基于高精度GPS定位的輸電線路檢修安全措施管理系統(tǒng)開發(fā)

王身麗，胡 川，王偉東，姚 俊，孫繼雄，黃梁偉，付 裕

（國網(wǎng)湖北省電力公司檢修公司，湖北 武漢 430050）

0 引言

隨著我國社會、經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，電能作為清潔、高效的二次能源，在國民的生產(chǎn)和生活中的需求持續(xù)增長。為滿足電源大規(guī)模集中投產(chǎn)和用電負(fù)荷增長的需要，我國電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大。電力網(wǎng)絡(luò)中的超高壓、特高壓輸電線路，在電能的大規(guī)模、跨區(qū)域、高效率傳輸中扮演著重要角色[1]。然而，這些輸電線路長期暴露在自然環(huán)境中，不僅承受正常機(jī)械載荷和電力負(fù)荷的內(nèi)部壓力，而且遭受污穢、大風(fēng)、雷擊等外界因素的侵害，使輸電線路上的各種金具、設(shè)備發(fā)生腐蝕、老化，對電能的安全可靠輸送帶來威脅。目前，輸電線路的檢修工作是生產(chǎn)管理的重要內(nèi)容之一。

輸電線路的檢修包括“檢查、修理”兩項(xiàng)內(nèi)容，是通過巡視、檢查和在線監(jiān)測等發(fā)現(xiàn)的設(shè)備缺陷和種類異常，進(jìn)行分析、歸納、總結(jié)，及時(shí)安排線路設(shè)備的計(jì)劃停電或帶電檢修[2]。輸電線路的檢修工作需要考察實(shí)際現(xiàn)場的設(shè)備現(xiàn)狀、作業(yè)環(huán)境、危險(xiǎn)點(diǎn)及交叉跨越等，編制檢修項(xiàng)目的施工方案。國家電網(wǎng)公司雖然出臺了一系列輸電線路檢修規(guī)范，但在每次輸電線路檢修過程中，所采用的安全措施并不完全相同，增加了輸電線路檢修安全管理的難點(diǎn)。

此外，輸電線路檢修的安全措施監(jiān)管采用工作票制度，檢修人員在執(zhí)行或傳達(dá)命令時(shí)，存在操作錯誤或遺漏的可能。特別是在檢修過程中，接地線的掛接與拆除問題，雖然操作方法簡單，但是操作次數(shù)頻繁，而且接地線掛接位置的臨時(shí)更換等因素影響，容易讓檢修人員產(chǎn)生松懈思想，忽視了接地線的裝設(shè)與拆除重要性，導(dǎo)致惡性誤操作事故發(fā)生。如2007年12月湖南110 kV天黃線全線清抹絕緣子工作中，由于未拆除臨時(shí)接地線，而發(fā)生帶地線合斷路器的惡性電氣誤操作事故。2016年4月山東220 kV興東二線檢修工作中，由于線路側(cè)未掛接地線，造成感應(yīng)電觸電死亡。

目前國內(nèi)外對電力系統(tǒng)檢修工作中掛、拆接地線存在的問題研究較多。長治電力公司共同研制了變電站接地線狀態(tài)電子管理顯示系統(tǒng)，能夠自動統(tǒng)計(jì)現(xiàn)場已裝設(shè)接地線和接 地刀閘的數(shù)量，起到較好的顯示和提示作用。但是系統(tǒng)安裝在變電站控制室內(nèi)，在輸電線路的檢修工作中難于應(yīng)用[3]。云南電網(wǎng)公司研制的線路檢修及接地線狀態(tài)監(jiān)視預(yù)警系統(tǒng)，利用檢修人員的掌上電腦（PDA）、臨時(shí)接地線條形編碼等，將現(xiàn)場信息通過GPRS無線傳輸?shù)较到y(tǒng)后臺管理程序[4]。此外，華北電力大學(xué)提出了基于RFID和Zigbee的作業(yè)現(xiàn)場接地線管控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[5]，西安理工大學(xué)提出了基于手持設(shè)備的電力檢修作業(yè)地線掛接信息管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[6]等。在這些設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)硬件裝置有些過于復(fù)雜，在輸電線路檢修的戶外操作時(shí)有難度；有些在接地線的位置以及狀態(tài)等信息收集方面，精度不高，易受人為因素影響，帶來了安全隱患。

本文從輸電線路檢修過程中，安全措施的管理入手，提出了一種基于高精度GPS的輸電線路檢修安全管理系統(tǒng)開發(fā)。本系統(tǒng)不但實(shí)時(shí)監(jiān)控在檢修過程中各種設(shè)備的執(zhí)行狀態(tài)，也對檢修操作人員的操作效果進(jìn)行評估。設(shè)備的狀態(tài)位置信息，通過高精度GPS裝置發(fā)送到管理系統(tǒng)，為調(diào)度人員和輸電線路檢修管理人員提供相關(guān)的檢修狀態(tài)信息，提高輸電線路檢修管理效率和質(zhì)量，避免在檢修過程中安全事故的發(fā)生。

1 管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

輸電線路檢修安全措施管理系統(tǒng)由現(xiàn)場終端設(shè)備和后臺管理系統(tǒng)兩部分組成。其中，現(xiàn)場終端設(shè)備負(fù)責(zé)采集檢修現(xiàn)場重要設(shè)備的位置以及狀態(tài)等信息，并實(shí)時(shí)發(fā)送到遠(yuǎn)方的后臺管理系統(tǒng)。后臺管理系統(tǒng)在收到這些信息后自動進(jìn)行處理，當(dāng)出現(xiàn)檢修安全措施異常時(shí)發(fā)出警報(bào)。

后臺管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包括檢修方案設(shè)置、安全措施設(shè)置、定位顯示、檢修狀態(tài)評估、權(quán)限管理等模塊組成，如圖1所示。

圖1 管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Diagram of the management system

檢修方案設(shè)置模塊是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化管理規(guī)定，結(jié)合待檢修的項(xiàng)目以及現(xiàn)場的情況等，預(yù)先編制的檢修作業(yè)指導(dǎo)方案，是開展檢修前的準(zhǔn)備工作。

安全措施設(shè)置模塊包含兩個(gè)方面，一是在準(zhǔn)備階段進(jìn)行的安全措施，二是在檢修過程中臨時(shí)設(shè)置的安全措施。在管理系統(tǒng)中，所有的安全措施均需要進(jìn)行記錄，并進(jìn)行監(jiān)控。

定位顯示模塊是對檢修過程中的人員，工具等進(jìn)行定位，并與接收到的檢修過程信息合并，在地圖上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，為檢修管理人員提供直觀的檢修狀態(tài)信息。

檢修狀態(tài)評估模塊根據(jù)檢修人員傳回的檢修過程信息，包括文字，圖像，語音等，結(jié)合檢修人員與設(shè)備的實(shí)時(shí)位置、狀態(tài)，根據(jù)檢修規(guī)程規(guī)范，智能的對輸電線路檢修的安全措施進(jìn)行評估。如果發(fā)現(xiàn)安全措施出現(xiàn)異常，將會發(fā)出報(bào)警信息。

權(quán)限管理設(shè)置模塊是根據(jù)管理系統(tǒng)使用人員的身份不同，開放相應(yīng)的功能給使用者。檢修管理人員可以對檢修方案、安全措施等進(jìn)行修改。而系統(tǒng)維護(hù)人員則可以對報(bào)警設(shè)置模塊、通信設(shè)置模塊進(jìn)行調(diào)整。

報(bào)警設(shè)置模塊可以設(shè)置發(fā)光、聲、短信、彩信、無線語音通話等不同方式，將檢修過程中出現(xiàn)的異常情況通知給檢修管理人員。

通信設(shè)置模塊是管理系統(tǒng)與現(xiàn)場設(shè)備之間進(jìn)行通信的模塊，現(xiàn)場設(shè)備信息可以通過建立好的信道自動傳輸?shù)桨踩胧┕芾硐到y(tǒng)。

報(bào)表打印模塊可以將檢修作業(yè)信息打印輸出，為檢修工作保留文字記錄。

2 安全措施管理的關(guān)鍵技術(shù)

在輸電線路安全措施管理系統(tǒng)中，如何有效、準(zhǔn)確的獲得檢修現(xiàn)場各種設(shè)備、設(shè)施的狀態(tài)信息是關(guān)鍵。為此，高精度的GPS定位技術(shù)與穩(wěn)定的現(xiàn)場與后臺通信技術(shù)顯得尤其重要。

2.1 高精度GPS定位技術(shù)

全球定位系統(tǒng)GPS是一種以空間衛(wèi)星為基礎(chǔ)的無線導(dǎo)航與定位系統(tǒng)[7]，能為全球用戶提供低成本、高精度的三維位置、速度和精確定時(shí)等導(dǎo)航信息，極大的提高了現(xiàn)代社會的信息化水平。GPS定位的基本原理是通過測量出多顆已知位置的衛(wèi)星到用戶接收機(jī)之間的距離，來計(jì)算出接收機(jī)所在位置信息。實(shí)際定位過程中，由于存在時(shí)鐘不同步、大氣傳播延遲、多路徑效應(yīng)等多種誤差，定位精度很難保證。

基于偽距的GPS定位誤差可以估計(jì)為

其中，ε為GPS解的誤差，GDOP為幾何精度因子，ε0是偽距測量中的誤差。幾何精度因子GDOP是觀測衛(wèi)星的空間幾何分布對定位精度的影響，可由接收機(jī)到可視衛(wèi)星的方向余弦矩陣G計(jì)算得到。

設(shè)未知參數(shù)的權(quán)系數(shù)矩陣M為，

則

為了提高計(jì)算精度，常用的方法是增加計(jì)算所用的可視衛(wèi)星數(shù)量或多星座導(dǎo)航定位。但在計(jì)算過程中，矩陣G的階數(shù)也隨之增加，采用傳統(tǒng)的方法計(jì)算效率低。此外，矩陣M的條件數(shù)增大，在進(jìn)行最小二乘法的定位求解時(shí)，計(jì)算過程變得不穩(wěn)定，誤差變大。

考慮到幾何精度因子GDOP是矩陣M主對角線元素的函數(shù)，在實(shí)際計(jì)算中，可以不用計(jì)算出矩陣M中非對角線元素，以降低計(jì)算量。利用對稱矩陣GTG的LU分解算法，

式中：U為單位上三角矩陣；D為對角矩陣。幾何精度因子GDOP就可以利用矩陣U-1和矩陣D-1中的元素計(jì)算得到。在定位計(jì)算中，通過衡量幾何精度因子GDOP的大小，選擇合適的可視衛(wèi)星，不但提高了計(jì)算精度，也大大減少了定位計(jì)算所需要的時(shí)間。

2.2 穩(wěn)定的GPRS通信技術(shù)

在檢修過程中，現(xiàn)場終端設(shè)備與后臺管理系統(tǒng)之間的穩(wěn)定通信是保證管理系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行的前提。考慮到輸電線路的檢修地點(diǎn)跨越區(qū)域大，無線GPRS數(shù)據(jù)傳輸單元能夠有效、穩(wěn)定的實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場的信息到后臺管理系統(tǒng)的檢修狀態(tài)傳輸。GPRS數(shù)據(jù)傳輸單元具有內(nèi)部集成TCP/IP協(xié)議棧，即有GPRS撥號上網(wǎng)的功能，也有TCP/IP數(shù)據(jù)通信的能力。同時(shí)，它還提供串口數(shù)據(jù)雙向轉(zhuǎn)換功能，支持自動心跳技術(shù)，能夠保持永久在線。

在現(xiàn)場終端設(shè)備上，低功耗ARM Cortex-M內(nèi)核32位STM32L151C8微控制器，與聯(lián)發(fā)科技MT2503S高集成、微型GPS及GPRS模塊結(jié)合應(yīng)用。具體的通信流程為：在設(shè)備開機(jī)后，先檢測信號狀態(tài)；若信號強(qiáng)度符合要求，立即向服務(wù)器發(fā)送IMEI登錄信息包注冊設(shè)備，建立通信鏈接；設(shè)備在5 s內(nèi)收到服務(wù)器響應(yīng)數(shù)據(jù)包，則認(rèn)為通信鏈接正常；如果設(shè)備連續(xù)嘗試3次與服務(wù)器建立鏈接失敗，接收不到服務(wù)器響應(yīng)數(shù)據(jù)包，則認(rèn)為建立通信鏈接條件不充足，將在20 min后重新嘗試；當(dāng)成功建立通信鏈接后，設(shè)備按照1 min 1次的心跳頻率向服務(wù)器發(fā)送狀態(tài)信息包，服務(wù)器應(yīng)在接收到信息后，盡快向設(shè)備發(fā)送通信響應(yīng)數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

本系統(tǒng)目前已經(jīng)應(yīng)用于湖北國網(wǎng)電力公司檢修公司，在輸電線路檢修過程中對安全措施管理起到了良好的監(jiān)控作用，同時(shí)也提高了檢修管理效率，促進(jìn)了檢修管理的規(guī)范化。

現(xiàn)場終端設(shè)備體積小，重量輕，內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2所示?，F(xiàn)場終端設(shè)備具有防雨、防潮、防塵、防腐蝕措施，外殼的防護(hù)性能應(yīng)符合GB 4208規(guī)定的IP65級要求，裝置適應(yīng)桿塔上強(qiáng)電磁干擾環(huán)境，并應(yīng)充分考慮線路人員的高空作業(yè)環(huán)境，安裝簡單方便，如圖3所示。

圖2 現(xiàn)場終端設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Internal structure of the terminal unit in the system

圖3 現(xiàn)場終端設(shè)備固定在線纜接頭示意圖Fig.3 Installation diagram of the terminal unit on the cable joint

后臺管理系統(tǒng)能夠與現(xiàn)場終端設(shè)備的可靠通信，并獲得設(shè)備的準(zhǔn)確信息。系統(tǒng)操作簡單，檢修信息顯示直觀方便，檢修狀態(tài)的智能評估為輔助檢修管理人員進(jìn)行安全漏洞的排查提供了便捷手段，提高了輸電線路檢修工作的安全性。管理系統(tǒng)的有關(guān)顯示界面如圖4所示。

圖4 管理系統(tǒng)的顯示界面Fig.4 Interface of the management system

4 結(jié)論

本文從輸電線路檢修的安全措施管理出發(fā)，介紹了所開發(fā)的輸電線路檢修安全管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用高精度的GPS定位技術(shù)以及可靠的GPRS通信技術(shù)，對輸電線路檢修狀態(tài)、安全措施進(jìn)行評估和監(jiān)控，為檢修管理人員及電網(wǎng)調(diào)度人員提供直觀、可靠的輸電線路檢修信息，避免在檢修過程中由于安全措施的疏漏而出現(xiàn)的安全事故。本系統(tǒng)的硬件設(shè)備成本低、可靠性好，不僅規(guī)范了檢修安全管理，也提升了檢修工作效率，具有良好的推廣應(yīng)用前景。

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