李錦林 張麗萍 馬勝 聶海濤

【摘要】? ? 基于北斗系統(tǒng)的輸電線路舞動監(jiān)測系統(tǒng)，依托北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和“電力北斗精準(zhǔn)服務(wù)網(wǎng)”，集成北斗高精度定位模塊及配套的電源和通信系統(tǒng)，實現(xiàn)對輸電線路導(dǎo)線監(jiān)測點(diǎn)的精準(zhǔn)定位，集成實時在線監(jiān)測系統(tǒng)，通過實時狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集和分析，提前預(yù)測導(dǎo)線擺動的幅度，提醒工作人員及時采取有效措施，實現(xiàn)線路舞動實時監(jiān)測與風(fēng)險防控。同時通過本項目的研究，可以為公司帶來相關(guān)專業(yè)技術(shù)的積淀，培養(yǎng)相關(guān)專業(yè)的業(yè)務(wù)人才，提高公司的技術(shù)研發(fā)能力，項目研發(fā)成果包括具體的舞動監(jiān)測產(chǎn)品，根據(jù)前期調(diào)研，該產(chǎn)品在實際應(yīng)用中有很大需求，在投向市場后將為公司帶來客觀的效益。

【關(guān)鍵詞】? ? 北斗系統(tǒng)? ? 舞動幅值? ? RTK

一、基本原理概述

在架空輸電線路導(dǎo)線出現(xiàn)偏心覆蓋現(xiàn)象后，受到風(fēng)的作用，容易形成自激振動的情況，并表現(xiàn)出頻率較低、振幅較大的情況。簡單來說，導(dǎo)線在覆冰后形成非圓截面，在風(fēng)的影響下，會形成空氣動力，并逐步發(fā)展為導(dǎo)線的自激振蕩，頻率在0.1～3Hz的范圍內(nèi)，并由此引起舞動變化。

針對舞動現(xiàn)象，國內(nèi)外都開展了大量的科學(xué)研究，但是仍然沒有徹底了解并解決這個問題，舞動現(xiàn)象當(dāng)今依然是世界難題。舞動現(xiàn)象會對電力的輸送產(chǎn)生很大的隱患，造成電力損失。因此，如何科學(xué)有效的解決舞動現(xiàn)象的產(chǎn)生是一個非常有研究價值的項目。

二、項目研究內(nèi)容和實施方案

2.1項目研究內(nèi)容

2.1.1電力復(fù)雜環(huán)境下北斗衛(wèi)星定位關(guān)鍵技術(shù)研究

高壓輸電線路會產(chǎn)生強(qiáng)大的磁場，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用于此種環(huán)境下，需要解決的主要問題有：

如何保證能夠連續(xù)跟蹤衛(wèi)星，不產(chǎn)生周跳;

如何保證原始觀測數(shù)據(jù)精度有效可靠，為后續(xù)高精度解算提供基本保證;

本項目針對上述可能遇到的問題做如下技術(shù)研究：

（1）研究抗干擾能力強(qiáng)的北斗衛(wèi)星天線技術(shù);

（2）研究電力復(fù)雜電磁環(huán)境下的接收機(jī)射頻處理技術(shù);

（3）研究電力復(fù)雜電磁環(huán)境下的基帶抗干擾處理技術(shù)。

2.1.2舞動監(jiān)測終端高動態(tài)測量關(guān)鍵技術(shù)研究

基于現(xiàn)有的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航差分技術(shù)研發(fā)高集成度的一體化舞動監(jiān)測終端，終端具有高精度測量能力、高動態(tài)測量能力。終端能夠?qū)崿F(xiàn)RTK測量輸出，輸出支持20Hz的輸出能力。

2.1.3高精度、高集成度舞動終端關(guān)鍵技術(shù)研究

研發(fā)一款設(shè)備，通過接收北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號，使用高精度差分定位技術(shù)，實時監(jiān)測輸電導(dǎo)線舞動參數(shù)，保障線路運(yùn)行安全。

導(dǎo)線舞動監(jiān)測終端設(shè)備應(yīng)具備質(zhì)量輕、精度高、傳輸速度快、便于安裝維護(hù)、具備自持供電能力等特點(diǎn)。舞動終端具有在強(qiáng)電磁干擾下工作的能力，系統(tǒng)能夠在強(qiáng)電磁環(huán)境下接收衛(wèi)星信號，并實時進(jìn)行解算。舞動終端具有屏蔽罩，保證接收機(jī)和4G通訊模塊能正常工作。

其具體要求如下：

（1）北斗高精度測高，具有實時差分（RTK）功能;

（2）對地距離監(jiān)測范圍：無限制;

（3）安裝在導(dǎo)線上，感應(yīng)取電;

（4）一體化設(shè)計，北斗衛(wèi)星定位、數(shù)據(jù)處理、無線通信等功能多合一;

（5）導(dǎo)線型號：185～630

導(dǎo)線舞動終端設(shè)備必須具有高度集成的特點(diǎn)，通過感應(yīng)取電的方式獲取電能，并在強(qiáng)電磁環(huán)境下進(jìn)行高動態(tài)、高精度的監(jiān)測能力。舞動終端要求的主要技術(shù)指標(biāo)：

2.2技術(shù)研究內(nèi)容與項目總目標(biāo)的關(guān)系

本項目研究內(nèi)容包括：

1）電力復(fù)雜環(huán)境下北斗衛(wèi)星定位關(guān)鍵技術(shù)研究

2）舞動監(jiān)測終端高動態(tài)測量關(guān)鍵技術(shù)研究

3）高精度、高集成度舞動終端關(guān)鍵技術(shù)研究

4）高可靠性數(shù)據(jù)傳輸關(guān)鍵技術(shù)研究

5）北斗高精度舞動監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用研究

6）舞動監(jiān)測數(shù)據(jù)算法關(guān)鍵技術(shù)研究

六個研究內(nèi)容相互聯(lián)系、相輔相成，構(gòu)成基于北斗系統(tǒng)的輸電線路舞動監(jiān)測系統(tǒng)從理論分析到典型應(yīng)用的全套方案。

研究內(nèi)容1、研究內(nèi)容2提供了基礎(chǔ)理論依據(jù)和關(guān)鍵算法，使得北斗高精度定位數(shù)據(jù)精確可靠。研究內(nèi)容3依托研究內(nèi)容1、研究內(nèi)容2實現(xiàn)北斗舞動終端產(chǎn)品研制。研究內(nèi)容4是研究內(nèi)容3的關(guān)鍵技術(shù)之一，直接影響到監(jiān)測系統(tǒng)終端的在線率。研究內(nèi)容5、研究內(nèi)容6是研究內(nèi)容1—4的綜合應(yīng)用，利用其研究成果實現(xiàn)對線路舞動的動態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析、監(jiān)測預(yù)警等功能。

2.3項目實施方案

2.3.1 項目研究內(nèi)容

研發(fā)高度集成的，具有高動態(tài)性能的舞動監(jiān)測終端：

1）研發(fā)一款集成度更高、重量更輕的北斗接收機(jī)主板;

2）市場采購重量更輕的高精度測量型北斗天線;

3）開發(fā)重量更輕的4G模塊和供電系統(tǒng);

4）北斗接收機(jī)具有RTK功能和高動態(tài)性能，能夠?qū)崟r輸出20Hz。

舞動監(jiān)測終端中北斗接收機(jī)和北斗天線抗電磁干擾性能，進(jìn)行如下研究：

1）強(qiáng)電磁干擾下工作的天線;

2）改進(jìn)接收機(jī)算法，提高抗干擾性;

3）采用具有屏蔽性能的天線電纜，防止感應(yīng)信號干擾接收機(jī);

4）采用屏蔽罩，保證接收機(jī)模塊和4G模塊正常工作。

研發(fā)舞動監(jiān)測終端的感應(yīng)取電能力：

5）舞動監(jiān)測接收機(jī)具有感應(yīng)取電能力，輸出DC12V;

6）電壓輸出具有平滑、穩(wěn)定的特點(diǎn)。

2.3.2 總體設(shè)計要求

研制設(shè)備的總體設(shè)計要求依據(jù)《Q/GDW10555-2016 輸電線路舞動監(jiān)測裝置技術(shù)規(guī)范》提出。線舞監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)具備數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存貯、數(shù)據(jù)處理判決、運(yùn)行管理等要求。具體要求如下：

1）數(shù)據(jù)采集要求

（1）具有傳感、采集功能。對各安裝點(diǎn)舞動情況、監(jiān)測點(diǎn)溫濕度、風(fēng)向及風(fēng)速等各種情況進(jìn)行全面采集與精準(zhǔn)測量。及時將所測量的數(shù)據(jù)迅速傳入到狀態(tài)監(jiān)測主站系統(tǒng)中;

（2）具有自動采集功能。可根據(jù)設(shè)定時間，對安裝點(diǎn)、監(jiān)測點(diǎn)溫濕度、風(fēng)向及風(fēng)速進(jìn)行間隔監(jiān)測，其中默認(rèn)間隔時間為40min，范圍設(shè)定在20min—120min。若監(jiān)測期間出現(xiàn)舞動、覆冰的的現(xiàn)象，可啟動使用加密采集的功能;

（3）具有受控采集功能，對于遠(yuǎn)程指令能夠第一時間反應(yīng)，基于所設(shè)定的采集方法、采集間隔、自動采集時間及采集點(diǎn)數(shù)，第一時間能夠進(jìn)行采集;

（4）針對線上采集的各單元，最好設(shè)置電源電壓、工作溫度采集等一系列所需功能;

（5）對于一檔線路，應(yīng)盡量設(shè)置數(shù)個舞動采集單元，最好不低于5個?；诒O(jiān)測目的或沿檔進(jìn)行針對性設(shè)置，對于氣象采集單元、數(shù)據(jù)集中器、舞動采集單元而言，應(yīng)設(shè)置雙向通訊系統(tǒng)，構(gòu)建相對應(yīng)的同步機(jī)制，借助數(shù)據(jù)集中器，對數(shù)據(jù)進(jìn)行同步采集。

2）數(shù)據(jù)處理與判別：

（1）具有數(shù)據(jù)合理性檢查分析功能。能夠預(yù)處理所采集到的各種數(shù)據(jù)，對干擾數(shù)據(jù)進(jìn)行自動識別，并迅速剔除在外;

（2）構(gòu)建科學(xué)合理的舞動計算模型，根據(jù)所采取的原始數(shù)據(jù)，借助模型反映出監(jiān)測點(diǎn)導(dǎo)線舞動幅值、頻率等真實情況。

3）數(shù)據(jù)存儲

能夠監(jiān)測點(diǎn)至少一個月的導(dǎo)線舞動情況進(jìn)行循環(huán)儲存。

4）數(shù)據(jù)輸出

輸出信息主要為：監(jiān)測點(diǎn)的導(dǎo)線舞動數(shù)據(jù)、變動情況;溫濕度、風(fēng)速及風(fēng)向變化;電源電壓、溫度現(xiàn)狀、心跳包的等。

5）通信功能

通信接口、應(yīng)用層數(shù)據(jù)傳輸必須嚴(yán)格按照“Q/GDW 242—2010 輸電線路狀態(tài)監(jiān)測裝置通用技術(shù)規(guī)范”各項規(guī)定。

6）硬件與軟件

具有采集、存儲、處理、通信等自動檢測功能：一旦裝置出現(xiàn)故障，可第一時間進(jìn)行處理，促使裝置迅速恢復(fù)運(yùn)行。

7）遠(yuǎn)程更新、配置與調(diào)試

（1）具有身份認(rèn)證、遠(yuǎn)程更新程序的功能，具備完善的更新機(jī)制與方式;

（2）具有按遠(yuǎn)程指令修改采集頻率、采樣時間間隔、網(wǎng)絡(luò)適配器地址等參數(shù)的能力;

（3）應(yīng)具備動態(tài)響應(yīng)遠(yuǎn)程時間查詢/設(shè)置、數(shù)據(jù)請求、復(fù)位等指令的能力;

（4）可基于遠(yuǎn)程指令進(jìn)入遠(yuǎn)程調(diào)試模式，并輸出相關(guān)調(diào)試信息。

2.3.3 導(dǎo)線舞動監(jiān)測系統(tǒng)組成

2.3.3.1 測量設(shè)計考慮

（1）精密舞動軌跡的實時測量

本方案擬采用北斗RTK功能實現(xiàn)對導(dǎo)線舞動的高精度監(jiān)測。技術(shù)難點(diǎn)在實現(xiàn)線上高精度測量和輕量化低功耗之間的矛盾?？紤]到單頻RTK作用距離在1-3km，滿足高壓線纜舞動監(jiān)測的要求。為此，構(gòu)建線上裝置和桿塔裝置之間的短基線，實現(xiàn)低成本低功耗的單頻RTK測量。在桿塔數(shù)據(jù)集中器中增加多頻RTK板卡，和線上單頻BDS/GPS裝置構(gòu)成單頻基線，同時，多頻RTK板卡和電力地基增強(qiáng)系統(tǒng)構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)RTK。

（2）數(shù)據(jù)通信的考慮

數(shù)據(jù)通信是導(dǎo)線舞動系統(tǒng)的關(guān)鍵功能之一。系統(tǒng)包括兩類數(shù)傳通信，一類是線上裝置和桿塔裝置之間的數(shù)據(jù)和指令傳輸，另一類是數(shù)據(jù)網(wǎng)上傳輸，用于數(shù)據(jù)集中將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心和指令下發(fā)。目前，433MHZ/915MHz數(shù)傳模塊應(yīng)用非常廣泛，相應(yīng)模塊體積小、功耗低、成熟度高，能夠用作線上裝置和桿塔裝置之間的數(shù)據(jù)傳輸，而基于4G/GPRS模塊的網(wǎng)絡(luò)通信更加適合安裝在桿塔控制站中。同時，為方便外場作業(yè)，增加了手機(jī)APP功能。

（3）供電考慮

供電主要是指外場設(shè)備供電，包括線上數(shù)據(jù)采集裝置供電和桿控制站供電。線上裝置適合采用感應(yīng)供電，桿塔裝置因為體積重量的限制較低，采用太陽能供電比較合理。

2.3.3.2 系統(tǒng)組成

根據(jù)《規(guī)范》要求，線纜舞動監(jiān)測系統(tǒng)一般由導(dǎo)線舞動采集單元、地面基準(zhǔn)站、監(jiān)測主站和通信網(wǎng)絡(luò)組成。舞動采集單元安裝在導(dǎo)地線上，主要由GNSS多頻高精度測量天線、慣性導(dǎo)航板、GNSS多模多頻RTK板卡、CT感應(yīng)取電、電池、CAT1模塊、加密模塊和主控板組成。舞動采集單元把采集的導(dǎo)地線舞動參數(shù)通過通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到狀態(tài)監(jiān)測代理裝置或狀態(tài)監(jiān)測主站系統(tǒng)。

整個系統(tǒng)的工作原理為：

（1）舞動采集單元包括GNSS多頻高精度測量天線、慣性導(dǎo)航板、GNSS多模多頻RTK板卡、CT感應(yīng)取電、電池、CAT1模塊和主控板。舞動采集單元把采集的原始觀測值、單元定位結(jié)果和姿態(tài)測量結(jié)果和接收到的基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)進(jìn)行雙頻RTK解算，進(jìn)行線舞預(yù)警初判，并據(jù)通過CAT1通訊網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到狀態(tài)監(jiān)測代理裝置或狀態(tài)監(jiān)測主站系統(tǒng)。

（2）舞動監(jiān)控平臺通過互聯(lián)網(wǎng)接收線舞數(shù)據(jù)，下發(fā)指令。利用舞動RTK結(jié)果，計算舞動單元精確位置和姿態(tài)，據(jù)此進(jìn)行舞動預(yù)警。

（4）手機(jī)APP接入互聯(lián)網(wǎng)，查詢外場單元，包括舞動采集單元的工作狀態(tài)，下發(fā)檢修指令等。

2.3.4 基于RTK的線舞監(jiān)測原理

2.3.4.1 架空線舞動模型

設(shè)架空線質(zhì)量密度均勻，其空間分布應(yīng)是一懸鏈線，在電纜伸縮變形不明顯情況下，可以粗略地將電纜的舞動看成剛體運(yùn)動，即電纜在總體形狀不改變情況下圍繞通過兩端點(diǎn)的直線轉(zhuǎn)動。在風(fēng)、冰雪等影響下，線纜上的一點(diǎn)呈現(xiàn)出橢圓運(yùn)動軌跡。

其中，Q點(diǎn)為線纜的最低點(diǎn)。假定兩桿塔高度差 h2 和水平跨度 h，根據(jù)架空線比載和標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力參數(shù)（可以從架空線放線曲線獲得）可以計算出弧垂高度 h1。

在x'-y'-z'坐標(biāo)系中，無風(fēng)情況下，根據(jù)線纜的拋物線特征，可以推算出弧垂最低點(diǎn)Q的z′坐標(biāo)：

根據(jù)“Q/GDW10555-2016 輸電線路舞動監(jiān)測裝置技術(shù)規(guī)范”，電力線纜舞動的監(jiān)測量包括：

舞動幅值：（galloping amplitude）線路舞動軌跡橢圓的長軸長度，分為整檔舞動幅值和測量點(diǎn)處的舞動幅值。

垂直舞動幅值（galloping vertical amplitude）：線路舞動軌跡橢圓在垂直方向的高度。

水平舞動幅值（gallopinghorizontalamplitude）：線路舞動軌跡橢圓在水平方向的長度。

舞動橢圓傾斜角（galloping ellipse angle to vertical）：線路舞動軌跡橢圓長軸與鉛錘方向的夾角。

不難看出，計算舞動指標(biāo)的基礎(chǔ)是需要得到舞動橢圓方程，所以，需要根據(jù)采集的較長時間范圍內(nèi)進(jìn)行軌跡采集，以形成一個完整的橢圓。基本原理是通過舞動軌跡，進(jìn)行曲線擬合，能夠得到實時的舞動橢圓的峰峰值。由于導(dǎo)線舞動是周期性的，那么移動站天線的XYZ坐標(biāo)值隨時間變化的函數(shù)x（t）、y（t）、z（t）都是周期函數(shù)，實時得到這三個函數(shù)并分別進(jìn)行頻譜分析，就可以實時得到舞動的頻率。所以，線纜舞動指標(biāo)的計算的專業(yè)性很強(qiáng)，該項功能實現(xiàn)在線舞監(jiān)測中心。

2.3.4.2 “Q/GDW10555-2016 輸電線路舞動監(jiān)測裝置技術(shù)規(guī)范”要求

“Q/GDW10555-2016 輸電線路舞動監(jiān)測裝置技術(shù)規(guī)范”要求該單元傳送的數(shù)據(jù)格式如下表2。

分析其數(shù)據(jù)格式，不難看出，導(dǎo)線舞動采集單元的主要任務(wù)是采集并上傳監(jiān)測點(diǎn)的實時軌跡數(shù)據(jù)。

服務(wù)器指標(biāo)如下所示：

（1）CPU：雙核，Intel i7-9750H

（2）內(nèi)存：64GB

（3）硬盤：1TB固態(tài)硬盤

（4）顯卡： Nvidia Geforce FX5200，支持硬件縮放功能

（5）USB端口：USB 3.0

（6）網(wǎng)口：RJ-45，支持10/100/1000Mbps，

（7）無線網(wǎng)卡：Intel AX200，10M 寬帶;

（8）操作系統(tǒng)：Windows 10 （含正版授權(quán)）

（9）具有靜態(tài)IP地址;

（10）開通服務(wù)器及相應(yīng)客戶端的端口（如3000、3001等）;

（11）開放防火墻的端口

三、結(jié)語

在我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展中電力安全是最為關(guān)鍵的影響因素，與每個人日常生活、工作等密切相關(guān)，只有保證電力安全，才能促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，維護(hù)社會的和諧與穩(wěn)定，推動我國安全、能源等戰(zhàn)略目標(biāo)順利實現(xiàn)?；诖宋覀円岣邔﹄娏Π踩年P(guān)注度，這是政府安全預(yù)警預(yù)案中的重要內(nèi)容，需要不斷對電力安全保護(hù)體系進(jìn)行優(yōu)化，發(fā)揮出對電力安全的預(yù)警功能。近年來我國電網(wǎng)建設(shè)規(guī)模逐步增加，電網(wǎng)安全也備受各界關(guān)注，尤其是要保證超大規(guī)模高壓輸電線路的穩(wěn)定，才能推動我國社會的進(jìn)一步發(fā)展。