基于北斗差分定位的變壓器桿塔監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)研究

張 薇

(太原廣播電視大學(xué),山西 太原 030024)

0 引言

近年來，國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)加快腳步，電力作為其發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)也走在了發(fā)展前沿.我國幅員遼闊，地形多變，輸電線路在西北西南等地廣人稀的地區(qū)往往需要經(jīng)受更加嚴(yán)峻的考驗(yàn).這些地區(qū)礦區(qū)分布密集，地下采空區(qū)較多，加之天氣惡劣，變壓器桿塔承重較重，重心又偏高，變壓器桿塔就會隨著地質(zhì)變化出現(xiàn)一些不可預(yù)估的損壞，從而影響供電線路的正常運(yùn)行，造成生產(chǎn)生活不便，嚴(yán)重的還會產(chǎn)生安全事故[1].監(jiān)測山體移動，特別是變壓器桿塔傾斜、平移，采取相應(yīng)預(yù)警措施是變壓器故障預(yù)防重點(diǎn)，需著重研究，不斷完善.目前針對變壓器故障和輸電線路監(jiān)測的方法主要有：變壓器油中溶解氣體的方法，通過監(jiān)測局部放電使油、紙或油和紙分解產(chǎn)生的甲烷等氣體實(shí)現(xiàn)故障監(jiān)測；局部放電的監(jiān)測方法，大致分為超聲檢測法、光測法、化學(xué)檢測法、脈沖電流法、射頻檢測法、超高頻局部放電檢測法；變壓器繞組溫度在線監(jiān)測方法，可分為直接法、熱模擬和間接測量法[2].以上這些研究方法皆側(cè)重于變壓器內(nèi)部故障監(jiān)測，對于外界外力作用引起的變壓器機(jī)械故障并未涉及，且并未形成監(jiān)測和預(yù)警系統(tǒng).

北斗系統(tǒng)定位包括動態(tài)絕對定位和靜態(tài)絕對定位，靜態(tài)絕對定位的精度，約可達(dá)到米級，而動態(tài)絕對定位的精度僅為10～40 m.北斗系統(tǒng)相對定位，也叫差分北斗定位，它的出現(xiàn)提高了標(biāo)準(zhǔn)北斗定位的精度，目前已廣泛應(yīng)用于大地測量、精密工程測量、地球動力學(xué)等方向的研究和精密導(dǎo)航.差分北斗定位是一個(gè)測站對兩個(gè)目標(biāo)的觀測量、兩個(gè)測站對一個(gè)目標(biāo)的觀測量或一個(gè)測站對一個(gè)目標(biāo)的兩次觀測量之間進(jìn)行求差，可以實(shí)現(xiàn)消除公共誤差和公共參數(shù)的效果.北斗差分定位系統(tǒng)的工作原理即為通過站點(diǎn)間數(shù)據(jù)連通對比不同站點(diǎn)發(fā)出的數(shù)據(jù)或同一測站兩次不同數(shù)據(jù)并計(jì)算出校正后的數(shù)據(jù)完成的[3].

基于此，本文設(shè)計(jì)了一種基于北斗偽距差分定位的變壓器桿塔線路監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，系統(tǒng)基準(zhǔn)站與移動站數(shù)據(jù)來自衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理采用北斗偽距差分技術(shù)，監(jiān)測站與基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)傳輸采用射頻方式，移動站與管理中心用GPRS通訊方式.數(shù)據(jù)接收與傳輸方式合理，采用偽距差分的變壓器桿塔定位新型算法，使得桿塔傾斜與高程變化、平行與垂直移動等狀況監(jiān)測準(zhǔn)確，滿足了系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，達(dá)到了預(yù)期效果.

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

圖1 監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)框圖

設(shè)計(jì)的監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)主要由三部分構(gòu)成：系統(tǒng)基準(zhǔn)站、系統(tǒng)移動站和監(jiān)控中心.系統(tǒng)基準(zhǔn)站由微控制器、北斗定位板卡、北斗定位天線、射頻通信模塊、電池、太陽能控制器、太陽能光伏板等組成，它的工作職責(zé)在于向其輻射范圍內(nèi)的系統(tǒng)移動站點(diǎn)提供地理坐標(biāo).系統(tǒng)移動站由微控制器、北斗定位板卡、北斗定位天線、傾角傳感器、射頻通訊模塊、GPRS通訊模塊、電池、太陽能控制器、太陽能光伏板等組成，移動站的主要工作職責(zé)除了接收基準(zhǔn)站發(fā)出的地理坐標(biāo)，同樣也需要儲存本站點(diǎn)所處坐標(biāo)，之后根據(jù)不同站點(diǎn)提供多個(gè)地理坐標(biāo)信息結(jié)合北斗差分定位算法解算出更精確的位置坐標(biāo)，將數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)的公網(wǎng)動態(tài)IP+DNS解析方式接入總監(jiān)控中心.后臺總監(jiān)控中心主要負(fù)責(zé)將系統(tǒng)移動站上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，并根據(jù)存儲數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析，從而起到監(jiān)測的作用，監(jiān)控中心往往還配有打印機(jī)作為輸出硬件，對監(jiān)測到的數(shù)據(jù)輸出打印.監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)如圖1所示.

2 系統(tǒng)各部分設(shè)計(jì)

2.1 北斗差分定位原理

以上提到的系統(tǒng)基準(zhǔn)站需要選擇安置在地質(zhì)穩(wěn)定的已知坐標(biāo)點(diǎn)上，基準(zhǔn)站和移動站的北斗接收機(jī)接收來自衛(wèi)星的定位信號，基準(zhǔn)站測得偽距與該接收機(jī)解算的衛(wèi)星星歷信息作差，可以得到北斗接收機(jī)的偽距修正值.將此修正值發(fā)回到監(jiān)控中心儲存在計(jì)算機(jī)中，通過軟件進(jìn)行差分定位解算[4].

系統(tǒng)基準(zhǔn)站到衛(wèi)星i的理論距離為：

(1)

偽距為：

(2)

公式(2)與公式(1)作差，差值即為接收機(jī)偽距的改正值，將該值儲存在控制中心的計(jì)算機(jī)中，利用軟件實(shí)時(shí)處理和修正移動站的偽距觀測值，定位結(jié)算出的位置精度可達(dá)到10 cm.

2.2 系統(tǒng)基準(zhǔn)站

為了保障系統(tǒng)基準(zhǔn)站的工作，設(shè)計(jì)其能源供給來自太陽能供電系統(tǒng)，其裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 基準(zhǔn)站結(jié)構(gòu)圖

圖2給出了系統(tǒng)基準(zhǔn)站工作的硬件結(jié)構(gòu)，從圖中也能看出基準(zhǔn)站的基本工作流程：太陽能光伏板吸收太陽能，能源在控制器中轉(zhuǎn)換并儲存至鋰電池以提供整個(gè)系統(tǒng)的電流輸入;數(shù)據(jù)的采集輸入部分由北斗定位系統(tǒng)來完成，北斗定位天線主要負(fù)責(zé)提供本站點(diǎn)所處位置配合北斗定位板卡換算出具體地理位置信息并提供給基準(zhǔn)站控制單元;系統(tǒng)的控制單元主要采用32位微處理器架構(gòu)，選用ARM9處理器配合復(fù)位電路、程序自動寫入等環(huán)節(jié)共同組成數(shù)據(jù)處理單元；經(jīng)控制單元分析處理后的數(shù)據(jù)最終由射頻模塊與周圍移動站進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，傳輸頻段使用工業(yè)免費(fèi)頻段(433 MHz)將數(shù)據(jù)分享至系統(tǒng)移動站，來往數(shù)據(jù)經(jīng)過北斗差分定位解算最終得到精度較高的位置坐標(biāo)信息[5].

2.3 系統(tǒng)移動站

系統(tǒng)移動站的組成結(jié)構(gòu)和基準(zhǔn)站的組成結(jié)構(gòu)類似，大致也可分為能源供給板塊、數(shù)據(jù)采集板塊、數(shù)據(jù)分析處理板塊和數(shù)據(jù)傳輸板塊四大板塊.

圖3 移動站結(jié)構(gòu)圖

能源供給板塊的組成及工作原理和系統(tǒng)基準(zhǔn)站的相同，相較于系統(tǒng)基準(zhǔn)站，移動站所處的地質(zhì)環(huán)境可能更為惡劣，穩(wěn)定性也更差，固定的能源供給是不可靠的，因此同樣采用太陽能供電系統(tǒng)為移動站的正常工作提供能源；數(shù)據(jù)采集板塊構(gòu)成和工作原理采用北斗定位天線絕對位置信息并結(jié)合北斗定位卡相對位置收集本站點(diǎn)位置的具體信息并打包傳輸給數(shù)據(jù)分析處理板塊，以進(jìn)行下一步的分析過程.數(shù)據(jù)分析處理板塊作為站點(diǎn)的控制系統(tǒng)采用基于ARM9的32位微處理器架構(gòu),另外在數(shù)據(jù)處理單元中加入了傾角傳感器、RTC電路和JTAG電路等狀態(tài)自檢電路，對系統(tǒng)移動站狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控結(jié)合北斗定位系統(tǒng)傳輸回的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析.分析后的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)傳輸模塊實(shí)現(xiàn)和基準(zhǔn)站之間的數(shù)據(jù)互通，系統(tǒng)移動站的數(shù)據(jù)傳輸模塊除了射頻傳輸功能還加入了GPRS通訊電路，定位信息的處理同樣應(yīng)用北斗差分定位解算.系統(tǒng)移動站結(jié)構(gòu)如圖3所示.

2.4 監(jiān)控中心服務(wù)器

變壓器桿塔監(jiān)測預(yù)警服務(wù)器軟件系統(tǒng)總體方案如圖4所示.系統(tǒng)設(shè)計(jì)共六個(gè)板塊，主要功能板塊五個(gè)和一個(gè)“更多”板塊.系統(tǒng)設(shè)置了兩種種不同登錄身份，分別為系統(tǒng)管理員、系統(tǒng)操作員，其中系統(tǒng)管理員登錄后主要擁有“系統(tǒng)設(shè)置”、“系統(tǒng)管理”和“更多”三個(gè)板塊的操作權(quán)限，而系統(tǒng)操作員登錄后主要進(jìn)行“網(wǎng)絡(luò)服務(wù)”、“設(shè)備管理”和“數(shù)據(jù)中心”等實(shí)際工作板塊使用權(quán)限[8].

圖4 系統(tǒng)總體方案框圖

服務(wù)器軟件采用Visual C#作為編程語言，數(shù)據(jù)庫在Visual Studio Net 2010 平臺上搭建，使軟件具有客戶機(jī)/服務(wù)器體系結(jié)構(gòu)、圖形化用戶界面.軟件對運(yùn)行的操作系統(tǒng)環(huán)境局限性不大，裝載此軟件可選用Windows Server系列操作系統(tǒng)，也可選用Windows 7及Windows 8等操作系統(tǒng)[9].

3 結(jié)論

本文針對電力工程輸電線路架設(shè)過程中，變壓器桿塔所處地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，礦區(qū)采空區(qū)地貌和巖石斷裂地質(zhì)山體水平和垂直方向移動較大，給變壓器桿塔帶來塌陷和傾斜的影響，進(jìn)而造成變壓器機(jī)械損壞，變壓器的損壞會直接導(dǎo)致輸電網(wǎng)斷電，影響輻射區(qū)生產(chǎn)生活用電，帶來經(jīng)濟(jì)損失和生活不便，嚴(yán)重的還會帶來安全事故的發(fā)生.因此，設(shè)計(jì)一種基于北斗系統(tǒng)差分定位算法的變壓器桿塔監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，通過系統(tǒng)內(nèi)基準(zhǔn)站和移動站差分運(yùn)算，將移動站的定位級別提高到厘米級別，并將數(shù)據(jù)傳輸回監(jiān)控中心進(jìn)行儲存和分析，成功對移動站變壓器桿塔的水平和垂直兩個(gè)方向?qū)崿F(xiàn)監(jiān)測和預(yù)警，對電力工程建設(shè)中變壓器的故障和輸電線路起到了很好的監(jiān)測和預(yù)警作用.