng)的各種功能應(yīng)用。通信服務(wù)程序用于接收來自平臺(tái)和各移動(dòng)端應(yīng)用用戶的待發(fā)指令，設(shè)備喚醒后接收下發(fā)校準(zhǔn)指令，采集上傳桿塔位移形變數(shù)據(jù)信息。同樣，接收輸電桿塔位移形變監(jiān)測終端采集的數(shù)據(jù)信息存入服務(wù)器數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的高效管理、分析和處理。根據(jù)各項(xiàng)功能指標(biāo)，如數(shù)據(jù)采集與傳輸、GIS地圖監(jiān)控、位置監(jiān)控、數(shù)據(jù)報(bào)表、緊急報(bào)警等進(jìn)行分析并處理。軟件邏輯如圖6所示。

輸電桿塔位移形變?cè)诰€監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了大范圍、遠(yuǎn)距離分布式桿塔監(jiān)控功能，平臺(tái)以地理信息技術(shù)為基礎(chǔ)，通過對(duì)終端設(shè)備采集信息的分析，為巡檢應(yīng)急中心的維護(hù)人員提供可視化運(yùn)行界面。作為一個(gè)一體化可拓展的應(yīng)用平臺(tái)，開放數(shù)據(jù)接口和第三方應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)接口，以便后期接入新增的監(jiān)控內(nèi)容和功能應(yīng)用。

4 實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果

通常來說，輸電桿塔發(fā)生傾斜時(shí)，基座的位移遠(yuǎn)小于頂部的位移，如果將監(jiān)測終端安裝在桿塔基座處，采集的精度會(huì)打折扣，有可能造成漏判的情況;如果將監(jiān)測終端安裝在桿塔頂部，雖然能夠避免缺漏的情況，但是安裝時(shí)需要停電作業(yè)，且不便于設(shè)備運(yùn)維。因此，監(jiān)測終端安裝高度遵循如下原則：

（1）監(jiān)測終端安裝在塔腿以上;

（2）與輸電線路之間保持要求的安全距離。

安裝區(qū)域如圖7所示。

由于桿塔數(shù)量眾多，出于成本考慮，在某供電公司兩條110 kV架空線的桿塔上分別安裝11套和12套監(jiān)測終端，為不破壞桿塔的塔材結(jié)構(gòu)，保證原桿塔的應(yīng)力分布，特采用鋼絲繩綁接的方式將監(jiān)測終端和太陽能電池板固定在塔材上，如圖8所示。

監(jiān)測終端信息上報(bào)有兩種方式，一種是定時(shí)上報(bào)，即每天在固定時(shí)間上傳桿塔當(dāng)前時(shí)刻的位移值;另一種是緊急上報(bào)，即桿塔位移超出閾值后，立即上報(bào)異常信息。后臺(tái)Web端應(yīng)用軟件不僅能夠接收預(yù)警信息，還能夠?qū)惓Ｐ畔⑴砂l(fā)給相應(yīng)責(zé)任人。用戶可以直接通過層級(jí)地圖找到指定桿塔，獲得桿塔位移的歷史數(shù)據(jù)。

終端安裝一段時(shí)間后，針對(duì)預(yù)警次數(shù)較多的桿塔進(jìn)行現(xiàn)場測量。以110 kV田忠Ⅰ路22～26號(hào)桿塔監(jiān)測數(shù)據(jù)為例，后臺(tái)導(dǎo)出歷史觀測值和現(xiàn)場測量值，見表1所列。

該區(qū)域桿塔處于沿海線路，所處地區(qū)的風(fēng)力較大，平均為6級(jí)，風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)，桿塔朝風(fēng)向略有偏移，觀測值處于合理范圍內(nèi)。根據(jù)DL/T 741—2010《中華人民共和國電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：架空輸電線路運(yùn)行規(guī)程》中規(guī)定直線桿塔的傾斜程度：50 m 以下高度鐵塔傾斜度α≤1%;50 m以上高度鐵塔傾斜度α≤0.5%。由此可知該地區(qū)監(jiān)測的桿塔均處于安全運(yùn)行范圍內(nèi)。

5 結(jié) 語

通過載波相位差分算法實(shí)現(xiàn)對(duì)桿塔位移的精確測量，再利用無線公網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳送至監(jiān)控服務(wù)器，將運(yùn)行人員的現(xiàn)場目測巡視+經(jīng)驗(yàn)判斷的檢查模式變?yōu)樽詣?dòng)采集+事后共同研判，避免手工記錄運(yùn)行狀態(tài)不夠形象直觀而造成漏記、錯(cuò)記的問題。供電單位的運(yùn)維人員節(jié)約了去現(xiàn)場巡查的時(shí)間成本，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)測。輸電運(yùn)維人員可有針對(duì)性地提高巡檢及檢修質(zhì)量，利用北斗定位系統(tǒng)確定事故發(fā)生地點(diǎn)后可以提前規(guī)劃路徑，避免運(yùn)維人員盲目搜索。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]楊自崗，冀宏領(lǐng).220 kV架空輸電線路桿塔傾斜的原因分析及處理[J].中國電力，2016，49（s1）：40-43.

[2]楊艷美.高壓輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 鄭州：鄭州大學(xué)，2017.

[3]周柯宏，張燁，舒佳，等.輸電線路桿塔傾斜度在線監(jiān)測系統(tǒng)[J].廣東電力，2013，26（7）：57-61.

[4]朱兵，葉水勇，邵名聲，等.基于北斗系統(tǒng)的桿塔在線監(jiān)測系統(tǒng)研究[J].陜西電力，2016，44（4）：51-53.

[5]王古月，魏永，章兵，等.基于北斗衛(wèi)星的電網(wǎng)塔形監(jiān)測研究[J].能源與環(huán)保，2017，39（10）：102-106.

[6]鄧召魁，呂玉祥，高存博，等.基于北斗衛(wèi)星的輸電桿塔在線監(jiān)測系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2016，39（10）：162-166.

[7]趙云.電力桿塔無線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)[D].南京：南京大學(xué)，2017.

[8] YANG Y. Progress，contribution and challenges of compass/beidou satellite navigation system [J]. Acta geodaetica et cartographica sinica，2010，39（1）：1-6.

[9]徐明山.采空區(qū)輸電桿塔姿態(tài)監(jiān)測與分析系統(tǒng)研究[D]. 太原：太原理工大學(xué)，2016.

[10]肖玉鋼，姜衛(wèi)平，陳華，等.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的毫米級(jí)精度變形監(jiān)測算法與實(shí)現(xiàn)[J].測繪學(xué)報(bào)，2016，45（1）：16-21.