基于北斗定位的桿塔沉降傾斜監(jiān)測裝置研究

王煜霆，孫 華，康凱龍

（國網(wǎng)江蘇省電力有限公司蘇州市吳江區(qū)供電分公司，江蘇 蘇州 215200）

1.引言

由于自然災(zāi)害和地質(zhì)因素的影響，輸電桿塔可能出現(xiàn)傾斜、沉降、位移等問題，由此會導(dǎo)致桿塔不穩(wěn)定，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)痣娏χ袛唷１卷?xiàng)目研制基于北斗定位的桿塔設(shè)備沉降傾斜監(jiān)測裝置，實(shí)現(xiàn)對外力破壞、地基沉降等因素造成位置偏差的高精度監(jiān)測。利用北斗載波相位差分技術(shù)對輸電桿塔精確定位，監(jiān)測輸電桿塔順線方向與橫向方向的傾斜角度值、沉降量，提高對輸電桿塔沉降傾斜等嚴(yán)重風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)的預(yù)警能力，保障電網(wǎng)運(yùn)行安全。

2.基本原理

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

圖1為系統(tǒng)組成及其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由監(jiān)測裝置、北斗基準(zhǔn)站、公網(wǎng)基站三部分組成。監(jiān)測裝置通過北斗終端，獲取桿塔水平垂直位移和傾斜角度數(shù)據(jù)，其中北斗基準(zhǔn)站用于高精度定位校核，公網(wǎng)基站用來進(jìn)行通信信號的傳輸。

圖 1 系統(tǒng)拓?fù)鋱D

2.2 裝置設(shè)計(jì)

裝置的三維設(shè)計(jì)如圖2所示。

其中，太陽能光伏板安裝在裝置兩側(cè)，使其能與陽光充分接觸，便于太陽能吸收和轉(zhuǎn)化；北斗天線安裝在裝置的正上方，便于傳輸和接收信號。

2.3 工作原理

輸電桿塔狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的硬件主要由監(jiān)測裝置和北斗基準(zhǔn)站組成，監(jiān)測裝置由供電模塊、微控制器模塊、北斗定位系統(tǒng)、通信電路模塊、數(shù)據(jù)采集與存儲部件組成。監(jiān)測裝置安裝在輸電桿塔上，選擇高能電池和太陽能光伏板共同為監(jiān)測裝置供電，保證裝置供電的可靠性。

北斗定位系統(tǒng)包括北斗天線和北斗板卡，定位效果直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的性能。在圍繞北斗定位技術(shù)展開研究時(shí)，主要以北斗載波相位差分定位技術(shù)為核心。當(dāng)北斗接收機(jī)工作時(shí)，接收從基準(zhǔn)站發(fā)來的觀測信息以及基準(zhǔn)站自身的位置信息，再依據(jù)自身的觀測信息進(jìn)行定位，從而提高定位的準(zhǔn)確度。

系統(tǒng)接收裝置發(fā)出的差分信息，疊加接收機(jī)自身觀測到的位置坐標(biāo)，通過計(jì)算求解出接收機(jī)天線的位置。由于系統(tǒng)接收到的差分信息為RTCM格式，所以需要對差分信息進(jìn)行解碼后再求解。根據(jù)監(jiān)測裝置和基準(zhǔn)站的載波相位觀測值，可以列出載波相位雙差觀測方差：

式中λ為載波波長，為載波相位雙差值，下標(biāo)r為監(jiān)測裝置，b為北斗基準(zhǔn)站，i和j分別代表兩顆不同的衛(wèi)星，為雙差幾何距離， 表示雙差整周模糊度；εφ是載波相位觀測誤差。將上式線性化后，即：

該式中，l、m、n分別為線性化后三個(gè)坐標(biāo)分量的系數(shù)，dX、dY、dZ分別為基線向量的增量，L為常數(shù)項(xiàng)。假設(shè)有M顆運(yùn)行衛(wèi)星，1號衛(wèi)星作參考，在忽略觀測噪聲的情況下，列出矩陣方程式：

當(dāng)求解出雙差整周模糊度后，就可以計(jì)算出基線向量的增量dX、dY、dZ，基線向量可依據(jù)牛頓迭代法進(jìn)行求解。

監(jiān)測裝置進(jìn)行觀測得到的坐標(biāo)為大地系坐標(biāo)，需要經(jīng)過兩次坐標(biāo)變換轉(zhuǎn)換為站心坐標(biāo)系下進(jìn)行計(jì)算。第一次轉(zhuǎn)換是將大地系坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為直角系坐標(biāo)，假設(shè)(L，B，H)為大地系坐標(biāo)，(X，Y，Z)為直角系坐標(biāo)，則轉(zhuǎn)換公式如下：

其中，N為基準(zhǔn)橢球體的圓曲率半徑，e為橢球偏心率。接下來的計(jì)算需要將直角系坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為計(jì)算所需的站心系坐標(biāo)，直接進(jìn)行兩者之間的轉(zhuǎn)換是沒有意義的，因此采用如下方法：取某點(diǎn)坐標(biāo)(X0，Y0，Z0)，再取直角坐標(biāo)系下的一個(gè)向量OP，則向量OP在站心坐標(biāo)系下的坐標(biāo)可以表示為：

將觀測到的位置坐標(biāo)帶入以上轉(zhuǎn)換公式可計(jì)算出相對水平和垂直位移量△x、△y；則桿塔傾度為α為：

3.實(shí)驗(yàn)測試

選取某新建輸電桿塔進(jìn)行裝置測試，隨機(jī)選取一個(gè)時(shí)間段進(jìn)行分析，將輸電桿塔的姿態(tài)改變信息繪制成曲線，下圖為輸電桿塔水平移動(dòng)距離和傾斜角度的變化情況，由于測試時(shí)間較短，測試數(shù)據(jù)主要由風(fēng)擾形成。

圖 3 水平位移變化

圖 4 傾斜角變化

監(jiān)測裝置運(yùn)行以來，考慮到輸電桿塔安裝環(huán)境情況以及實(shí)際天氣情況，在數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性、工作可靠性、監(jiān)測數(shù)據(jù)的精度等方面均符合設(shè)計(jì)需求，裝置能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期功能。

4.結(jié)語

桿塔沉降傾斜監(jiān)測裝置主要采用北斗載波相位觀測技術(shù)，通過差分定位和傾斜角數(shù)據(jù)的計(jì)算，對輸電桿塔沉降、位移、傾斜等異常狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，提升了輸電桿塔沉降傾斜等異常狀態(tài)的預(yù)警能力，有力支撐電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定運(yùn)行。