基于北斗定位技術(shù)的輸電桿塔運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)研究與應(yīng)用

黃紅兵，張 辰，劉俊毅，章 毅，鐘一俊

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司信息通信分公司，杭州 310007）

1 引言

電網(wǎng)承擔(dān)著社會(huì)發(fā)展和人民生活供用電的重要任務(wù)，政府和社會(huì)對(duì)供電企業(yè)輸電、配電、供電的可靠性要求越來(lái)越高。當(dāng)前，跨地區(qū)、跨流域的輸電線路在我國(guó)已普遍建立，這雖然為民眾的生產(chǎn)、生活帶來(lái)了極大的便利，但在一些地形復(fù)雜，采空區(qū)較多的區(qū)域卻很容易出現(xiàn)輸電桿塔傾斜、沉降、位移問(wèn)題，由此導(dǎo)致的桿塔倒伏、線路拉力與弧垂改變往往會(huì)直接影響輸電線路的正常運(yùn)行[1]。并且，大多數(shù)輸電桿塔地處偏遠(yuǎn)，工作環(huán)境惡劣，經(jīng)常會(huì)遭受各種人為破壞（如盜竊電力設(shè)施等）或自然災(zāi)害的襲擊（如暴風(fēng)雨、覆冰等），歷史上也曾多次發(fā)生倒桿斷線的嚴(yán)重事故，給國(guó)家和電力企業(yè)帶來(lái)了重大的經(jīng)濟(jì)損失和極其不良的社會(huì)影響。

為了避免輸電桿塔的正常運(yùn)行受到影響，長(zhǎng)期以來(lái)，電力企業(yè)對(duì)桿塔的運(yùn)行維護(hù)主要依賴于人工的定期巡視和檢修，但這種方法工作效率低下，維護(hù)成本較高。由于桿塔的傾斜、沉降、位移隱患是一個(gè)由量變到質(zhì)變的過(guò)程，人工巡視在監(jiān)測(cè)結(jié)果上也存在著局限性，易造成對(duì)電力桿塔隱患的漏判[2]。輸電桿塔一直處于缺少監(jiān)管維護(hù)的狀態(tài)，因此亟需一種高精度的桿塔狀態(tài)信息獲取方式，對(duì)桿塔異常情況進(jìn)行分析，并通過(guò)高可靠通信方式將狀態(tài)信息傳送至分析處理平臺(tái)[3]。隨著無(wú)線通信以及北斗定位技術(shù)的日漸成熟，輸電桿塔的狀態(tài)監(jiān)測(cè)課題獲得了新的研究思路和強(qiáng)而有力的技術(shù)支持[4-5]。本文通過(guò)研究與輸電桿塔相適應(yīng)的多元分布式北斗定位接收裝置的運(yùn)行特性，進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)和精度分析，研制了一種定位接收裝置，可依托定位數(shù)據(jù)完成桿塔傾斜、沉降及移位等異常狀態(tài)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)桿塔遠(yuǎn)程無(wú)人值守和異常狀態(tài)實(shí)時(shí)預(yù)警。

2 北斗定位技術(shù)

北斗定位技術(shù)是一種基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的定位技術(shù)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國(guó)自行研制的全球衛(wèi)星定位與通信系統(tǒng)，可全天候、全天時(shí)為各類用戶提供高精度和高可靠的定位、導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù)[6]。本文在圍繞北斗定位技術(shù)展開研究時(shí)，主要以北斗差分定位算法為核心。該算法理論上可有效降低甚至消除各種測(cè)量誤差，但為了保證定位結(jié)果的高精度，可能引起定位誤差的星時(shí)鐘誤差、衛(wèi)星星歷誤差、電離層延時(shí)誤差、對(duì)流層延時(shí)誤差、接收機(jī)多路徑效應(yīng)以及接收機(jī)噪聲也需要引起我們的重視[7]。

3 輸電桿塔運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

圖1 桿塔狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在基于北斗定位技術(shù)展開輸電桿塔運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)研究時(shí)，為了能夠真正利用監(jiān)測(cè)預(yù)警的功能來(lái)保障輸電桿塔的安全，實(shí)際配套設(shè)計(jì)了完整的桿塔運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)共由監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)站、監(jiān)測(cè)移動(dòng)站和監(jiān)控中心三部分組成，表1對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的各組成部分進(jìn)行了說(shuō)明。

表1 桿塔狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

根據(jù)表1，可以較為直觀地了解北斗定位技術(shù)應(yīng)用在桿塔運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)上的系統(tǒng)部署。圖1對(duì)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也進(jìn)行了展示。

4 輸電桿塔運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 輸電桿塔運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

對(duì)于桿塔運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)站、監(jiān)測(cè)移動(dòng)站是系統(tǒng)硬件方面的主要組成，圖2展示了監(jiān)測(cè)移動(dòng)站的硬件結(jié)構(gòu)。監(jiān)測(cè)移動(dòng)站由供電系統(tǒng)、微控制器控制系統(tǒng)、北斗定位系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)等硬件模塊組成，能夠真正在北斗定位技術(shù)的支持下服務(wù)于桿塔的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)。而對(duì)于監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)站來(lái)說(shuō)，其硬件結(jié)構(gòu)與監(jiān)測(cè)移動(dòng)站類似，二者的差異僅在于傾角數(shù)據(jù)的采集部分，為此本文對(duì)監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)站的硬件設(shè)計(jì)不多做贅述。

圖2 監(jiān)測(cè)移動(dòng)站的硬件結(jié)構(gòu)

（1）電源電路是系統(tǒng)硬件的關(guān)鍵組成部分。為了實(shí)現(xiàn)桿塔運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，考慮到鋰電池供電的不穩(wěn)定性，在電源設(shè)計(jì)方案中確定了雙電源供電策略。

（2）對(duì)STM32F103微控制器這一硬件模塊來(lái)說(shuō)，其本身具備安全、可靠、低功耗、精密等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)也使得該微控制器能夠較好地滿足桿塔運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)需求。

（3）針對(duì)電源控制電路，考慮到北斗與GPRS通信模塊為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要功耗來(lái)源，為了滿足硬件系統(tǒng)對(duì)于功耗的較高要求，采用了電池供電設(shè)備以及模塊不工作時(shí)關(guān)閉其電源供電的控制方式。

（4）對(duì)于射頻模塊，其主要用于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性強(qiáng)、穩(wěn)定性高、通信成本低廉的無(wú)線通信功能，在實(shí)際應(yīng)用中選用了5.8GHz無(wú)線數(shù)傳模塊，該模塊適用于電池供電系統(tǒng)，本身也能夠滿足監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)于無(wú)線通信的數(shù)據(jù)傳輸需求；對(duì)于GPRS通信模塊，其主要負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)站與Internet的通信數(shù)據(jù)傳輸。

（5）北斗模塊屬于輸電桿塔運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心組件，為了能夠精確監(jiān)測(cè)桿塔的方位參數(shù)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初便選定了北斗載波相位差分技術(shù)，用以實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)的運(yùn)行狀態(tài)測(cè)量。

4.2 輸電桿塔運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本節(jié)針對(duì)該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行說(shuō)明，這部分主要分為微處理器應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)和監(jiān)控中心服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)方面。

4.2.1 微處理器應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

鼻內(nèi)鏡手術(shù)后，術(shù)后護(hù)理主要包括填塞護(hù)理、健康教育、飲食護(hù)理、出院指導(dǎo)?；颊弑乔粺苿?chuàng)面敷以涂好金霉素眼膏的明膠海綿，囑咐患者明膠海綿可以保護(hù)創(chuàng)面，防止鼻腔粘連。明膠海綿可以自行吸收，患者無(wú)需將其取出。告知患者出院后需要規(guī)律服藥，控制血壓，根據(jù)心內(nèi)科醫(yī)生的建議積極治療高血壓，預(yù)防并發(fā)癥。保持良好心情，避免心情波幅太大[5]。健康合理飲食，建議低脂低鹽飲食，富含維生素及纖維素清淡易消化的軟食。保持大便通暢，避免用力排便而引起再次出血。戒煙戒酒，不劇烈運(yùn)動(dòng)，注意休息[6]。由于老年患者記憶力較差，我們制作了鼻出血出院指導(dǎo)手冊(cè)，增強(qiáng)患者的依從性，提高手術(shù)療效。

對(duì)于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的微處理器應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)，實(shí)際中選擇了Keil MDK開發(fā)環(huán)境來(lái)完成具體軟件功能的開發(fā)，這一選擇主要是由于Keil MDK能夠較好滿足M3/M1/M0/M4內(nèi)核微處理器的相關(guān)設(shè)計(jì)需求。由于Keil MDK所屬公司提供了較為完整的STM32設(shè)備固件庫(kù)，這使得進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)無(wú)需編寫驅(qū)動(dòng)函數(shù)。由此，確定了微處理器應(yīng)用軟件的開發(fā)流程，即：“開始→系統(tǒng)初始化→兩監(jiān)測(cè)站接收北斗數(shù)據(jù)→兩監(jiān)測(cè)站接收到同一歷元數(shù)據(jù)→采集桿塔傾角數(shù)據(jù)→數(shù)據(jù)打包并交由GPRS模塊轉(zhuǎn)發(fā)”。在確定微處理器應(yīng)用軟件開發(fā)流程后，就可以開展監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)站與移動(dòng)站的軟件設(shè)計(jì)和低功耗設(shè)計(jì)。

（1）在監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)站與移動(dòng)站的軟件設(shè)計(jì)中，考慮到監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)站常處于運(yùn)行狀態(tài)，而監(jiān)測(cè)移動(dòng)站常處于低功耗狀態(tài)，特選用前、后臺(tái)程序設(shè)計(jì)的方式來(lái)進(jìn)行基準(zhǔn)站與移動(dòng)站的軟件設(shè)計(jì)。具體地，選擇各個(gè)中斷服務(wù)函數(shù)ISR作為前臺(tái)程序，選擇死循環(huán)while作為后臺(tái)程序。對(duì)于后臺(tái)程序進(jìn)行的數(shù)據(jù)發(fā)送與接收、數(shù)據(jù)采集等功能來(lái)說(shuō)，根據(jù)事件標(biāo)志位進(jìn)行對(duì)應(yīng)函數(shù)的調(diào)用是相關(guān)功能實(shí)現(xiàn)的依據(jù)，而前臺(tái)包含的中斷服務(wù)程序等功能的實(shí)現(xiàn)則需要得到北斗衛(wèi)星和監(jiān)控中心指令所對(duì)應(yīng)的事件標(biāo)志位的支持。

（2）低功耗設(shè)計(jì)主要是為了降低整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功耗，為了能夠?qū)崿F(xiàn)這一目標(biāo)，就必須通過(guò)硬件與軟件的相互配合來(lái)控制電源功能。為了進(jìn)一步地實(shí)現(xiàn)功耗降低，將北斗模塊的3.3V電源控制引腳改為PD.9 IO引腳，并通過(guò)軟件讓主控CPU切斷模塊的供電使能引腳，通信引腳帶來(lái)的功耗就將降低。此時(shí)所有的通信引腳將進(jìn)入睡眠狀態(tài)，這就形成了桿塔運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的非通信模式，低功耗的目標(biāo)也自然實(shí)現(xiàn)。

4.2.2 監(jiān)控中心服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控中心服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)是系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的重要組成。實(shí)際中選擇C/S架構(gòu)來(lái)開展具體設(shè)計(jì)，編程語(yǔ)言采用Visual C#，結(jié)合ADO.NET數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)技術(shù)，監(jiān)控中心服務(wù)器軟件便能在各版本W(wǎng)indows操作系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。在北斗載波相位差分算法定位的支持下，桿塔運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)功能也由此真正得以實(shí)現(xiàn)。

5 監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證所研究的輸電桿塔運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)用性，實(shí)際中將研制的實(shí)體裝置安裝在±800kV賓金線的3350桿塔上進(jìn)行測(cè)試。在完成現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)試控制后，輸電桿塔運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)便開始正式投入使用。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，桿塔的水平偏移、垂直偏移和傾斜角度都能夠在監(jiān)控中心的服務(wù)器軟件中直觀展示，下面針對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行說(shuō)明。

5.1 數(shù)據(jù)處理中心軟件監(jiān)測(cè)點(diǎn)星空?qǐng)D

“數(shù)據(jù)處理”是GNSS（Global Navigation Satellite System）自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心組成，“數(shù)據(jù)處理”結(jié)果精度的高低關(guān)系到對(duì)桿塔穩(wěn)定性的分析準(zhǔn)確度，進(jìn)而會(huì)影響到運(yùn)維管理人員的決策。在本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，“數(shù)據(jù)處理”主要指對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)各GNSS原始數(shù)據(jù)的采集控制，用以在數(shù)據(jù)處理的同時(shí)完成各GNSS原始數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)、輸入與處理以及設(shè)備故障診斷等功能。

圖3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)星空?qǐng)D

圖3為經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理得到的監(jiān)測(cè)點(diǎn)星空?qǐng)D，由此可以看出當(dāng)前監(jiān)測(cè)點(diǎn)接收到的衛(wèi)星顆數(shù)。接收到的衛(wèi)星數(shù)量越多，定位精度就越高，當(dāng)接收到的衛(wèi)星顆數(shù)少于4顆時(shí)不能定位。系統(tǒng)軟件支持GPSGLONASS聯(lián)合解算、單系統(tǒng)解算和任意組合系統(tǒng)解算，用戶可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程配置接收機(jī)，系統(tǒng)軟件支持查看站點(diǎn)當(dāng)前接收的衛(wèi)星數(shù)量等信息。

5.2 位移曲線變化圖

HCMonitor是為滿足自動(dòng)化監(jiān)測(cè)應(yīng)用的需求而研發(fā)的自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)服務(wù)軟件。以HCMonitor為核心的變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)GNSS接收機(jī)只需要輸出GNSS的原始數(shù)據(jù)和星歷，數(shù)據(jù)會(huì)將通過(guò)廣域網(wǎng)、局域網(wǎng)絡(luò)、串口和無(wú)線設(shè)備等傳到控制中心?？刂浦行牡腍CMonitor軟件將根據(jù)每臺(tái)GNSS接收機(jī)對(duì)應(yīng)的IP地址和端口號(hào)，獲得每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的原始實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，從而對(duì)這些原始數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)差分解算，得到各個(gè)監(jiān)測(cè)站的坐標(biāo)，并存入數(shù)據(jù)庫(kù)或發(fā)送給客戶端。利用變形分析，可以查看預(yù)警系統(tǒng)為用戶提供的變形分析折線圖，圖4為HCMonitor發(fā)布的位移曲線變化圖，據(jù)此可觀測(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在X/Y/H三個(gè)方向的變化趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)桿塔傾斜、沉降及移位的異常狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

圖4 位移曲線變化圖

5.3 客戶端軟件實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)界面

客戶端軟件主要用于訪問(wèn)服務(wù)器數(shù)據(jù)中心，以獲取數(shù)據(jù)中心上的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)中心軟件上可以設(shè)置客戶端用戶的使用權(quán)限，可實(shí)現(xiàn)分級(jí)關(guān)系，同時(shí)這一功能又實(shí)現(xiàn)了多個(gè)工程共享同一數(shù)據(jù)中心的需求。點(diǎn)擊實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查看，可以觀測(cè)各站點(diǎn)實(shí)時(shí)采集的相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。如圖5所示，通過(guò)客戶端軟件可以查看每一個(gè)輸電桿塔監(jiān)測(cè)點(diǎn)的X、Y、H軸位移數(shù)據(jù)和站點(diǎn)坐標(biāo)。另外，還可通過(guò)客戶端設(shè)置每個(gè)位移點(diǎn)的警戒值，一旦位移超過(guò)警戒值就會(huì)觸發(fā)報(bào)警并告知相關(guān)管理人員。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的系統(tǒng)投運(yùn)后發(fā)現(xiàn)，利用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)結(jié)果與人工巡檢得到的結(jié)果一致，由此可驗(yàn)證監(jiān)測(cè)裝置的實(shí)用性，該系統(tǒng)確實(shí)可以作為桿塔狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)的有效工具。

圖5 客戶端實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集

6 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)輸電桿塔實(shí)施監(jiān)控，實(shí)時(shí)掌握桿塔的各種運(yùn)行參數(shù)是實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備狀態(tài)檢修的前提，也是建設(shè)智能電網(wǎng)的一個(gè)重要組成部分。本文研究的輸電桿塔運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用了北斗定位和高精度GPS測(cè)量技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)桿塔傾斜、沉降和移位等異常狀態(tài)監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)建設(shè)完成后可在電網(wǎng)范圍內(nèi)廣泛實(shí)際應(yīng)用，能夠全面、準(zhǔn)確地提供受災(zāi)桿塔的方位，為運(yùn)維工作提供有利決策依據(jù)，提高輸電運(yùn)行維護(hù)的工作效率。

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