架空輸電線路施工實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王軍龍韓啟云焦 劍，李 凱劉云飛

（1.國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司宣城供電公司，安徽 宣城 242000；2.安徽送變電工程有限公司，安徽 合肥 230022）

0 引言

架空輸電線路張力放線是線路施工中設(shè)備投入多、技術(shù)含量高、安全風(fēng)險(xiǎn)大的作業(yè)過程。放線施工時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)指揮人員要實(shí)時(shí)掌握導(dǎo)線展放過程中的動(dòng)態(tài)工況［1］。在導(dǎo)線展放過程中，采用人員現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)信號(hào)的方式對(duì)被跨越物安全距離進(jìn)行監(jiān)控，但要投入大量的人力資源，監(jiān)測(cè)結(jié)果還會(huì)受人為及地理環(huán)境因素的影響，存在著較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。為了能及時(shí)掌握張力放線施工過程的動(dòng)態(tài)工況，從而開發(fā)出適用于架空輸電線路導(dǎo)線展放施工的架空輸電線路施工實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［2］。

1 系統(tǒng)總體思路

1.1 原理概述

架空輸電線路張力放線智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（見圖1）是集傳感器測(cè)量、無線數(shù)字通信、計(jì)算機(jī)通信等為一體的綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過對(duì)荷載可測(cè)式放線滑車、智能走板、無線數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)、手持終端、中心基站進(jìn)行研發(fā)，并利用無線數(shù)字通信技術(shù)來組建局域無線通信網(wǎng)絡(luò)，從而在架空輸電線路張力放線施工過程中實(shí)現(xiàn)對(duì)走板姿態(tài)及位置、子導(dǎo)線張力、上揚(yáng)桿位、重要的跨越距離等動(dòng)態(tài)工況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖1 系統(tǒng)應(yīng)用施工布置網(wǎng)絡(luò)圖

1.2 系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)由弧垂觀測(cè)裝置、中心基站、荷載可測(cè)式放線滑車、智能放線走板、通信中繼電臺(tái)和手持終端組成。智能放線走板內(nèi)嵌子導(dǎo)線受力監(jiān)測(cè)單元、GPS走板定位單元和走板傾斜狀態(tài)傳感器，荷載可測(cè)式放線滑車內(nèi)嵌力學(xué)傳感器。

1.3 作業(yè)指揮

當(dāng)指揮人員離開中心基站后，其通過手持終端可及時(shí)掌握導(dǎo)線展放過程中的重要信息，放線區(qū)段可設(shè)置2～3個(gè)流動(dòng)應(yīng)急處理小組，每個(gè)應(yīng)急處理小組通過配備的手持終端來掌握放線區(qū)段內(nèi)的動(dòng)態(tài)情況，可實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)指揮人員發(fā)出的指令，使應(yīng)急處理具有針對(duì)性，從而提高張力放線的施工效率。

2 系統(tǒng)研究實(shí)施

2.1 傳感器選型與應(yīng)用研究

選擇合適的水平傾角傳感器、受力傳感器、GPS單元傳感器等。根據(jù)選好的傳感器，對(duì)智能走板和荷載可測(cè)式放線滑車進(jìn)行定制。

2.2 無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)研究

利用無線通信技術(shù)和5G技術(shù)，可自行組建一個(gè)兼容性穩(wěn)定、具有遠(yuǎn)程通信能力的無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。

2.3 數(shù)據(jù)處理軟件及中心基站研究

在該系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)處理軟件處于主導(dǎo)地位，其通過向采集終端發(fā)送數(shù)據(jù)回傳指令，并接收采集終端發(fā)送的數(shù)據(jù)，在后臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理。數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)采集指令、手持終端運(yùn)行參數(shù)、手持終端顯示數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送和采集終端數(shù)據(jù)的接收及運(yùn)算處理，是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的核心［3］。

2.4 手持終端研究

手持終端為手腕式便攜數(shù)據(jù)終端，手持終端在接收到中心基站發(fā)來的數(shù)據(jù)信息后，由數(shù)據(jù)處理器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分組處理和顯示，為應(yīng)急處理人員提供當(dāng)前放線區(qū)段內(nèi)的重要信息。

2.5 系統(tǒng)集成與試驗(yàn)

對(duì)系統(tǒng)所有分部完成調(diào)試后，首先在室內(nèi)進(jìn)行模擬試驗(yàn)，然后在實(shí)際線路上進(jìn)行試驗(yàn)，并邀請(qǐng)國(guó)內(nèi)相關(guān)專家進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀摩、評(píng)價(jià)和指導(dǎo)，其可對(duì)產(chǎn)品提出改進(jìn)意見［4］。

3 中心基站研制

通過運(yùn)行系統(tǒng)軟件，中心基站可實(shí)現(xiàn)與智能走板、荷載可測(cè)式放線滑車、手持終端的數(shù)據(jù)交換，其是整個(gè)系統(tǒng)的核心。系統(tǒng)軟件具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力、友好的界面輸入輸出功能。施工前，可將放線段的斷面數(shù)據(jù)（檔距、桿位高程、呼高、重要跨越等）錄入到中心基站的系統(tǒng)軟件中，施工過程中根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（動(dòng)態(tài)顯示走板的位置、高度、速度、姿態(tài)及子導(dǎo)線受力、放線滑車所受荷載等）進(jìn)行運(yùn)算處理，并實(shí)時(shí)繪制出放線檔內(nèi)的導(dǎo)線斷面模擬圖。同時(shí)，根據(jù)滑車荷載、牽張力等信息，來實(shí)時(shí)顯示放線區(qū)段內(nèi)導(dǎo)線與各跨越物的垂直距離，并判斷當(dāng)前施工區(qū)段作業(yè)狀況是否安全，同時(shí)其具有自動(dòng)報(bào)警、指示危險(xiǎn)位置及通信故障報(bào)警功能。通過無線網(wǎng)絡(luò)將相關(guān)信息發(fā)送到各手持終端，手持終端能與中心基站同步顯示相關(guān)信息［5］。

系統(tǒng)中心基站是系統(tǒng)運(yùn)行的最高指揮監(jiān)測(cè)單元，中心基站（見圖2）由數(shù)據(jù)處理單元（以工控計(jì)算機(jī)為核心）、無線通信單元、供電單元、輸入單元、報(bào)警單元組成。在工控計(jì)算機(jī)上運(yùn)行系統(tǒng)軟件，通過無線通信單元及中繼電臺(tái)來循環(huán)發(fā)送指令，對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，運(yùn)算處理后以圖像的方式將結(jié)果顯示出來，并通過無線通信單元將結(jié)果發(fā)送到手持終端上。中心基站在整個(gè)系統(tǒng)中處于核心的主導(dǎo)地位，通過運(yùn)行專用的系統(tǒng)監(jiān)測(cè)軟件使整個(gè)系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行。

圖2 中心基站系統(tǒng)原理圖

4 走板研制

智能放線走板對(duì)走板的姿態(tài)、行走速度、相對(duì)地面高度、子導(dǎo)線的受力情況等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并根據(jù)中心基站的指令反饋來進(jìn)行測(cè)量。智能走板（見圖3）由GPS定位單元、傾角傳感器、力學(xué)傳感器、數(shù)據(jù)處理單元、無線通信單元和供電單元組成。在放線過程中，智能走板可對(duì)走板在放線區(qū)段中的位置、走板在水平面內(nèi)的姿態(tài)、子導(dǎo)線的受力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)［6］。

圖3 智能走板電路系統(tǒng)圖

5 荷載可測(cè)式放線滑車研制

荷載可測(cè)式放線滑車（見圖4）可根據(jù)中心基站發(fā)出的指令來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其所受荷載大小，并將測(cè)量到的數(shù)據(jù)反饋給基站。荷載可測(cè)式放線滑車可對(duì)重要桿位滑車的受力、轉(zhuǎn)角塔滑車的預(yù)傾斜等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過在常規(guī)滑車內(nèi)嵌入力學(xué)傳感器和傾角傳感器，由數(shù)據(jù)采集中繼臺(tái)負(fù)責(zé)采集相關(guān)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)上傳到中心基站。荷載可測(cè)式放線滑車的使用、懸掛方式和普通的放線滑車相同，這為重要桿位滑車受力測(cè)控、走板過轉(zhuǎn)角塔預(yù)傾斜角度與滑車預(yù)傾斜角度是否匹配提供了依據(jù)。其通過無線通信網(wǎng)絡(luò)將測(cè)量到的數(shù)據(jù)傳到中心基站，數(shù)據(jù)經(jīng)中心基站處理后可供施工人員查閱［7］。

圖4 荷載可測(cè)式放線滑車系統(tǒng)原理圖

6 通信中繼電臺(tái)研制

通信中繼電臺(tái)主要對(duì)沿途信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)延續(xù)。由于送電線路導(dǎo)線展放數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)終端分布點(diǎn)的數(shù)量較多，區(qū)段較長(zhǎng)，且地形復(fù)雜，而智能走板是移動(dòng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)終端。為保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)能夠有效傳輸，根據(jù)平斷面圖信息，將通信中繼電臺(tái)合理地安放在不同的鐵塔上，從而保證信號(hào)能夠良好暢通，使系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行。中繼電臺(tái)（見圖5）由無線通信單元、數(shù)據(jù)管理單元、電臺(tái)工作信息指示單元、供電單元組成，其為系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋提供延續(xù)服務(wù)［8］。

圖5 通信中繼電臺(tái)系統(tǒng)原理圖

7 數(shù)據(jù)手持監(jiān)測(cè)終端研制

手持終端（見圖6）可實(shí)時(shí)接收中心基站發(fā)來的信息，可查看走板位置、高度、速度、姿態(tài)、子導(dǎo)線受力和放線滑車所受荷載等信息，并能顯示走板所在放線檔內(nèi)的斷面模擬圖，還可顯示放線區(qū)段內(nèi)導(dǎo)線與各跨越物的垂直距離，其還具有提示未接收到中心基站數(shù)據(jù)的功能，指揮人員可通過手持終端及時(shí)掌握導(dǎo)線展放過程中的重要信息［9］。

圖6 數(shù)據(jù)手持監(jiān)測(cè)終端原理圖

無線數(shù)據(jù)手持終端為便攜式手持設(shè)備，其可接收中心基站發(fā)出的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)廣播信號(hào)，并可在液晶顯示屏上顯示走板所在的圖形界面，以數(shù)據(jù)的形式來顯示整個(gè)放線區(qū)段內(nèi)滑車的受力情況，包括實(shí)時(shí)走板位置、走板高程信息、子導(dǎo)線受力、走板傾斜狀況、走板所在放線檔內(nèi)導(dǎo)線/牽引繩弧垂示意圖、導(dǎo)線或牽引繩對(duì)重要跨越物高度數(shù)據(jù)、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、本機(jī)電池電量信息參數(shù)［10］。

8 效益分析

架空輸電線路施工實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以減少施工人員數(shù)量、降低施工成本、提高施工效率為目標(biāo)，可提高架空輸電線路張力放線過程中的安全管理和質(zhì)量管理水平，為實(shí)現(xiàn)架空輸電線路張力放線施工現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)字化、可視化施工提供強(qiáng)有力的技術(shù)保障，為電網(wǎng)建設(shè)的科技創(chuàng)新和施工建設(shè)過程更加安全、可靠和高效地運(yùn)行積累寶貴經(jīng)驗(yàn)。在減少施工人員力量投入的同時(shí)，提高施工效率。以500 kV工程按照每區(qū)段3相、區(qū)段長(zhǎng)6.0 km、節(jié)約人員投入15人為例，可計(jì)算出在每個(gè)放線區(qū)段施工中平均節(jié)約工期約為1 d，每個(gè)放線區(qū)段施工中可節(jié)余費(fèi)用5萬元［11］。

9 結(jié)語

架空輸電線路施工實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制與應(yīng)用填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)在輸變電工程放線走板智能化方面的空白，為國(guó)內(nèi)送變電工程張力放線施工的智能化控制提供技術(shù)支持，對(duì)提高張力放線科技裝備水平、安全控制水平有重要意義。