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(qiáng)外力作用下發(fā)生形變、傾斜乃至傾覆。尤其當(dāng)輸電桿塔基礎(chǔ)位于高邊坡位置時(shí)，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(dāng)其跨越高原、山地等區(qū)域時(shí)，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(huì)破壞邊坡本身的穩(wěn)定性，引發(fā)邊坡滑坡。強(qiáng)降雨等極端天氣也會(huì)對(duì)邊坡結(jié)構(gòu)產(chǎn)生沖刷和潤滑作用，促進(jìn)山體滑坡。

當(dāng)探測(cè)到邊坡發(fā)生結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的早期征兆時(shí)，可以通過錨固、支護(hù)等方式對(duì)邊坡結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)。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。因此很有必要對(duì)輸電桿塔邊坡監(jiān)測(cè)技術(shù)展開研究。

北斗系統(tǒng)作為我國自主研發(fā)的導(dǎo)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。將北斗導(dǎo)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(duì)應(yīng)用北斗高精定位技術(shù)對(duì)輸電桿塔邊坡監(jiān)視進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)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(tái)，并通過高邊坡輸電桿塔實(shí)施實(shí)例對(duì)系統(tǒng)效果進(jìn)行說明，以期為輸電桿塔邊坡監(jiān)測(cè)實(shí)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(duì)輸電桿塔結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。有學(xué)者提出了一種利用北斗系統(tǒng)定位實(shí)現(xiàn)輸電桿塔在線監(jiān)測(cè)的構(gòu)想，基于GPS和北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)了接收機(jī)終端，但其使用的北斗基礎(chǔ)定位服務(wù)只能達(dá)到10m的定位精度，遠(yuǎn)不能滿足輸電桿塔邊坡穩(wěn)定情況準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)的需求。

有學(xué)者采用在輸電桿塔旁邊設(shè)置實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)（real-time kinematic, RTK）基站的方式對(duì)輸電桿塔基礎(chǔ)位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)桿塔毫米級(jí)形變量的監(jiān)測(cè)，并通過工程實(shí)例驗(yàn)證了該系統(tǒng)的實(shí)施效果，但這種方法對(duì)每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)需要單獨(dú)設(shè)置定位基站，在限制應(yīng)用條件的同時(shí)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(zhǔn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)北斗接收機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實(shí)時(shí)解算出監(jiān)測(cè)點(diǎn)毫米級(jí)的三維坐標(biāo)。通過分析各監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)的三維坐標(biāo)，并與初始坐標(biāo)進(jìn)行比對(duì)，從而獲得該監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(zhǔn)數(shù)據(jù)為電力桿塔邊坡監(jiān)視提供位置校準(zhǔn)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(yùn)營。至今全國共有2 700多個(gè)工作基站。截至目前，厘米級(jí)定位服務(wù)可以覆蓋全國20個(gè)省市。具體到南方電網(wǎng)運(yùn)營范圍，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了毫米級(jí)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(shí)意義。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

輸電桿塔邊坡監(jiān)測(cè)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(tái)對(duì)偏移量信息進(jìn)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。基站為參考基準(zhǔn)，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(jī)、數(shù)據(jù)傳輸模塊、供能模塊，實(shí)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。基站采用有線專網(wǎng)的方式進(jìn)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳。

系統(tǒng)應(yīng)用控制層實(shí)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(cè)量數(shù)據(jù)達(dá)到毫米級(jí)定位。可視化界面形成邊坡位置信息量的三維-時(shí)間圖展示給用戶。

3 數(shù)據(jù)采集終端

3.1 北斗接收機(jī)

北斗接收機(jī)獲取導(dǎo)航衛(wèi)星的定位信息，包括星歷數(shù)據(jù)和觀測(cè)數(shù)據(jù)。

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

圖2 北斗接收機(jī)

在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，測(cè)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(diǎn)名稱（access point name, APN）的方式實(shí)現(xiàn)專網(wǎng)通信，保障數(shù)據(jù)安全。

相對(duì)于有線網(wǎng)絡(luò)，無線專網(wǎng)的布置相對(duì)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(shí)施。無線通信模塊在調(diào)試完成后，在4G信號(hào)覆蓋區(qū)域即可使用。

通過向通信運(yùn)營商申請(qǐng)指定APN的方式訪問專用APN使用權(quán)。通過使用通信運(yùn)營商的專網(wǎng)用戶身份識(shí)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(jìn)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(jī)的定位數(shù)據(jù)，并通過專線APN實(shí)現(xiàn)端對(duì)端的通信。經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用檢驗(yàn)，在5Mbit/s帶寬環(huán)境下，可以實(shí)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(jìn)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(jī)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(jì)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P-V特性曲線的最大功率點(diǎn)。

系統(tǒng)裝配蓄電池作為儲(chǔ)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(dòng)性與間歇性，而裝置運(yùn)行需要穩(wěn)定的電力供應(yīng)。因此，需要配備蓄電池儲(chǔ)存光照條件良好時(shí)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(shí)，進(jìn)行初始充電；當(dāng)蓄電池正常充電時(shí)，采用均衡充電；當(dāng)蓄電池充電完成時(shí)，進(jìn)行浮充。

太陽能控制器對(duì)蓄電池荷電狀態(tài)（state of charge, SOC）進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與管理。當(dāng)蓄電池SOC＞0.9時(shí)，蓄電池充電完成，并進(jìn)行浮充；當(dāng)蓄電池0.9≥SOC≥ 0.2時(shí)，蓄電池正常充電，進(jìn)行均衡充電；當(dāng)蓄電池SOC＜0.2時(shí)，蓄電池進(jìn)入缺電狀態(tài)，斷開負(fù)載電源，待蓄電池恢復(fù)正常電量后投入負(fù)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(dú)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(qiáng)度存在冗余，基礎(chǔ)位置與邊坡之間存在距離，當(dāng)邊坡出現(xiàn)輕微滑坡時(shí)，難以對(duì)輸電桿塔本身造成影響，因此，將數(shù)據(jù)采集終端獨(dú)立安裝于輸電桿塔靠邊坡側(cè)有利于邊坡滑坡的監(jiān)測(cè)。

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(jī)的測(cè)量天線安裝在鋼構(gòu)架頂端，以便于接收導(dǎo)航衛(wèi)星的定位信號(hào)。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。控制箱中包括太陽能控制器、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(dǎo)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(shí)現(xiàn)與后臺(tái)的信息交互。

4 數(shù)據(jù)處理平臺(tái)

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

4.1 位置解算平臺(tái)

位置解算平臺(tái)對(duì)北斗接收機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)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(jī)的高精靜態(tài)定位數(shù)據(jù)。當(dāng)北斗接收機(jī)與基站距離小于10km時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)的定位精度。目前地面參考基站已成網(wǎng)運(yùn)行，對(duì)于南方電網(wǎng)運(yùn)營區(qū)域均可實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)的定位精度。經(jīng)測(cè)算，裝置的定位精度可以達(dá)到水平±2mm+1ppm，高程±5mm+ 1ppm。

1）數(shù)據(jù)預(yù)處理包括對(duì)偏差量較大的數(shù)據(jù)進(jìn)行初篩和剔除，將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)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(cè)數(shù)據(jù)、星歷數(shù)據(jù)、起算坐標(biāo)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(jìn)行讀取。
• （3）提取原始數(shù)據(jù)中的觀測(cè)數(shù)據(jù)，包括觀測(cè)時(shí)刻、觀測(cè)時(shí)記錄的定位坐標(biāo)、偽距以及載波相位數(shù)據(jù)，并進(jìn)行讀取。
• （4）進(jìn)行三差解算。建立涵蓋接收機(jī)間差值、導(dǎo)航衛(wèi)星間差值、歷元間差值的三差觀測(cè)方程。
• （5）周跳修復(fù)。通過載波相位求差法對(duì)發(fā)生周跳的歷元進(jìn)行探測(cè)，并采用擬合法修正發(fā)生周跳的 歷元。
• （6）進(jìn)行雙差浮點(diǎn)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(jìn)行雙差固定解算。

3）網(wǎng)平差處理：對(duì)整個(gè)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行獨(dú)立基線網(wǎng)平差，得到最終坐標(biāo)。

4.2 數(shù)據(jù)分析平臺(tái)

數(shù)據(jù)分析平臺(tái)獲取各監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)的三維坐標(biāo)，并與初始坐標(biāo)進(jìn)行比對(duì)，從而獲得該邊坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移變化量。

對(duì)測(cè)量點(diǎn)有如下關(guān)系：

4.3 展示平臺(tái)

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

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

5 系統(tǒng)實(shí)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(shí)施對(duì)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(jìn)行遮蓋防止水土流失，但仍存在較大邊坡滑坡風(fēng)險(xiǎn)。

設(shè)備管理單位前期采用定期巡視的方式對(duì)邊坡情況進(jìn)行人工檢查。這種方式存在巡檢周期長，交通不便的缺點(diǎn)。并且隨著降水季節(jié)的到來，在邊坡滑坡風(fēng)險(xiǎn)增大的同時(shí)，人工巡檢難度和巡檢風(fēng)險(xiǎn)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(duì)輸電桿塔邊坡滑坡情況進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。實(shí)施效果如圖7所示。

通過數(shù)據(jù)處理平臺(tái)可以得到輸電桿塔邊坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維測(cè)量數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)測(cè)量結(jié)果如圖8所示。根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)可知，輸電桿塔邊坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置波動(dòng)較大，且波動(dòng)量呈增長趨勢(shì)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)查看，該桿塔運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)較大，協(xié)調(diào)基建單位對(duì)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(cè)方法，利用北斗高精定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了輸電桿塔邊坡三維方向上的毫米級(jí)形變量的在線監(jiān)測(cè)。通過在高邊坡桿塔的實(shí)施案例，驗(yàn)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(shí)，提高了監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性，為搭建輸電桿塔邊坡在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供了借鑒。

圖8 數(shù)據(jù)測(cè)量結(jié)果

采用在輸電桿塔邊坡選取測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行邊坡監(jiān)測(cè)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(cè)量點(diǎn)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(shí)踐中，還需增加對(duì)土壤含水量等數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)，以更為全面地進(jìn)行邊坡狀態(tài)評(píng)估。

本文編自2021年第1期《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“北斗高精定位在輸電桿塔邊坡監(jiān)視上的研究與應(yīng)用”，作者為劉永琦、詹志英。