采煤沉陷區(qū)高壓架空桿塔傾斜在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王準(zhǔn)濤，王新偉，王 斌，陳勇建

（河南崤函電力供應(yīng)有限責(zé)任公司，河南 三門(mén)峽 472300）

采煤沉陷區(qū)造成的地質(zhì)災(zāi)害對(duì)高壓架空輸電線(xiàn)桿塔的安全運(yùn)行形成了嚴(yán)重威脅。河南能源化工集團(tuán)義煤公司礦區(qū)是中國(guó)重要的能源化工基地，近年，由地質(zhì)沉陷區(qū)引起的高壓桿塔傾斜帶來(lái)的垂弧、絕緣擊穿等故障時(shí)有發(fā)生，導(dǎo)致礦區(qū)供電異常，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰，最終帶來(lái)嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和安全事故。

本系統(tǒng)針對(duì)采煤沉陷區(qū)或者地質(zhì)構(gòu)造不穩(wěn)定地區(qū)高壓輸電桿塔易發(fā)生傾斜和地基沉降，而人工巡檢工作量大且無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障隱患的現(xiàn)狀，開(kāi)發(fā)了一套高壓桿塔傾斜在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)采集、無(wú)線(xiàn)傳輸桿塔傾斜、風(fēng)速、風(fēng)向等參數(shù)，并據(jù)此進(jìn)行趨勢(shì)分析和故障預(yù)警，對(duì)于保障電網(wǎng)安全供電、降低運(yùn)維人員勞動(dòng)強(qiáng)度具有重要意義。

由于一軸加速度傳感器無(wú)法測(cè)量全擺幅，兩軸傳感器雖然能夠測(cè)量全擺幅，但精度有限，因此本論文采用三軸傳感器[1-2]測(cè)量?jī)A斜角度。

1 傾斜在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 傾斜傳感裝置

高精度傾斜傳感裝置由三軸加速傾斜傳感器、信號(hào)處理電路、主控單元、信號(hào)收發(fā)和電源五部分模塊組成，各電路模塊之間的硬件框圖，如圖1所示。

圖1 高精度傳感裝置硬件框圖

1.2 數(shù)據(jù)傳輸裝置

根據(jù)對(duì)系統(tǒng)采集傳輸數(shù)據(jù)的需求分析，本模塊設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于NB-IoT數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡凸慕K端系統(tǒng)，終端模組采用TI公司的低功耗TMS320F2812芯片作為主控芯片，Quectel公司的BC95模塊作為收發(fā)數(shù)據(jù)的NB-IoT通信模塊。基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)前端硬件設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 總體結(jié)構(gòu)

1.3 傾斜在線(xiàn)監(jiān)測(cè)整體系統(tǒng)

高壓桿塔傾斜監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)系統(tǒng)采用先進(jìn)智能的信號(hào)采集、網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，結(jié)合傳感器技術(shù)、電子測(cè)量技術(shù)、智能數(shù)據(jù)分析技術(shù)，對(duì)輸電桿塔安全信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并根據(jù)數(shù)據(jù)分析及時(shí)做出預(yù)警和告警。系統(tǒng)兼具智能化、云模式、高精度等多重優(yōu)勢(shì)。對(duì)超標(biāo)桿塔狀況及時(shí)進(jìn)行預(yù)警，指導(dǎo)檢修和維護(hù)，提醒運(yùn)行維護(hù)人員加固地基，防止倒塔事故發(fā)生。

高精度傾斜傳感裝置內(nèi)部的傾斜傳感模塊用來(lái)檢測(cè)桿塔的傾斜度，而模塊的主控單元用來(lái)進(jìn)行高精度裝置設(shè)備控制，并將桿塔傾斜數(shù)據(jù)通過(guò)高精度傾斜傳感裝置中的信號(hào)處理電路實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的發(fā)送與轉(zhuǎn)換，然后通過(guò)485通信方式，將傾斜數(shù)據(jù)信息傳給前端數(shù)據(jù)采集裝置，最終由數(shù)據(jù)采集裝置采用窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（NB-IoT），上傳到云端后臺(tái)系統(tǒng)，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

2 實(shí)驗(yàn)分析

設(shè)計(jì)的采煤沉陷區(qū)高壓架空桿塔傾斜在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的高精度傾斜傳感裝置在實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試過(guò)程中，可以實(shí)現(xiàn)傾斜角度的高精度測(cè)量，同時(shí)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的預(yù)警、報(bào)警功能，目前該系統(tǒng)已取得傾斜校準(zhǔn)計(jì)量證書(shū)?，F(xiàn)已在河南能源化工集團(tuán)義煤公司位于采煤沉陷區(qū)的部分輸電桿塔上進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)安裝測(cè)試，如圖4～6所示。

圖4 傳感器單元

圖5 供電單元

圖6 后臺(tái)系統(tǒng)

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的安裝與測(cè)試，采空區(qū)高壓架空桿塔傾斜監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)得到的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)如圖7所示，由于人工安裝存在一定的誤差，安裝后系統(tǒng)云端后臺(tái)顯示的初始數(shù)據(jù)為傾斜0°2'57"，東4°15'45"，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)后臺(tái)預(yù)留功能“置零”后，數(shù)據(jù)如圖8所示，此時(shí)系統(tǒng)云端后臺(tái)顯示的初始數(shù)據(jù)為傾斜北0°0'0"，東0°0'0"。由于采空區(qū)高壓架空桿塔的傾斜是一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間積累的過(guò)程，在20天的觀(guān)察下桿塔傾斜情況如圖9所示，此時(shí)系統(tǒng)云端后臺(tái)顯示的初始數(shù)據(jù)為傾斜北0°1'14"，西0°5'18"。

圖7 現(xiàn)場(chǎng)安裝后數(shù)據(jù)

圖8 系統(tǒng)置零后數(shù)據(jù)

圖9 目前桿塔傾斜數(shù)據(jù)

圖8表明桿塔在南和西方位已經(jīng)產(chǎn)生了偏南0°1'14"，偏西0°3'17"的傾斜角度，由此我們可以看出該桿塔確實(shí)已經(jīng)發(fā)生了約5'的傾斜，同時(shí)也表明了位于采空區(qū)高壓架空桿塔安裝傾斜在線(xiàn)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的必要性。

3 結(jié)束語(yǔ)

為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)高精度測(cè)量采煤沉陷區(qū)高壓架空輸電桿塔的傾斜角度，本文設(shè)計(jì)了采空區(qū)高壓架空桿塔傾斜監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，在經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室以及現(xiàn)場(chǎng)的工業(yè)性實(shí)驗(yàn)后，均表明該系統(tǒng)能正常實(shí)現(xiàn)傾斜角度的實(shí)時(shí)測(cè)量，同時(shí)采取無(wú)動(dòng)作、預(yù)警或報(bào)警功能，完全能夠滿(mǎn)足礦區(qū)高壓架空桿塔傾斜角度測(cè)量的要求；滿(mǎn)足礦區(qū)安全供電的要求，實(shí)現(xiàn)礦區(qū)的安全生產(chǎn)。