輸電線路智能巡檢系統(tǒng)中GPS技術(shù)的研究與應(yīng)用

董 倩 ，王素珍 ，韓 冬 ，邢尚文

(1.青島理工大學(xué),山東 青島 266520；2.山東科技大學(xué),山東 青島266590）

近年來,GPS技術(shù)在高壓輸電線路智能巡檢中得到廣泛應(yīng)用，可完成測(cè)圖、定位、定線等多種工作。可以極大地縮短巡檢時(shí)間，加快恢復(fù)供電，對(duì)電力系統(tǒng)安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有非常重要的意義。隨著電網(wǎng)改造的逐步深入，電力配電網(wǎng)技術(shù)高速發(fā)展，要科學(xué)、經(jīng)濟(jì)、有效地控制電網(wǎng)運(yùn)行，必須逐步提高配電網(wǎng)自動(dòng)化水平。電力線路的巡檢是配電網(wǎng)自動(dòng)化的重要內(nèi)容之一。就目前電力行業(yè)的巡檢系統(tǒng)而言，雖然都已實(shí)現(xiàn)了基本的信息化，但原有模式難以滿足日益增長的事務(wù)處理、信息共享、工作協(xié)同和決策支持等方面的要求。為保證電力企業(yè)管理和業(yè)務(wù)決策更加迅速及時(shí)，采用先進(jìn)的移動(dòng)通信技術(shù)對(duì)于配電系統(tǒng)的建設(shè)非常重要。

對(duì)國內(nèi)電力企業(yè)來說，這些方式成本高，實(shí)施困難，且不易推廣，同時(shí)也難以解決巡視工作中人為因素的影響。國內(nèi)的電力行業(yè)在傳統(tǒng)的人工巡檢方式基礎(chǔ)上，開始采用一些新的方式。

1 電力巡檢系統(tǒng)

電力巡檢系統(tǒng)一般分為3大子系統(tǒng)：后臺(tái)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)和巡檢終端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。輸電線路智能巡檢系統(tǒng)嵌入在個(gè)人數(shù)據(jù)助理PDA[1](Personal Digital Assistant,又稱掌上電腦）上，巡檢人員使用PDA對(duì)高壓輸電線路進(jìn)行巡檢工作?？傮w功能結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。其中，最主要部分是PDA中的輸電線路只能巡檢嵌入式系統(tǒng)，巡檢人員使用該巡檢系統(tǒng)完成輸電線路巡檢工作。該嵌入式系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)任務(wù)管理、巡檢記錄和數(shù)據(jù)管理3大功能。

圖1 輸配電只能巡檢系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

任務(wù)管理包括：(1)人員確定,巡檢人員通過輸入用戶名及密碼進(jìn)入輸電巡檢系統(tǒng)；(2)任務(wù)下載,PDA通過通用分組無線服務(wù)GPRS(General Packet Radio Service)或者通用串行總線USB(Universal Serial BUS)連接到后臺(tái)服務(wù)器，進(jìn)行任務(wù)信息下載；(3)任務(wù)定位,根據(jù)下載的任務(wù)信息確定巡檢路線，并在PDA地圖中高亮顯示巡檢線路。

巡檢記錄包括：(1)GPS巡檢導(dǎo)航,通過GPS定位，在地圖中會(huì)顯示當(dāng)前所在位置，用戶可根據(jù)地圖導(dǎo)航巡檢路線；(2)缺陷信息錄入,巡檢人員將有缺陷的桿塔信息根據(jù)系統(tǒng)給定標(biāo)準(zhǔn)錄入到PDA數(shù)據(jù)庫中，并拍攝現(xiàn)場(chǎng)照片；(3)人員定位,巡檢人員在巡檢過程中，通過 GPS定位技術(shù)實(shí)時(shí)顯示人員當(dāng)前所在的位置；(4)軌跡記錄,在巡檢人員巡檢過程中，系統(tǒng)通過GPS定位技術(shù)，將人員巡檢軌跡自動(dòng)保存，并在后臺(tái)服務(wù)器中顯示，對(duì)人員巡檢工作起到監(jiān)督作用。

數(shù)據(jù)管理包括：(1)數(shù)據(jù)查看,巡檢人員可隨時(shí)查看已經(jīng)巡檢的缺陷信息；(2)數(shù)據(jù)編輯,巡檢人員可以對(duì)巡檢信息中的錯(cuò)誤信息進(jìn)行刪除或修改操作；(3)數(shù)據(jù)上傳,巡檢任務(wù)完成后,巡檢人員通過GPRS或者USB連接服務(wù)器將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器。功能框圖如圖2所示。

圖2 輸電線路智能巡檢系統(tǒng)功能圖

2 GPS偽距精度提高

在進(jìn)行巡檢時(shí)，巡檢人員將數(shù)據(jù)庫中待巡線路的任務(wù)信息下載到掌上電腦中。巡檢時(shí)掌上電腦將當(dāng)前位置信息與基準(zhǔn)定位信息進(jìn)行比較，確定是否到達(dá)指定巡檢點(diǎn),并將巡檢人員位置在PDA屏幕中顯示，系統(tǒng)會(huì)將人員巡檢軌跡的GPS信息自動(dòng)存儲(chǔ)在SD卡(Secure Digital Memory Card)中。GPS的定位準(zhǔn)確與否將直接影響到巡檢的開展和完成。為了提高巡檢效率，要求GPS接收機(jī)能在短期內(nèi)得到合理精度的定位[2]。可以利用載波相位的變化來平滑偽距，從而提高偽距觀測(cè)定位精度，這樣利于實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)GPS導(dǎo)航定位。相位平滑偽距觀測(cè)值的精度大約為30～60 cm，并且低高度角的衛(wèi)星觀測(cè)殘差變化抖動(dòng)較大，精度也更低，而高度角較大的衛(wèi)星觀測(cè)值殘差較小，變化也更為平緩[3]。

2.1 相位和偽距觀測(cè)方程

GPS衛(wèi)星采用兩個(gè)載波(L1、L2)頻率來發(fā)射衛(wèi)星信號(hào),L1、L2的頻率分別為 f1=1575.42 MHz,f2=1227.60 MHz。由于相位和偽距觀測(cè)值除了觀測(cè)噪聲、多路徑效應(yīng)和電離層影響外，其他影響都一樣[3]。相位和偽距觀測(cè)方程為：

式中， ρ為星站間的距離；nL1、nL2分別為 L1、L2相應(yīng)的相位模糊度參數(shù)；λL1、λL2為相應(yīng)的相位波長；ΦL1、ΦL2為相應(yīng)的相位觀測(cè)值；PL1、PL2為相應(yīng)的偽距觀測(cè)值；ΔdionL1、ΔdionL2為相應(yīng)的電離層折射影響；ΔdΦL1、ΔdΦL2、εΦL1、εΦL2和 ΔdPL1、ΔdPL2、εPL1、εPL2為相應(yīng)相位和偽距的多路徑效應(yīng)影響和觀測(cè)值噪聲。

由于相位多路徑效應(yīng)影響和觀測(cè)噪聲很小，可以忽略；并考慮到一定歷元內(nèi)，偽距的多路徑效應(yīng)影響和觀測(cè)值噪聲的均值為零，電離層折射變化很小，可視為常數(shù)，有：

其中,k=1,2表示相應(yīng)的 L1、L2；j=1,2,…，i為歷元序號(hào)。

2.2 消除電離層影響的雙頻相位平滑偽距法

對(duì)于電離層影響，利用雙頻觀測(cè)值組合消除一階項(xiàng)電離層影響后，剩余的高階項(xiàng)影響大約為2～4 cm。解決周跳的問題常采用三差法、相位擬合法等。根據(jù)λL1ΦL1-λL2ΦL2的變化，精確發(fā)現(xiàn)周跳，若發(fā)生周跳，則標(biāo)記出發(fā)生周跳的歷元，把此歷元之前的數(shù)據(jù)作為一個(gè)數(shù)據(jù)弧段，并將權(quán)重重新設(shè)定；從下一個(gè)歷元重新開始計(jì)算探測(cè)周跳，重復(fù)上述工作直到數(shù)據(jù)結(jié)束。

消除電離層影響的偽距和相位觀測(cè)值為[4]：

其中，g=f1/f2， 為 L1、L2 載波頻率的比值；Pc、Φc分別為各衛(wèi)星消除電離層影響后的偽距和相位觀測(cè)值。

取i個(gè)歷元上的平均值，根據(jù)式(5)，有：

平滑后偽距為：

其中，<λcnc>i為 λcnc在第 i個(gè)歷元上的平滑值。

利用已清除周跳的消去電離層延遲影響的相位觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)偽距進(jìn)行平滑：

利用此方法得到的平滑偽距精度比較高，一般可以達(dá)到分米級(jí)[3]。

3 軌跡記錄的防丟包軟件設(shè)計(jì)

在整個(gè)輸電線路智能巡檢系統(tǒng)中，GPS定位技術(shù)在人員定位、巡檢線路導(dǎo)航、軌跡錄入中起到關(guān)鍵性作用。在輸電線路智能巡檢系統(tǒng)運(yùn)行過程中，系統(tǒng)會(huì)定時(shí)地自動(dòng)存儲(chǔ)人員所在位置的經(jīng)緯度坐標(biāo)，可以在地圖中實(shí)時(shí)顯示人員所在位置。當(dāng)上傳數(shù)據(jù)到服務(wù)器時(shí)，將記錄軌跡坐標(biāo)文件上傳至服務(wù)器；在后臺(tái)網(wǎng)頁查詢?nèi)蝿?wù)時(shí)，可在網(wǎng)頁地圖中顯示人員的巡檢軌跡。

在巡檢過程中，由于人員操作、周邊高壓環(huán)境、硬件存儲(chǔ)延時(shí)等多種因素影響，造成巡檢軌跡丟包現(xiàn)象。針對(duì)巡檢過程中一些不可避免的因素影響GPS信息數(shù)據(jù)的錄入，最有效的方法是采用軟件編程的方法[5]對(duì)軌跡記錄進(jìn)行定時(shí)檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到GPS信息數(shù)據(jù)沒有保存時(shí)對(duì)工作人員發(fā)送提示，以便工作人員及時(shí)采取措施，以避免大量軌跡數(shù)據(jù)丟包,其軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示。

圖3 軟件流程圖

在軌跡坐標(biāo)監(jiān)測(cè)程序中,設(shè)置兩個(gè)時(shí)間變量 t1、t2及經(jīng)度變量clon和緯度變量clat。在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)。系統(tǒng)時(shí)鐘會(huì)自動(dòng)開始工作，同時(shí)將時(shí)間賦值給t1、t2開始計(jì)時(shí)。軌跡坐標(biāo)為每20 s記錄一次，考慮到巡檢人員可能會(huì)在桿塔附近錄入缺陷信息，所以設(shè)定每60 s監(jiān)測(cè)一次。具體流程為：判斷 t1是否等于 20 s，若 t1=20 s，則錄入此時(shí)的經(jīng)緯度坐標(biāo)，并將經(jīng)緯度坐標(biāo)值賦值給經(jīng)度變量clon和緯度變量 clat，t1清 0，重新計(jì)時(shí)；若 t1不等于 20 s，則繼續(xù)計(jì)時(shí)。判斷t2是否等于 60 s，若t2=60 s，則判斷此時(shí)記錄的經(jīng)緯度坐標(biāo)是否與上一次賦值給clon、clat的值一樣。若與上一次賦值給 clon、clat的值一樣，則此次坐標(biāo)采集失敗，系統(tǒng)將報(bào)錯(cuò)給巡檢人員“軌跡坐標(biāo)錄入失敗”，巡檢人員可原地等待系統(tǒng)再次錄入坐標(biāo)信息；若不一樣，則坐標(biāo)采集成功，t2清 0，重新計(jì)時(shí)。若 t2不等于60 s,則繼續(xù)計(jì)時(shí)。通過此功能，可以有效避免軌跡坐標(biāo)的錄入的大量丟包現(xiàn)象，確保人員巡檢軌跡的完整。

GPS定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)了時(shí)間和空間的數(shù)據(jù)采集，對(duì)電力系統(tǒng)掌握線路的運(yùn)行狀況及周圍環(huán)境的變化、發(fā)現(xiàn)設(shè)施缺陷和危及線路安全的隱患起到了非常積極的作用，保證了線路的安全和電力系統(tǒng)穩(wěn)定。在使用PDA的輸電線路智能巡檢系統(tǒng)進(jìn)行電力巡檢的過程中，出現(xiàn)頻繁的軌跡丟包、軌跡不全等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了輸電線路巡檢的質(zhì)量。本文重點(diǎn)通過平滑雙頻相位平滑偽距法提高GPS精度，利用軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)GPS信息數(shù)據(jù)的定時(shí)檢測(cè)，可以有效避免軌跡數(shù)據(jù)的大量丟包情況，對(duì)人員巡檢工作起到良好的監(jiān)督和輔助作用，保證高壓線路智能巡檢工作的順利進(jìn)行，提高電力智能巡檢的質(zhì)量，對(duì)電力系統(tǒng)安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有非常重要的意義。

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