基于衛(wèi)星定位技術(shù)的輸電桿塔傾斜監(jiān)測(cè)方法研究

汪 鵬，王 宇，張棟翔，祝 金，劉 軒

（內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010020）

衛(wèi)星定位是以衛(wèi)星設(shè)備作為主要取樣結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)定位技術(shù)，能夠較好地克服傳統(tǒng)定位方法精度低、實(shí)時(shí)性差、導(dǎo)航能力弱的問(wèn)題，可在特定空間環(huán)境中，為系統(tǒng)主機(jī)提供準(zhǔn)確的可參考信息。一個(gè)完整的衛(wèi)星定位系統(tǒng)需同時(shí)包含空間、地面、設(shè)備等多個(gè)組成部分。其中，空間部分位于飛行設(shè)備結(jié)構(gòu)之上，可在日常飛行過(guò)程中，對(duì)區(qū)域環(huán)境的地面信息進(jìn)行考察與記錄[1]。地面部分也叫地表基站，負(fù)責(zé)為飛行結(jié)構(gòu)提供可參考的飛行數(shù)據(jù)信息，并可接收飛行設(shè)備反饋回來(lái)的信息文件。設(shè)備部分則直接由多個(gè)相互關(guān)聯(lián)的應(yīng)用主機(jī)構(gòu)成。

輸電桿塔是電網(wǎng)架空線路的支撐點(diǎn)，包含一根輸電桿塔配電網(wǎng)的被稱(chēng)為單回路輸電網(wǎng)絡(luò)，包含兩根及兩根以上輸電桿塔的配電網(wǎng)被稱(chēng)為多回路輸電網(wǎng)絡(luò)[2]。在輸電回路網(wǎng)絡(luò)中，由于輸電桿塔的傾斜問(wèn)題，易導(dǎo)致電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行能力的持續(xù)下降。為避免上述情況的發(fā)生，傳統(tǒng)偽衛(wèi)星監(jiān)測(cè)手段在載波定位差分定位模型的支持下，獲得準(zhǔn)確的衛(wèi)星信號(hào)輸出觀測(cè)值，再通過(guò)卡爾曼濾波算法，計(jì)算輸電網(wǎng)絡(luò)主機(jī)所能承擔(dān)的電子量。然而該方法并不能對(duì)大面積停電現(xiàn)象進(jìn)行有效抑制，其實(shí)際應(yīng)用能力依然難以達(dá)到理想化的水平標(biāo)準(zhǔn)。

為解決該問(wèn)題，提出基于衛(wèi)星定位技術(shù)的新型輸電桿塔傾斜監(jiān)測(cè)方法，通過(guò)GPS 節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)的方式，確定輸電網(wǎng)絡(luò)的同步時(shí)鐘模式，再借助位移載荷量的計(jì)算結(jié)果，對(duì)相關(guān)監(jiān)測(cè)系數(shù)進(jìn)行標(biāo)定處理。

1 衛(wèi)星定位技術(shù)的非線性問(wèn)題

1.1 GPS節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)

GPS 節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)可根據(jù)衛(wèi)星信號(hào)收發(fā)器所處的實(shí)際位置，對(duì)相關(guān)定位節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)規(guī)劃，從而使地面基站主機(jī)能夠獲得準(zhǔn)確的衛(wèi)星定位信息，以控制輸電桿塔的實(shí)際傾斜程度[3-4]。在輸配電網(wǎng)絡(luò)中，衛(wèi)星信號(hào)收發(fā)器所處位置始終為固定、不可變的。而在一個(gè)配電網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，則可同時(shí)存在多個(gè)GPS 節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)對(duì)象可在反饋信道的作用下，建立與收發(fā)器設(shè)備間的應(yīng)用連接，且在該過(guò)程中，輸電監(jiān)測(cè)信號(hào)可在X、Y、Z軸3 個(gè)方向上共同傳輸，最終哪個(gè)方向上的輸電信號(hào)位移量最為明顯，則該方向即為輸電桿塔的實(shí)際傾斜方向，該方向上的位移變化量即為輸電桿塔的實(shí)際傾斜量。

圖1 GPS節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)原理

1.2 同步時(shí)鐘模式

輸電桿塔傾斜監(jiān)測(cè)方法的同步時(shí)鐘模式由GPS節(jié)點(diǎn)、衛(wèi)星信號(hào)發(fā)射端兩部分共同組成，可為地面基站主機(jī)提供準(zhǔn)確的定位系數(shù)修正結(jié)果，在已知標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘周期結(jié)果的情況下，對(duì)實(shí)際傾斜角度監(jiān)測(cè)時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行初步估計(jì)[5]。與傳統(tǒng)偽衛(wèi)星監(jiān)測(cè)方法不同，基于衛(wèi)星定位技術(shù)的同步時(shí)鐘模式需要一個(gè)主監(jiān)控站和多個(gè)次級(jí)信號(hào)監(jiān)測(cè)站，前者能夠準(zhǔn)確記錄輸電桿塔在單位時(shí)間內(nèi)的傾斜作用趨勢(shì)，后者則能夠根據(jù)記錄數(shù)據(jù)，生成完整的監(jiān)測(cè)信息記錄。并可在衛(wèi)星信道組織的作用下，將這些文件信息反饋至下級(jí)電網(wǎng)應(yīng)用設(shè)備元件中[6-7]。設(shè)β代表配電網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的GPS 節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)系數(shù)，χ代表衛(wèi)星輸出信號(hào)的定位項(xiàng)指標(biāo)，聯(lián)立上述物理量，可將輸電桿塔傾斜監(jiān)測(cè)方法的同步時(shí)鐘模式定義為：

式中，代表配電衛(wèi)星信號(hào)的輸出均值量，φ代表衛(wèi)星輸出信號(hào)的定位特征值，y代表輸電桿塔的傾斜權(quán)限量。

1.3 定位精度因子

在輸配電網(wǎng)絡(luò)的衛(wèi)星定位過(guò)程中，衛(wèi)星信號(hào)收發(fā)器布局是最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，會(huì)影響主機(jī)對(duì)于輸電桿塔傾斜角度的最終判定結(jié)果。較差的衛(wèi)星布局形狀能夠放大定位主機(jī)與信號(hào)收發(fā)器間的測(cè)距誤差值，最后造成監(jiān)測(cè)誤差值的持續(xù)增大。定位精度因子可用來(lái)評(píng)價(jià)衛(wèi)星信號(hào)收發(fā)器的幾何分布情況，且由于精度衰減因子及誤差放大倍數(shù)的影響，GPS 節(jié)點(diǎn)調(diào)試誤差也能在一定程度上反映定位精度因子的誤差量，該項(xiàng)物理系數(shù)的水平也會(huì)隨衛(wèi)星信號(hào)收發(fā)器所處位置的改變而發(fā)生變化[8-9]。當(dāng)定位精度因子較小時(shí)，最終計(jì)算所得的輸電桿塔傾斜角度監(jiān)測(cè)誤差值也相對(duì)較小，反之則相對(duì)較大。設(shè)ΔR代表單位時(shí)間內(nèi)的配電變化量，d1、d2分別代表兩個(gè)不同的配電量傳輸時(shí)長(zhǎng)，聯(lián)立式（1），可將輸電桿塔傾斜監(jiān)測(cè)方法的定位精度因子表示為：

其中，λ代表衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)定位系數(shù)，u代表傳輸電量的定位精度指標(biāo)。

2 輸電桿塔傾斜監(jiān)測(cè)方法

在衛(wèi)星定位技術(shù)的支持下，按照輸電桿塔結(jié)構(gòu)的搭建、位移載荷量的計(jì)算及監(jiān)測(cè)系數(shù)標(biāo)定的處理流程，實(shí)現(xiàn)輸電桿塔傾斜監(jiān)測(cè)方法的順利應(yīng)用。

2.1 輸電桿塔結(jié)構(gòu)

輸電桿塔由塔腳、塔腿、塔身、上曲臂、下曲臂等多個(gè)結(jié)構(gòu)共同組成。其中地線支架位于輸電桿塔頂端，將電量負(fù)載壓力釋放至上曲臂和下曲臂結(jié)構(gòu)體中，從而使輸電桿塔的上部壓力干擾水平長(zhǎng)期保持穩(wěn)定狀態(tài)[10]。塔身、塔腿、塔腳屬于同一條水平直線上，可在承擔(dān)上部曲臂結(jié)構(gòu)物理壓力的基礎(chǔ)上，建立輸電桿塔與地面環(huán)境之間的電量傳輸關(guān)系，從而使傳輸電流、傳輸電壓釋放于地表環(huán)境中，使輸電線路桿塔內(nèi)的供電環(huán)境能夠長(zhǎng)久趨于穩(wěn)定[11-12]。由于穩(wěn)固材料的存在，輸電線路桿塔側(cè)面結(jié)構(gòu)始終具備較強(qiáng)的負(fù)載穩(wěn)定作用，可在吸收多余傳輸電子的同時(shí)，有效保障輸電桿塔整體結(jié)構(gòu)的的連接能力，這也是輸電桿塔能夠保持長(zhǎng)期穩(wěn)定應(yīng)用的主要原因。

圖2 輸電桿塔結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 位移載荷量

大多數(shù)輸電線路桿塔都位于山區(qū)環(huán)境中，且絕大多數(shù)地區(qū)的地質(zhì)和地形也都存在滑動(dòng)的可能性，因而易導(dǎo)致滑坡災(zāi)害的發(fā)生。在山體滑坡發(fā)生的初期階段，由于輸電桿塔位于易滑坡的山體結(jié)構(gòu)之上，坡體頂端會(huì)出現(xiàn)緩緩下移的變化情況。在自然環(huán)境下，滑坡體會(huì)因物理沉積作用而逐漸下滑，而在其上表面架設(shè)輸電桿塔結(jié)構(gòu)后，整個(gè)坡體則會(huì)因支撐點(diǎn)的流失而快速向下滑落[13-14]。位移載荷量是與輸電桿塔相關(guān)的在外力載荷作用下的滑動(dòng)變化量，隨電量負(fù)載力作用的增大，該項(xiàng)物理量的數(shù)值變化水平也會(huì)逐漸增大，直至能夠與配電衛(wèi)星定位技術(shù)的實(shí)踐需求完全匹配。設(shè)ε0代表最小的電量位移載荷系數(shù)，εn代表最大的電量位移載荷系數(shù)，n代表輸電桿塔結(jié)構(gòu)的支撐載荷量系數(shù)值，聯(lián)立式（2），可將輸電桿塔的位移載荷量表示為：

式中，γ代表初發(fā)階段的山體滑坡系數(shù)，h1代表第一個(gè)配網(wǎng)載荷量，hn代表第n個(gè)配網(wǎng)載荷量，kn代表第n個(gè)配網(wǎng)電量特征值。

2.3 監(jiān)測(cè)系數(shù)標(biāo)定

監(jiān)測(cè)系數(shù)標(biāo)定是輸電桿塔傾斜監(jiān)測(cè)方法設(shè)計(jì)的末尾處理環(huán)節(jié)，可在已知位移載荷的情況下，對(duì)衛(wèi)星定位技術(shù)的實(shí)際作用能力進(jìn)行有效權(quán)衡，從而使整個(gè)配電網(wǎng)環(huán)境能夠長(zhǎng)期保持相對(duì)穩(wěn)定的應(yīng)用連接狀態(tài)[15-16]。監(jiān)測(cè)系數(shù)是對(duì)輸電桿塔所具備電量承載能力的描述，一般情況下，監(jiān)測(cè)系數(shù)標(biāo)定值的數(shù)量級(jí)水平越高，最終所定義監(jiān)測(cè)方法的應(yīng)用能力也就越強(qiáng)，反之則越弱。規(guī)定在單位電量傳輸時(shí)間內(nèi)，輸電桿塔結(jié)構(gòu)所能承擔(dān)的最大電子傳輸量只能達(dá)到且在衛(wèi)星主機(jī)上所能感知的電子傳輸量保持為時(shí)，整個(gè)配電網(wǎng)絡(luò)中的電壓與電流傳輸值也會(huì)在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到極值的應(yīng)用狀態(tài)。在上述物理量的支持下，聯(lián)立式（3），可將輸電桿塔的監(jiān)測(cè)系數(shù)標(biāo)定結(jié)果表示為：

其中，θ代表配電網(wǎng)環(huán)境中的電子量測(cè)算系數(shù)，v0、vn分別代表衛(wèi)星輸電定位的下限與上限監(jiān)測(cè)條件，ξ代表既定的電子量監(jiān)測(cè)系數(shù)指標(biāo)，c1、c2分別代表兩個(gè)不同的輸電桿塔傾斜行為參量。支持并實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)系數(shù)應(yīng)用指標(biāo)的計(jì)算與處理，在衛(wèi)星定位技術(shù)的支持下，完成新型輸電桿塔的傾斜監(jiān)測(cè)方法的設(shè)計(jì)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為驗(yàn)證基于衛(wèi)星定位技術(shù)輸電桿塔傾斜監(jiān)測(cè)方法的實(shí)際應(yīng)用性能，設(shè)計(jì)如下對(duì)比實(shí)驗(yàn)。以圖3 所示的輸電桿塔設(shè)備作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，分別將其與實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組配電網(wǎng)絡(luò)相連，其中實(shí)驗(yàn)組網(wǎng)絡(luò)搭載基于衛(wèi)星定位技術(shù)的輸電桿塔傾斜監(jiān)測(cè)方法，對(duì)照組網(wǎng)絡(luò)搭載傳統(tǒng)偽衛(wèi)星監(jiān)測(cè)方法。

圖3 實(shí)驗(yàn)用輸電桿塔設(shè)備

已知當(dāng)輸電桿塔傾角定位精度處于60%～80%之間時(shí)，其監(jiān)測(cè)行為才具有可參考價(jià)值，否則可認(rèn)為所采取的監(jiān)測(cè)方法不具備可參考價(jià)值。表1 記錄了實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組在10°～100°傾角環(huán)境中的定位精度值。

表1 輸電桿塔傾角定位精度值

分析表1可知，實(shí)驗(yàn)組傾角定位精度值在10°～80°的傾角環(huán)境中，始終能夠保持較為可信的定位精準(zhǔn)度水平，而當(dāng)傾角達(dá)到90°時(shí)，實(shí)際定位精度值達(dá)到了82.3%，超過(guò)了理想化限定的最大條件。對(duì)照組傾角定位精度值卻只能在40°～60°的傾角環(huán)境中，保持較為可信的定位精準(zhǔn)度水平，而在其他傾角條件下，所記錄的定位精度并不能處于理想?yún)^(qū)間內(nèi)。綜上可知，應(yīng)用基于衛(wèi)星定位技術(shù)輸電桿塔傾斜監(jiān)測(cè)方法后，傾角定位精度更符合實(shí)際應(yīng)用需求，能夠較好地解決因輸電桿塔傾斜行為而造成的大面積停電問(wèn)題。

TID 指標(biāo)能夠描述應(yīng)用電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行能力，一般情況下，TID 指標(biāo)越大，應(yīng)用電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行能力也就越強(qiáng)，反之則越弱。表2 記錄了實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組TID 指標(biāo)的具體變化情況。

分析表2 可知，隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)組TID 指標(biāo)始終保持相對(duì)穩(wěn)定的波動(dòng)變化狀態(tài)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的最大數(shù)值結(jié)果達(dá)到了73.69%。對(duì)照組TID 指標(biāo)則保持先上升、再穩(wěn)定的變化狀態(tài)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的最大結(jié)果僅能達(dá)到40.73%，與實(shí)驗(yàn)組的最大值相比，下降了32.94%。綜上可知，應(yīng)用基于衛(wèi)星定位技術(shù)輸電桿塔傾斜監(jiān)測(cè)方法后，TID 指標(biāo)出現(xiàn)了明顯上升的數(shù)值變化趨勢(shì)，可大幅促進(jìn)應(yīng)用電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行能力。

表2 TID指標(biāo)對(duì)比表

4 結(jié)束語(yǔ)

在衛(wèi)星定位技術(shù)的支持下，新型輸電桿塔傾斜監(jiān)測(cè)方法針對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行能力較差的問(wèn)題進(jìn)行了改進(jìn)，聯(lián)合定位精度因子，計(jì)算位移載荷的實(shí)際水平，不僅促進(jìn)了輸電桿塔傾角定位精度值的提升，也可使TID 指標(biāo)結(jié)果得到了有效提高，能夠解決因輸電桿塔傾斜行為而造成的大面積停電問(wèn)題。