北斗系統在輸電線路防災監測中的應用探索

李 喆，劉浩宇，佘佐超

(國網四川省電力公司成都供電公司, 四川 成都 610041)

0 引 言

四川省的地勢復雜，地形地貌類別多樣，包括了盆地、平原以及山地特征。緊鄰龍門山脈的輸電線路較多，龍門山脈地質條件復雜、降雨豐沛、人類工程活動強烈，部分區域地質災害發生類別多、程度重、輻射廣、頻度高，倒桿斷線的風險較高。這對輸電線路的破壞性最強，電網容災的能力不容樂觀，亟需通過有效的監測手段，設置地災觀測點，對電力設施地質環境位移、沉降等狀態進行高精度監測并及時告警，提升電網地災隱患應急處置能力。文獻[1]利用電力北斗技術，通過其中三大功能之一的短報文通信，開展了北斗系統的地質環境監測信息采集，實現地面以下的監測等典型應用。文獻[2]通過完善形成建筑物坐標監測體系，對北斗系統在城市中建筑物防災減災應用提供了一種新思路，也啟發了編寫思路。文獻[3]采取載波相位差分技術(real-time kinematic,RTK)論證關于桿塔變化中達到厘米程度變化的有關理論。文獻[4]闡述了北斗系統在高緯度東北區域短基線的統計精度。文獻[5]明確了北斗系統在短基線條件下的毫米級分析能力，能夠達到目前市場中所有的精度監測的實際需求。

按照已有的論證成果，下面主要基于桿塔發生沉降的突出情況，通過RTK技術對地質擾動的桿塔沉降情況進行數據監控預警[6]，從而保障了桿塔設備安全穩定的運行。同時對相關數據也進行分析論證[7]，全方位描述北斗系統在實際使用中的應用情況[8]及取得的成效。

1 案例基本情況

成都市220 kV桃圣線M號塔位于成都市主城區某鄉的砂石廠內，桿塔型式為SJ901-30.5(30)，基礎根開12.550 m；基礎形式為人工挖孔樁基礎，A、B、C腿樁基高度9 m、D腿樁基高度7.5 m，直徑1.2 m。該基桿塔位于砂廠內，其中AD、BC、CD面堆放大量砂石且存在塔腳保護帽被埋、小材輕微變形的缺陷。

圖1 220 kV桃圣線M號塔

鐵塔周圍有大量砂石堆積，導致鐵塔基礎附近地質受擠壓后發生持續變化。220 kV桃圣線某塔其中A、B、C腿第一層平臺主材包鋼處，以及第一層平臺橫材均出現不同程度的變形。在夏季連續暴雨天氣中，將該處點位作為重點關注進行多次基礎測量，結果如表1所示。

表1 塔腿根開測量數據 單位：m

由于該塔出現不同程度的變形，對電網安全運行構成極大風險，采用北斗系統桿塔沉降監測裝置對鐵塔塔基位移進行遠程實時監測，可對桿塔沉降情況及時預警。

2 塔基沉降精準定位原理

2.1 基于塔基沉降定位相關原理

北斗精準定位系統由基準站、北斗地面監測站和數據解算中心3部分構成[9]。其中基準站需要安裝在地勢平穩的位置，為運行中的監測站提供相對參考位置[10]，基準站與監測站之間的距離小于20 km，原則上不超過3 m距離，且需要達到聯動效果，才能夠真實體現出監測對象的變化。上述兩個設備的觀測數據通過無線傳輸實時地傳輸至數據解算中心[11]。工作人員可以遠程對數據變化情況進行監控。北斗基準站和監測站需要由全球導航衛星系統天線、全球導航衛星系統接收機、供電系統和通信設備構成。全球導航衛星系統天線采用新型扼流圈型天線，對電磁干擾進行處理[12-13]。基準站、監測站同時采用蓄電池和市電進行供電。

2.2 北斗載波相位定位技術

利用載波相位觀測方法實現北斗高精度差分定位，需設立基準點和監測點。基準點通過當前自身位置信息和北斗衛星實時位置分析得到其真實間距，同時通過載波技術統計得到兩者的實際距離，再以上述實際距離和測量距離的差值為修正數據，修正衛星到監測點的測量距離，以減少大氣電離層、接收機鐘差、衛星鐘差和對流層折射誤差的影響，得到準確的位置信息數據，原理詳見圖2。

圖2 地質災害監測系統原理

3 輸電線路防災監測應用體系

3.1 應用體系框架

在國家電網公司衛星技術數據物聯體系的統一架構上，細化公司的數據物聯體系。構建多源衛星遙感數據接入架構；基于多源衛星遙感數據、時空序列數據、關系數據型數據，構建支撐時空服務總線運行的中間層數據庫，支撐上層應用按照時間、空間、關系等維度開展各種圖分析；構建精準位置數據、授時授頻數據、短報文數據的存儲處理新架構，對數據進行集中存儲和管理，為時空數據服務總線提供時空數據挖掘分析工具。

電網輸電設備防災監測應用體系框架將北斗準確的坐標定位技術作為關鍵點。將基準點(新建設或者其他供應商提供)、桿塔(包括附近環境)以及北斗電力平臺系統等組合為全方位的輸電線路高精度變形監測體系，同時通過全面的比較能夠得到平穩、精準的相關記錄，給輸電線路防災減災帶來支撐。基于電力北斗高精度定位技術可實現桿塔位移、滑坡及偏移的分析，同時可以利用北斗雙天線姿態技術實現桿塔塔形的精確測量[14]。而在現實的場景中，可根據實際需要選擇實時解算或后處理解算兩種處理模式，實現桿塔與附近地質隱患點數據實時、全天侯的自動化采集和監控，它能夠對發生變化的桿塔和附近山體變化帶進行全方位實時有效的毫米級統計。該體系能夠適用于發電場與變電站地面沉降區以及跨越高速、高鐵、江河等的危塔，對其進行載體變形位移、傾斜監測等。

3.2 輸電線路地質災害監測

為了對極端地區地災隱患桿塔進行實時監測，可以通過北斗地基增強網和地災北斗監測點，對頻繁發生山體變化的地質進行全方位實時監測，從而可以提升至毫米級的統計分析。設備安裝在鐵塔附近的危急處，可以按照無線公網、光伏發電的模式進行供電。通過使用北斗監測裝置能夠全方位監測隱患點地表變形情況，實時觀測統計分析數據的變化情況，預先開展防災預警，確保電網穩定有效地運行。

參考成都220 kV桿塔可能存在山體滑坡的風險，根據現場勘察，在桿塔附近地面穩定且地勢較高處建立電力北斗地災監測站。通過電力北斗基準站和后臺解算系統，得到此處30天左右的實際變化情況；同時采用全面統計了解的方法對該監測點每天數據進行計算分析，形成毫米級監測變形量、變形累積量、變形速率數據。通過結合該區域地質情況分析，能夠全面地了解到此處點位發生變化的具體情況。

4 塔基沉降位移監測裝置的安裝與運行

4.1 監測測試

1)對現場環境開展基礎信號測試。采用目測方式檢查周圍環境是否存在遮擋，同時監控實地的傳輸網絡的通信水平、整體冗余度等指標，指標率不能低于99%。2)電磁環境測試。在完成通信環境測試之后，利用頻譜儀測試現場的電磁環境。包括測試1.575 GHz和1.25 GHz頻段是否存在周圍環境的擾動[15]，如載波信號、高次諧波[16]等，整個過程中應不大于-40 dBm。

4.2 監測裝置安裝

經過現場勘察后，發現D號塔基位于泥土層內部，因此其產生變化的概率高，同時D號腿的方向對于信號接收較為順暢，從而決定了沉降監測裝置放置在D號腿相連的平臺上，然后通過澆筑水泥、嵌入固定物體后將監測站點位裝置牢固立在塔基旁，確保兩者之間無任何運動發生的可能性。北斗觀測天線對中固定在觀測桿上，如圖3所示。

圖3 基于塔基沉降的地質災害監測裝置

為了提高監測站的定位精度，基準站以就近原則安裝在監測站附近的平地，遠離地質擾動區域，且基礎堅固、距離監測站約在100 m范圍的附近。

4.3 監測數據分析

以2020年9月7日至9月30日共計24天為例，運行數據如圖4所示。經過持續不間斷監測D號腿在9月14日出現水平與垂直抖動，后又迅速修正，可判定為衛星抖動。而后水平X、Y方向呈往返波動，沒有出現偏移；垂直方向在9月24日等多日出現正向位移，但不久后呈往返波動，確定不存在位移趨勢。D號腿位移量始終小于10 mm，屬于正常的抖動偏差范圍。按照上述判定原則，截至10月1日，塔基實際變化情況為：D號腿垂直方向、水平方向累計無明顯偏移，位移量位于誤差范圍內。

圖4 2020年9月7日至9月30日運行數據

為了能夠全方位地掌握塔基的變化情況，通過沉降裝置與系統對該桿塔的塔基開展為期約30天的連續監測分析，保障了該鐵塔在遷改前的安全穩定運行。

5 結 語

北斗系統的輸電線路地質災害監測預警系統拓展延伸了北斗系統的多項優點，能夠全面匹配與融合輸電桿塔所在位置的周邊情況，達到對地質災害隱患的輸電線路桿塔的不間斷分析，為桿塔發生擾動、沉降的監測給予了全面詳實的參考技術路線，因此可對輸電設備企業未來的深化應用提供技術支撐。如今，通過電力北斗應用對輸電線路桿塔進行地質災害監測預警還處于初級探索時期，可能會受到多個參考因素的影響，相關的實施應用范圍和技術方案也有待于進一步優化與提升。隨著基于桿塔沉降監測裝置的深化應用，各類地災監測場景會不斷豐富。在未來研究中，增加電力北斗桿塔沉降監測預警系統的認知能力，從而提升優化后的預警成效，促進電力公司的數字化轉型與運檢智能化水平的提升。“北斗+電力”也為輸電專業運維檢修和防災減災提供了技術參考，為智能電網發展模式進行了積極的探索和應用。