基于北斗定位的桿塔沉降傾斜監測裝置研究

王煜霆，孫 華，康凱龍

（國網江蘇省電力有限公司蘇州市吳江區供電分公司，江蘇 蘇州 215200）

1.引言

由于自然災害和地質因素的影響，輸電桿塔可能出現傾斜、沉降、位移等問題，由此會導致桿塔不穩定，嚴重時甚至會引起電力中斷。本項目研制基于北斗定位的桿塔設備沉降傾斜監測裝置，實現對外力破壞、地基沉降等因素造成位置偏差的高精度監測。利用北斗載波相位差分技術對輸電桿塔精確定位，監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重風險點的預警能力，保障電網運行安全。

2.基本原理

2.1 系統架構

圖1為系統組成及其拓撲結構，由監測裝置、北斗基準站、公網基站三部分組成。監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據，其中北斗基準站用于高精度定位校核，公網基站用來進行通信信號的傳輸。

圖 1 系統拓撲圖

2.2 裝置設計

裝置的三維設計如圖2所示。

其中，太陽能光伏板安裝在裝置兩側，使其能與陽光充分接觸，便于太陽能吸收和轉化；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

輸電桿塔狀態監測系統的硬件主要由監測裝置和北斗基準站組成，監測裝置由供電模塊、微控制器模塊、北斗定位系統、通信電路模塊、數據采集與存儲部件組成。監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測裝置供電，保證裝置供電的可靠性。

北斗定位系統包括北斗天線和北斗板卡，定位效果直接關系到整個系統的性能。在圍繞北斗定位技術展開研究時，主要以北斗載波相位差分定位技術為核心。當北斗接收機工作時，接收從基準站發來的觀測信息以及基準站自身的位置信息，再依據自身的觀測信息進行定位，從而提高定位的準確度。

系統接收裝置發出的差分信息，疊加接收機自身觀測到的位置坐標，通過計算求解出接收機天線的位置。由于系統接收到的差分信息為RTCM格式，所以需要對差分信息進行解碼后再求解。根據監測裝置和基準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r為監測裝置，b為北斗基準站，i和j分別代表兩顆不同的衛星，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坐標分量的系數，dX、dY、dZ分別為基線向量的增量，L為常數項。假設有M顆運行衛星，1號衛星作參考，在忽略觀測噪聲的情況下，列出矩陣方程式：

當求解出雙差整周模糊度后，就可以計算出基線向量的增量dX、dY、dZ，基線向量可依據牛頓迭代法進行求解。

監測裝置進行觀測得到的坐標為大地系坐標，需要經過兩次坐標變換轉換為站心坐標系下進行計算。第一次轉換是將大地系坐標轉換為直角系坐標，假設(L，B，H)為大地系坐標，(X，Y，Z)為直角系坐標，則轉換公式如下：

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

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

3.實驗測試

選取某新建輸電桿塔進行裝置測試，隨機選取一個時間段進行分析，將輸電桿塔的姿態改變信息繪制成曲線，下圖為輸電桿塔水平移動距離和傾斜角度的變化情況，由于測試時間較短，測試數據主要由風擾形成。

圖 3 水平位移變化

圖 4 傾斜角變化

監測裝置運行以來，考慮到輸電桿塔安裝環境情況以及實際天氣情況，在數據傳輸的穩定性、工作可靠性、監測數據的精度等方面均符合設計需求，裝置能夠實現預期功能。

4.結語

桿塔沉降傾斜監測裝置主要采用北斗載波相位觀測技術，通過差分定位和傾斜角數據的計算，對輸電桿塔沉降、位移、傾斜等異常狀態進行實時監測，提升了輸電桿塔沉降傾斜等異常狀態的預警能力，有力支撐電力系統運行的安全穩定運行。