北斗高精定位在輸電桿塔邊坡監(jiān)視上的研究與應(yīng)用

劉永琦 詹志英

北斗高精定位在輸電桿塔邊坡監(jiān)視上的研究與應(yīng)用

劉永琦 詹志英

（云南電網(wǎng)公司迪慶供電局，云南 迪慶 674400）

輸電桿塔邊坡滑坡會造成輸電桿塔結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。為了提高輸電系統(tǒng)監(jiān)視的自動化程度和響應(yīng)效率，本文搭建了一個基于北斗高精定位技術(shù)的輸電桿塔邊坡在線監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集終端配置發(fā)電與儲能模塊，實現(xiàn)能量自給；數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)采用無線專網(wǎng)，保障數(shù)據(jù)安全；位置解算平臺通過地面基站校準，實現(xiàn)毫米級偏移量監(jiān)測。本文還通過高邊坡輸電桿塔應(yīng)用實例驗證了系統(tǒng)的可靠性，為輸電桿塔邊坡監(jiān)測實施提供了借鑒。

北斗高精定位；輸電桿塔；邊坡監(jiān)視；在線監(jiān)測

0 引言

輸電桿塔結(jié)構(gòu)穩(wěn)定是保證電力系統(tǒng)能量傳輸?shù)幕A(chǔ)。輸電桿塔基礎(chǔ)的位移與沉降可能使桿塔結(jié)構(gòu)在較強外力作用下發(fā)生形變、傾斜乃至傾覆。尤其當輸電桿塔基礎(chǔ)位于高邊坡位置時，由于邊坡垂直落差大，容易發(fā)生沉降、滑坡等情況。

輸電線路地理跨度大，當其跨越高原、山地等區(qū)域時，部分輸電桿塔基礎(chǔ)將位于邊坡附近。在高差作用下，邊坡有可能在重力作用下發(fā)生沉降和位移。地震、采礦、道路施工等外力作用會破壞邊坡本身的穩(wěn)定性，引發(fā)邊坡滑坡。強降雨等極端天氣也會對邊坡結(jié)構(gòu)產(chǎn)生沖刷和潤滑作用，促進山體滑坡。

當探測到邊坡發(fā)生結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的早期征兆時，可以通過錨固、支護等方式對邊坡結(jié)構(gòu)進行加強。研究表明，通過及早發(fā)現(xiàn)邊坡沉降并采取治理措施，可以顯著降低由于邊坡垮塌造成的損失[1]。因此很有必要對輸電桿塔邊坡監(jiān)測技術(shù)展開研究。

文獻[2]采用有限元的方法建立塔-線模型，對沉降桿塔的薄弱構(gòu)件受力情況進行分析，并通過對輸電桿塔薄弱構(gòu)件進行監(jiān)測來實施失效預(yù)警。文獻[3]分析了基礎(chǔ)位移作用下輸電桿塔基礎(chǔ)位移作用下桿件內(nèi)力的變化規(guī)律。文獻[4]對衛(wèi)星定位系統(tǒng)的性能進行評估，通過載波相位比較，其可以實現(xiàn)靜態(tài)毫米級的測量精度。文獻[5]對輸電線路在線監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡(luò)進行了設(shè)計，為在線監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸提供了借鑒。文獻[6]對北斗定位系統(tǒng)的精度進行測算，表明其定位精度雖略小于全球定位系統(tǒng)（global positioning system, GPS）系統(tǒng)，但仍可達到平面1mm以內(nèi)、高程2mm以內(nèi)的精度水平。文獻[7]設(shè)計了基于北斗定位系統(tǒng)的邊坡在線監(jiān)測系統(tǒng)，通過結(jié)合點位信息與圖像信息來提高預(yù)警準確度。文獻[8]提出了以可自適應(yīng)調(diào)整的多代理分層嵌套實現(xiàn)方法來實現(xiàn)邊坡在線監(jiān)測的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，提高邊坡在線監(jiān)測的穩(wěn)定性。文獻[9]對高速公路邊坡在線監(jiān)測系統(tǒng)進行了設(shè)計，通過綜合比較位移量與位移速率來判斷邊坡的穩(wěn)定性。

北斗系統(tǒng)作為我國自主研發(fā)的導航衛(wèi)星定位系統(tǒng)，其安全性較高。基于北斗系統(tǒng)的電力系統(tǒng)應(yīng)用已有大量研究。文獻[10]提出了一種單回不對稱線路分布參數(shù)測量方法，利用北斗系統(tǒng)同步時鐘來保證兩側(cè)參數(shù)測量的同步性。文獻[11]利用北斗同步授時技術(shù)來解決光纖差動保護兩端電流的同步采樣問題。將北斗導航衛(wèi)星定位技術(shù)應(yīng)用于輸電線路邊坡監(jiān)視，為提升輸電線路安全提供了新的思路。

本文對應(yīng)用北斗高精定位技術(shù)對輸電桿塔邊坡監(jiān)視進行研究，設(shè)計了能量自給的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，無線專網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析展示平臺，并通過高邊坡輸電桿塔實施實例對系統(tǒng)效果進行說明，以期為輸電桿塔邊坡監(jiān)測實施提供借鑒。

1 基于地面基站的北斗高精度定位技術(shù)

利用北斗定位技術(shù)可以對輸電桿塔結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性情況進行實時監(jiān)測。文獻[12]提出了一種利用北斗系統(tǒng)定位實現(xiàn)輸電桿塔在線監(jiān)測的構(gòu)想，基于GPS和北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)設(shè)計了接收機終端，但其使用的北斗基礎(chǔ)定位服務(wù)只能達到10m的定位精度，遠不能滿足輸電桿塔邊坡穩(wěn)定情況準確監(jiān)測的需求。文獻[13]采用在輸電桿塔旁邊設(shè)置實時動態(tài)（real-time kinematic, RTK）基站的方式對輸電桿塔基礎(chǔ)位移進行監(jiān)測，實現(xiàn)了對桿塔毫米級形變量的監(jiān)測，并通過工程實例驗證了該系統(tǒng)的實施效果，但這種方法對每個監(jiān)測點需要單獨設(shè)置定位基站，在限制應(yīng)用條件的同時也提高了系統(tǒng)應(yīng)用成本。

北斗高精度后處理算法以地面基站提供的校準數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對北斗接收機進行數(shù)據(jù)處理，實時解算出監(jiān)測點毫米級的三維坐標。通過分析各監(jiān)測點實時的三維坐標，并與初始坐標進行比對，從而獲得該監(jiān)測點傾斜和沉降變化量。北斗高精度后處理技術(shù)將北斗衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)的精度提高至平面1mm以內(nèi)、高程2mm以內(nèi)，能夠?qū)崿F(xiàn)輸電桿塔邊坡滑坡情況的極早期預(yù)警。其利用已有地面基站提供的校準數(shù)據(jù)為電力桿塔邊坡監(jiān)視提供位置校準服務(wù)，極大地降低了電力行業(yè)應(yīng)用北斗高精定位技術(shù)的成本。

北斗地面輔助定位基站系統(tǒng)于2016年5月18日正式投入運營。至今全國共有2 700多個工作基站。截至目前，厘米級定位服務(wù)可以覆蓋全國20個省市。具體到南方電網(wǎng)運營范圍，已經(jīng)實現(xiàn)了毫米級服務(wù)全域覆蓋。研究基于地面基站的北斗高精度定位技術(shù)在電力行業(yè)的應(yīng)用具有很大的現(xiàn)實意義。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

輸電桿塔邊坡監(jiān)測系統(tǒng)通過安裝在邊坡上的數(shù)據(jù)采集終端得到邊坡位置偏移量信息，以無線專網(wǎng)的形式上傳至專有服務(wù)器，并由專有服務(wù)器的數(shù)據(jù)處理平臺對偏移量信息進行分析和展示。系統(tǒng)總體構(gòu)架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體構(gòu)架

系統(tǒng)感知層包括基站和數(shù)據(jù)采集終端?；緸閰⒖蓟鶞?，用以提升定位精度。數(shù)據(jù)采集終端通過配置北斗接收機、數(shù)據(jù)傳輸模塊、供能模塊，實現(xiàn)邊坡衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)的采集和上傳。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸層采用有線專網(wǎng)與無線專網(wǎng)相結(jié)合的方式?；静捎糜芯€專網(wǎng)的方式進行數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)采集終端采用無線專網(wǎng)的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳。

系統(tǒng)應(yīng)用控制層實現(xiàn)位置解算服務(wù)，并將處理得到的數(shù)據(jù)以可視化界面的方式呈現(xiàn)給用戶。其位置解算服務(wù)通過地面基站修正數(shù)據(jù)采集終端測量數(shù)據(jù)達到毫米級定位?？梢暬缑嫘纬蛇吰挛恢眯畔⒘康娜S-時間圖展示給用戶。

3 數(shù)據(jù)采集終端

3.1 北斗接收機

北斗接收機獲取導航衛(wèi)星的定位信息，包括星歷數(shù)據(jù)和觀測數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)采用靜態(tài)/快速接收機，其特點為適用于解算靜態(tài)位置量信息。接收機包括測量天線和數(shù)據(jù)處理終端兩部分，如圖2所示。測量天線選取扼流圈天線，用以減小在定位過程中由于信號傳輸多徑效應(yīng)引起的測量誤差。數(shù)據(jù)處理終端提供了天線接口與外部接口，實現(xiàn)與導航衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)的解算服務(wù)。

圖2 北斗接收機

在實際應(yīng)用場景中，測量天線被安裝在開闊位置，以便于與衛(wèi)星通信，數(shù)據(jù)處理終端被安裝在控制箱中。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸模塊

數(shù)據(jù)采集終端采用無線專網(wǎng)的通信方案。通過專線接入點名稱（access point name, APN）的方式實現(xiàn)專網(wǎng)通信，保障數(shù)據(jù)安全。

相對于有線網(wǎng)絡(luò)，無線專網(wǎng)的布置相對方便。尤其在輸電系統(tǒng)領(lǐng)域，輸電桿塔位置偏僻，有線通信網(wǎng)絡(luò)接入往往難以實施。無線通信模塊在調(diào)試完成后，在4G信號覆蓋區(qū)域即可使用。

通過向通信運營商申請指定APN的方式訪問專用APN使用權(quán)。通過使用通信運營商的專網(wǎng)用戶身份識別（subscriber identity module, SIM）卡來訪問該APN。其他用戶不允許訪問該APN。該SIM不可以訪問其他網(wǎng)絡(luò)。通過這種方式保障了數(shù)據(jù)傳輸通道的專用性，進而保障數(shù)據(jù)安全。

系統(tǒng)配置4G智能網(wǎng)關(guān)作為數(shù)據(jù)傳輸模塊。其通過RS 485總線接收北斗接收機的定位數(shù)據(jù)，并通過專線APN實現(xiàn)端對端的通信。經(jīng)過實際應(yīng)用檢驗，在5Mbit/s帶寬環(huán)境下，可以實現(xiàn)10s 1次的北斗定位數(shù)據(jù)傳輸。

3.3 供能模塊

數(shù)據(jù)采集終端以能量自給的方式進行能量供應(yīng)。

在輸電線路所在地區(qū)配置低壓線路的方式成本較高，而北斗接收機和數(shù)據(jù)傳輸模塊能耗較大，單純采用蓄電池的方案難以滿足數(shù)據(jù)采集模塊電能需求。因此，設(shè)計一種配置發(fā)電模塊，并能夠?qū)崿F(xiàn)能量自給的數(shù)據(jù)采集終端供能系統(tǒng)就顯得很有必要。

系統(tǒng)選取太陽能電池板作為裝置電源。輸電桿塔通常處于開闊地帶，采光條件良好，適用太陽能電池板。光伏電池板被安裝于數(shù)據(jù)采集終端頂部，根據(jù)所處緯度以最大接受陽光角度選擇朝向。配置太陽能控制器，以定電壓方式跟蹤太陽能電池輸出-特性曲線的最大功率點。

系統(tǒng)裝配蓄電池作為儲能。受地球自轉(zhuǎn)和天氣變化影響，太陽能電池板發(fā)電出力具有波動性與間歇性，而裝置運行需要穩(wěn)定的電力供應(yīng)。因此，需要配備蓄電池儲存光照條件良好時的太陽能電池板出力，并在夜晚、陰雨天等情況下為裝置提供持續(xù)的電力供應(yīng)。蓄電池充電方式包括初始充電、均衡充電、浮充3種。蓄電池首次投入使用時，進行初始充電；當蓄電池正常充電時，采用均衡充電；當蓄電池充電完成時，進行浮充。

太陽能控制器對蓄電池荷電狀態(tài)（state of charge, SOC）進行實時監(jiān)測與管理。當蓄電池OC＞0.9時，蓄電池充電完成，并進行浮充；當蓄電池0.9≥OC≥ 0.2時，蓄電池正常充電，進行均衡充電；當蓄電池OC＜0.2時，蓄電池進入缺電狀態(tài)，斷開負載電源，待蓄電池恢復正常電量后投入負載。系統(tǒng)供能模塊如圖3所示。

圖3 供能模塊

3.4 數(shù)據(jù)采集終端安裝

將數(shù)據(jù)采集終端獨立安裝于邊坡上。由于輸電桿塔基礎(chǔ)埋深較大，自身結(jié)構(gòu)強度存在冗余，基礎(chǔ)位置與邊坡之間存在距離，當邊坡出現(xiàn)輕微滑坡時，難以對輸電桿塔本身造成影響，因此，將數(shù)據(jù)采集終端獨立安裝于輸電桿塔靠邊坡側(cè)有利于邊坡滑坡的監(jiān)測。

由水泥基座將數(shù)據(jù)采集終端固定在輸電桿塔附近邊坡。整體結(jié)構(gòu)建立在鋼構(gòu)架上。將北斗接收機的測量天線安裝在鋼構(gòu)架頂端，以便于接收導航衛(wèi)星的定位信號。將太陽能電池板安裝在鋼構(gòu)架兩側(cè)。在鋼構(gòu)架一側(cè)固定控制箱?？刂葡渲邪ㄌ柲芸刂破?、蓄電池組、數(shù)據(jù)處理終端和4G智能網(wǎng)關(guān)。控制箱結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 控制箱結(jié)構(gòu)

控制箱原理如圖5所示。太陽能電池板輸出的電能經(jīng)太陽能控制器輸出為24V電源供給數(shù)據(jù)處理終端、4G智能網(wǎng)關(guān)以及蓄電池組。數(shù)據(jù)處理終端通過導航衛(wèi)星天線得到北斗定位偽距信息，并通過4G智能網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)與后臺的信息交互。

4 數(shù)據(jù)處理平臺

數(shù)據(jù)處理平臺包括位置解算平臺、數(shù)據(jù)分析平臺、展示平臺。

4.1 位置解算平臺

位置解算平臺對北斗接收機數(shù)據(jù)進行預(yù)處理、基線向量解算、網(wǎng)平差處理。解算可以得到的北斗接收機的高精靜態(tài)定位數(shù)據(jù)。當北斗接收機與基站距離小于10km時，可以實現(xiàn)毫米級的定位精度。目前地面參考基站已成網(wǎng)運行，對于南方電網(wǎng)運營區(qū)域均可實現(xiàn)毫米級的定位精度。經(jīng)測算，裝置的定位精度可以達到水平±2mm+1ppm，高程±5mm+ 1ppm。

1）數(shù)據(jù)預(yù)處理包括對偏差量較大的數(shù)據(jù)進行初篩和剔除，將原始數(shù)據(jù)進行標準化加工。

圖5 控制箱原理圖

2）基線向量解算步驟如下所述。

（1）系統(tǒng)自檢。檢查控制參數(shù)、觀測數(shù)據(jù)、星歷數(shù)據(jù)、起算坐標等參數(shù)設(shè)置。

（2）提取原始數(shù)據(jù)中的星歷數(shù)據(jù)，并進行讀取。

（3）提取原始數(shù)據(jù)中的觀測數(shù)據(jù)，包括觀測時刻、觀測時記錄的定位坐標、偽距以及載波相位數(shù)據(jù)，并進行讀取。

（4）進行三差解算。建立涵蓋接收機間差值、導航衛(wèi)星間差值、歷元間差值的三差觀測方程。

（5）周跳修復。通過載波相位求差法對發(fā)生周跳的歷元進行探測，并采用擬合法修正發(fā)生周跳的 歷元。

（6）進行雙差浮點解算。

（7）求解整周模糊度。

（8）雙差固定解算。根據(jù)求解得到的整周模糊度進行雙差固定解算。

3）網(wǎng)平差處理：對整個監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)進行獨立基線網(wǎng)平差，得到最終坐標。

4.2 數(shù)據(jù)分析平臺

數(shù)據(jù)分析平臺獲取各監(jiān)測點實時的三維坐標，并與初始坐標進行比對，從而獲得該邊坡監(jiān)測點的位移變化量。對測量點有如下關(guān)系：

測量點的位移變化量L為

4.3 展示平臺

展示平臺根據(jù)差異化的業(yè)務(wù)需求對輸電桿塔邊坡位移數(shù)據(jù)進行分類展示。其功能包括展示預(yù)警信息、歷史比對信息，選定區(qū)域信息、選定線路信息。

數(shù)據(jù)處理平臺整體結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)流程如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)處理平臺整體結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)流程

5 系統(tǒng)實施與應(yīng)用

選取處于高邊坡地帶的110kV桃呂線16#桿塔作為工程實施對象。輸電桿塔北側(cè)邊坡坡度較大，坡度超過70°。前期已采用布幔進行遮蓋防止水土流失，但仍存在較大邊坡滑坡風險。

設(shè)備管理單位前期采用定期巡視的方式對邊坡情況進行人工檢查。這種方式存在巡檢周期長，交通不便的缺點。并且隨著降水季節(jié)的到來，在邊坡滑坡風險增大的同時，人工巡檢難度和巡檢風險也在增加。

根據(jù)設(shè)備管理單位需求在輸電桿塔邊坡安裝數(shù)據(jù)采集終端，對輸電桿塔邊坡滑坡情況進行在線監(jiān)測。實施效果如圖7所示。

通過數(shù)據(jù)處理平臺可以得到輸電桿塔邊坡監(jiān)測點的三維測量數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)測量結(jié)果如圖8所示。根據(jù)測量數(shù)據(jù)可知，輸電桿塔邊坡監(jiān)測點位置波動較大，且波動量呈增長趨勢。經(jīng)現(xiàn)場查看，該桿塔運行風險較大，協(xié)調(diào)基建單位對桿塔基礎(chǔ)采取了加固措施。

圖7 數(shù)據(jù)采集終端的安裝位置

6 結(jié)論

本文采用輸電桿塔邊坡監(jiān)測方法，利用北斗高精定位系統(tǒng)實現(xiàn)了輸電桿塔邊坡三維方向上的毫米級形變量的在線監(jiān)測。通過在高邊坡桿塔的實施案例，驗證了方法的有效性。與傳統(tǒng)人工巡視輸電桿塔邊坡的形式相比，在降低人力開支的同時，提高了監(jiān)測的實時性，為搭建輸電桿塔邊坡在線監(jiān)測系統(tǒng)提供了借鑒。

圖8 數(shù)據(jù)測量結(jié)果

采用在輸電桿塔邊坡選取測量點進行邊坡監(jiān)測的方法，可以在一定程度上反映邊坡的穩(wěn)定情況，但受制于測量點數(shù)量及選取位置，所得到的邊坡信息仍顯片面。在下一步的研究與實踐中，還需增加對土壤含水量等數(shù)據(jù)的監(jiān)測，以更為全面地進行邊坡狀態(tài)評估。

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Research and application of Beidou high precision positioning in the transmission tower slope monitoring

LIU Yongqi ZHAN Zhiying

(Diqing Power Supply Bureau of Yunnan Power Grid Corporation, Diqing, Yunnan 674400)

The landslide of transmission tower slope will cause the instability of transmission tower structure. In order to improve the automation and response efficiency of transmission system monitoring, an online monitoring system of transmission tower slope based on Beidou high precision positioning technology is proposed. The data acquisition terminal of the system is equipped with power generation and energy storage modules to achieve energy self-sufficiency; the data transmission network adopts wireless private network to ensure data security; the position calculation platform is calibrated by the ground base station to achieve millimeter level offset monitoring. The reliability of the system is verified by the application of high slope transmission tower. It provides a reference for the implementation of transmission tower slope monitoring.

Beidou high precision positioning; transmission tower; slope monitoring; on-line monitoring

2020-06-04

2020-07-10

劉永琦（1994—），男，云南省迪慶市人，主要研究方向為電網(wǎng)信息管理。