北斗高精度監(jiān)測(cè)技術(shù)在超高壓線路上的組網(wǎng)應(yīng)用與研究

中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司廣州局 梁 棟 張富春 鄭 曉 鄭武略

廣州市濼立能源科技有限公司 程 傲

在我國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不斷建設(shè)完善的基礎(chǔ)上，我國(guó)建設(shè)了北斗地基增強(qiáng)網(wǎng)，為全國(guó)各地、各個(gè)行業(yè)提供高精度定位服務(wù)。在電力系統(tǒng)中超高壓線路容易受到環(huán)境的影響出現(xiàn)塌方等事故，威脅到電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性。因此借助于北斗地基增強(qiáng)網(wǎng)開(kāi)發(fā)高壓線路自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以及時(shí)報(bào)警，提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性。

1 監(jiān)測(cè)超高壓線路的重要性

在電力輸送系統(tǒng)中高壓線路十分關(guān)鍵，直接關(guān)系到電網(wǎng)供電的穩(wěn)定性，尤其是高塔體、柔度大、遠(yuǎn)跨距的高壓輸電塔，極容易受到強(qiáng)風(fēng)、暴雨以及地震等環(huán)境因素的影響，造成塌方、倒塌等事故，將造成巨大損失，修復(fù)周期長(zhǎng)，影響電力系統(tǒng)穩(wěn)定性。因此通過(guò)對(duì)輸電線路地質(zhì)狀態(tài)監(jiān)控提前掌握地質(zhì)災(zāi)害信息，方便于指導(dǎo)第一時(shí)間搶修，提高監(jiān)測(cè)精準(zhǔn)度，指導(dǎo)人工檢修維修。基于國(guó)家北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)NRTD、NRTK和靜態(tài)毫米級(jí)等算法，能夠服務(wù)于全國(guó)范圍內(nèi)的超高壓線路[1]。自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)、傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)可實(shí)時(shí)反映高壓線路地質(zhì)狀態(tài)，對(duì)地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提供各類報(bào)表和決策數(shù)據(jù)，為地質(zhì)變化提供預(yù)警決策服務(wù)，能夠短時(shí)間內(nèi)通過(guò)短消息、警報(bào)等功能發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

借助于北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，利用北斗高精度定位技術(shù)進(jìn)行厘米甚至毫米級(jí)別的定位，具有較高精準(zhǔn)度。在鐵塔上設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)天線，結(jié)合增強(qiáng)站數(shù)據(jù)，通過(guò)加密通信傳輸網(wǎng)將星歷數(shù)據(jù)、載波相位數(shù)據(jù)傳遞給數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心獲得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)后利用數(shù)據(jù)處理平臺(tái)解算，獲得更加精準(zhǔn)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)化觀測(cè)、分析坐標(biāo)的變化，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集。使用衛(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)行定位只需要滿足觀測(cè)條件即可，選點(diǎn)靈活，可滿足偏遠(yuǎn)地區(qū)、惡劣條件下的觀測(cè)。數(shù)據(jù)由系統(tǒng)自動(dòng)采集、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，最大程度上減少人為因素造成的錯(cuò)誤，并根據(jù)數(shù)據(jù)變化第一時(shí)間發(fā)出警報(bào)，指導(dǎo)檢修搶修工作的開(kāi)展。

2 在超高壓線路上北斗高精度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 硬件系統(tǒng)

北斗衛(wèi)星邊坡自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括檢測(cè)傳感器、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理、安全預(yù)警以及輔助支持系統(tǒng)五大部分構(gòu)成。監(jiān)測(cè)傳感器主要利用北斗設(shè)備設(shè)置于監(jiān)測(cè)點(diǎn)上，包括接收機(jī)天線及北斗接收機(jī)構(gòu)成[2]。數(shù)據(jù)傳輸是同軸電纜負(fù)責(zé)傳輸天線至接收機(jī)的數(shù)據(jù)，使用加密通信方式經(jīng)過(guò)專線傳輸信息，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設(shè)置服務(wù)平臺(tái)可以解算毫米級(jí)數(shù)據(jù)。安全預(yù)警平臺(tái)主要由展示平臺(tái)和預(yù)警平臺(tái)構(gòu)成，輔助支持系統(tǒng)包括配電設(shè)備、遠(yuǎn)程電源、UPS 設(shè)備、防雷設(shè)備以及機(jī)柜等。

2.2 系統(tǒng)構(gòu)成

監(jiān)測(cè)傳感器主要為衛(wèi)星接收天線、北斗高精度接收機(jī)、太陽(yáng)能供電系統(tǒng)、防雷系統(tǒng)以及無(wú)線傳輸系統(tǒng)構(gòu)成，可以滿足水平±2.5mm+0.5ppm 和垂直±5mm+0.5ppm 的精度要求。通信傳輸系統(tǒng)主要利用光線、網(wǎng)橋、3G/4G 以及GPRS 等通道進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控傳輸，將數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)中心?？紤]到高壓輸電線路多在野外分布，地點(diǎn)分散、距離較遠(yuǎn)，甚至需要跨越高山和河流，優(yōu)先選擇3G/4G 傳輸手段為佳?；緮?shù)據(jù)利用光線傳輸，保證數(shù)據(jù)安全。服務(wù)平臺(tái)主要對(duì)星歷數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)以及基站數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，考慮到數(shù)據(jù)安全性設(shè)計(jì)專用服務(wù)系統(tǒng)，將數(shù)據(jù)解算至電網(wǎng)數(shù)據(jù)中心，包括解算引擎、任務(wù)調(diào)度、監(jiān)控等服務(wù)均由服務(wù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

北斗地基增強(qiáng)站充分利用國(guó)家北斗地基增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)，借助于千尋平臺(tái)對(duì)位置信息進(jìn)行解算以及數(shù)據(jù)分析，經(jīng)過(guò)大數(shù)據(jù)分析更為準(zhǔn)確了解監(jiān)測(cè)結(jié)果，減少漏報(bào)和誤報(bào)的事故。通過(guò)對(duì)高壓線路全天候采集數(shù)據(jù)，支持鐵塔安全分析和變形分析，作為評(píng)估地質(zhì)災(zāi)害的可靠依據(jù)。在云計(jì)算服務(wù)支持下提高數(shù)據(jù)分析的穩(wěn)定性和效率。預(yù)警平臺(tái)可展示部分地圖，提供站點(diǎn)、隱患點(diǎn)以及數(shù)據(jù)信息等，在地圖上疊加圖層數(shù)據(jù)。對(duì)輸電線路環(huán)境進(jìn)行管理，展示環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、形變速率等，建立災(zāi)情上報(bào)機(jī)制，及時(shí)上報(bào)災(zāi)情信息并對(duì)災(zāi)情進(jìn)行審批，汛期積極查詢上報(bào)信息，根據(jù)降雨量、坡度以及巖性數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理得到預(yù)警數(shù)據(jù)。

2.3 關(guān)鍵技術(shù)

自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要利用數(shù)據(jù)采集技術(shù)及傳感技術(shù)以獲得更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息，但由于高壓線路距離較遠(yuǎn)，傳輸數(shù)據(jù)相對(duì)困難，若大量布設(shè)站點(diǎn)可能增加后續(xù)維護(hù)的難度，也很難對(duì)地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行快速分析。使用GNSS 定位由于站間距離大，定位精度有明顯降低，超高壓線路分布廣且大多經(jīng)過(guò)湖泊和山嶺，需攻克遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)難關(guān)，并最大程度上利用現(xiàn)有基站減少建設(shè)成本。引進(jìn)北斗衛(wèi)星定位技術(shù)，主要借助于配套設(shè)備以及北斗接收機(jī)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理、預(yù)警等全過(guò)程，將數(shù)據(jù)和決策顯示在監(jiān)控中心。自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可滿足全天候監(jiān)控，無(wú)需人員操作，運(yùn)行效率高、運(yùn)行成本低。一般情況下太陽(yáng)能可持續(xù)供電，無(wú)障礙運(yùn)行超過(guò)10萬(wàn)小時(shí)，即使在沒(méi)有陽(yáng)光的惡劣天氣中備用電源仍可滿足7天的穩(wěn)定運(yùn)行。

北斗系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性，可滿足長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行需要，使用大地測(cè)量型天線，具有突出的物理性能。自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用光纖通信將數(shù)據(jù)及時(shí)傳遞給控制中心，滿足實(shí)時(shí)情況。控制中心可對(duì)數(shù)據(jù)自動(dòng)解算，短時(shí)間內(nèi)顯示評(píng)估結(jié)果[3]。系統(tǒng)具備報(bào)警系統(tǒng)，通過(guò)E-Mall、短消息等方式發(fā)布報(bào)警信息，不受到空間和時(shí)間的局限，可遠(yuǎn)程掌握線路周邊的地質(zhì)變化。系統(tǒng)可自動(dòng)生成數(shù)據(jù)報(bào)表，報(bào)表內(nèi)容可由人工設(shè)計(jì)，了解地質(zhì)信息的月度或周變化。

3 在超高壓線路上北斗高精度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)施方案

3.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

監(jiān)測(cè)點(diǎn)主要包括監(jiān)測(cè)站及參考站，基站選擇千尋位置網(wǎng)的站點(diǎn)、不需額外建設(shè)。充分利用國(guó)家增強(qiáng)網(wǎng)基站資源和數(shù)據(jù)，避免資源浪費(fèi)，降低建設(shè)成本?；窘邮招盘?hào)后，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)解算為衛(wèi)星精密軌道及鐘差等增強(qiáng)信息，經(jīng)過(guò)通信、衛(wèi)星等手段傳遞給控制中心，控制中心經(jīng)過(guò)差分增強(qiáng)進(jìn)行誤差的修正以實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)服務(wù)。若線路所在區(qū)域內(nèi)沒(méi)有千尋基站，可設(shè)置加密站作為基站。

監(jiān)測(cè)站建設(shè)要在現(xiàn)場(chǎng)施工，根據(jù)線路周邊情況展開(kāi)施工。使用425標(biāo)號(hào)級(jí)別以上的水泥材料，選擇火山灰質(zhì)水泥及礦渣，不允許使用粉煤灰水泥。對(duì)于容易受到凍融影響的標(biāo)石選擇普通硅酸鹽水泥施工。若現(xiàn)場(chǎng)位于海水或鹽堿地等附近應(yīng)選擇抗硫酸鹽水泥。石子均選擇級(jí)配5～40mm 的堅(jiān)硬碎石或卵石，不允許選擇統(tǒng)一尺寸的石子。砂子選擇0.15～0.30mm 粒徑的沙子，將含泥量控制在3%以內(nèi)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境選擇外加劑，包括引氣劑、減水劑及早強(qiáng)劑等，保證混凝土質(zhì)量滿足質(zhì)量水平。需在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行混凝土的調(diào)制，嚴(yán)格按照技術(shù)要求和配比進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制前需要將砂石清洗干凈，澆灌標(biāo)石要充分振搗。在0℃環(huán)境下要求添加防凍劑，拆模時(shí)間控制在24h 以上，否則不允許施工。

3.2 供電系統(tǒng)

自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)預(yù)警平臺(tái)主要由市電供電，在無(wú)法使用的位置使用太陽(yáng)能供電方式，可減少拉線供電的麻煩。自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有較高安全度，太陽(yáng)能供電不會(huì)影響供電穩(wěn)定性。因此系統(tǒng)供電主要由蓄電池、控制器及太陽(yáng)能電池板提供。太陽(yáng)能電池板能利用太陽(yáng)能發(fā)電給蓄電池充電并提供穩(wěn)定供應(yīng)。太陽(yáng)能電池板主要負(fù)責(zé)儲(chǔ)存太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，儲(chǔ)存在蓄電池中推動(dòng)電力供應(yīng)。太陽(yáng)能電池方陣選擇100Wp/12V 太陽(yáng)能電池板，每天可以發(fā)電280Wh，根據(jù)設(shè)備耗電量計(jì)算電池板的數(shù)量。

太陽(yáng)能控制器能夠?qū)ο到y(tǒng)工作狀態(tài)進(jìn)行控制，并保護(hù)蓄電池的過(guò)放電及過(guò)充電。在大溫差地區(qū)，使用太陽(yáng)能控制器也具備溫度補(bǔ)償功能。在系統(tǒng)正常連接狀態(tài)下，陽(yáng)光照射在電池板上，充電燈提示綠色常亮、系統(tǒng)電路正常，在指示燈顯示綠色快閃表示過(guò)電壓。充電采取PWM 方式，一旦出現(xiàn)過(guò)放動(dòng)作，充電要先達(dá)到充電電壓10min，然后改為直充電壓10min，讓蓄電池得到激活，避免形成硫化結(jié)晶。最后改為浮充電壓。如沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)放動(dòng)作不會(huì)提升充電方式，自動(dòng)控制充電可保證蓄電池處于最佳狀態(tài)下，延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。

當(dāng)蓄電池處于正常電壓狀態(tài)下指示燈常亮，充滿后指示燈為綠慢閃。當(dāng)電池電壓降至欠壓狀態(tài)指示燈變?yōu)槌壬玔4]。當(dāng)電壓降到過(guò)放狀態(tài)時(shí)指示燈為紅色，控制器將輸出關(guān)閉，提醒用戶補(bǔ)充電能。當(dāng)電壓恢復(fù)至正常狀態(tài)自動(dòng)開(kāi)通輸出動(dòng)作，指示燈為綠色。當(dāng)開(kāi)通負(fù)載后指示燈常亮，負(fù)載電流一旦超過(guò)控制器額定電流，負(fù)載電流超過(guò)額定電流5s 指示燈為紅慢閃，提示過(guò)載狀態(tài)，控制器將輸出關(guān)閉。當(dāng)出現(xiàn)短路故障控制器將輸出自動(dòng)關(guān)閉，指示燈顯示快閃。觀察到指示燈變化，人工檢查負(fù)載情況，將故障負(fù)載斷開(kāi)，按鍵30s 后恢復(fù)正常狀態(tài)。

蓄電池一般選擇鉛酸電池，在小微型系統(tǒng)中使用鋰電池、鎳氫電池及鎳鎘電池，在太陽(yáng)能組件支持下可儲(chǔ)存電能，必要時(shí)釋放電能。蓄電池容量決定著供電性能，設(shè)備所需電量均由蓄電池供應(yīng)，太陽(yáng)能發(fā)電應(yīng)在日消耗基礎(chǔ)上增加一部分電量提供給蓄電池儲(chǔ)備，以備陰雨天氣供電使用。蓄電池容量約為120Ah/12V。在蓄電池使用過(guò)程中，注意減少在低溫或高溫環(huán)境中使用，避免過(guò)充過(guò)放，避免長(zhǎng)時(shí)間浮充或低電量存放，注意防水保存。

3.3 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)

數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)主要包括傳感器通訊和控制中心通訊兩部分，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境選擇3G 或4G 的通訊方式?？刂浦行膽?yīng)用專線通訊，連接輸電所以及千尋VPC 傳輸數(shù)據(jù)。千尋VPC 的輸電所及Prop 模塊建立通信，根據(jù)需要傳送星歷數(shù)據(jù)或者基站數(shù)據(jù)。

3.4 安全設(shè)施

主要對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝安全設(shè)施、防止被盜。由于自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)備無(wú)人照看，要在觀測(cè)站周圍設(shè)置防護(hù)柵欄并貼好電力安全警示牌，保護(hù)觀測(cè)站設(shè)備。每個(gè)機(jī)柜都安裝安全鎖以及鑰匙并適當(dāng)提高設(shè)備安裝高度。