基于北斗定位技術的電力鐵塔倒伏監測與預警技術研究與應用

張靜偉，張 川，徐 奇，于長祿，任瑞樵，李 超，王石巖，彭海超

（國網吉林省電力有限公司松原供電公司，吉林 松原 138000）

0 引 言

北斗系統建設的意義在于定位系統自主化、智能化，如何將該系統穩定高效地應用于工業發展各個領域尤為重要，這對于國家戰略安全同樣具有重要的意義[1]。電網運行的安全和穩定直接關系到國家戰略安全，因此國家電網公司有責任也有義務加快推廣北斗系統在電力安全監測領域的應用，這既為國家電網安全提供了一個高性能、高保障的新方案，同時也符合國家安全戰略要求[2]。基于北斗定位技術，本文對電力鐵塔倒伏監測與預警技術展開了研究。

1 項目研究

1.1 定位理論

1.1.1 靜態定位

又稱絕對定位，用戶天線在跟蹤導航衛星的過程中固定不動，衛星接收機高精度測量導航衛星信號的傳播時間，根據導航衛星在軌的已知位置，從而算得固定不動的用戶天線的三維坐標[3]。

1.1.2 動態定位

用導航衛星接收機測定一個運動物體的運行軌跡。導航衛星接收機所位于的運動物體叫做載體，它可以是陸地車輛、河海船艦、空中飛機、航天飛行器等。按照這些載體的運行速度之快慢，又將動態定位分成秒速為幾米到幾十米的低動態，秒速為一百米到幾百米的中等動態和秒速為幾千米的高動態等3種形式。所謂“動態定位”，就是載體上的導航衛星接收機天線在跟蹤導航衛星的過程中相對地球而運動，導航衛星接收機用導航衛星信號實時地測得運動載體的狀態參數[4]。

1.2 導航定位原理

衛星定位基本原理是三球交會測量定位。由MCC實現距離測量，衛星無需高精度的時間頻率標準。MCC借助衛星S1和S2發射，用于詢問的標準時間信號，用戶收到此信號時，發射應答信號，經衛星S1和S2，分別回到MCC，通過MCC分別測量出由衛星S1與S2返回的信號時間延遲量。衛星S1和S2在每個時刻的位置是已知的，數據處理匯總，考慮上述信號傳輸過程中衛星S1、S2的相對運動及MCC、衛星S1、S2轉發器的傳輸延遲、用戶機的傳輸延遲、電離層、對流層的影響，從而得到用戶到兩顆衛星間的距離量，計算出用戶坐標位置，便于分析和說明。如圖1所示。

圖1 定位系統信號流向框圖

構成的基本觀測量和數學模型可用如下的公式表示。

式中，下標c表示MCC；下標u表示用戶站；t1為衛星S1接收地面MCC詢問信號并轉發信號的時刻；t2為用戶節接收衛星S1的詢問信號時刻；t3為衛星S1轉發用戶應答信號時刻；t4為衛星S2轉發用戶應答信號時刻；Δtc1I為衛星出站轉發器的設備時延；Δts1為衛星S1的入站轉發器的設備時延；Δts2為衛星S2的入站轉發器的設備時延；Δtu為用戶機轉發信號的時延；Δtc1O為MCC至衛星S1出站鏈路設備時延；Δtc1I為MCC至衛星S1入站鏈路設備時延；Δtc2I為MCC至衛星S2入站鏈路設備時延；Dc1為光速；dc1為第一顆衛星S1至MCC的距離；D1u為第一顆衛星S1至用戶的距離；du1為由用戶機返回第一顆衛星S1的距離；du2為用戶返回衛星S2的距離；dc2為用戶返回MCC時，衛星S2至MCC的距離。

信號在設備中的時延可以精確測定，所以對信號的接收與發射的時差為已知。信號經衛星出站再經用戶入站的轉發時刻在幾百毫秒級，考慮衛星的運動，在圖2中衛星S1的位置相對拉開了。將各級距離用坐標表示如下：

式中，上標表示衛星號；下標c表示MCC；下標u表示用戶站。

準確描述用戶機到坐標原點的距離為：

式中，S3表示距離；r表示夾角；hcosθ表示大地高。r為用戶機在參考橢球面上的投影到坐標原點的距離；h為用戶機所在點的大地高；cosθ為用戶機所在點的矢徑與參考橢球法線的夾角。

關系式如下：

以上給出了用戶相應衛星S1的詢問信號，并向兩顆衛星發送應答信號的情況。

同樣可以給出用戶相應衛星S2的詢問信號，并向兩顆衛星發送應答信號的表達式，只不過將衛星S1的標號與衛星S2的標號互相調換而已。

為了將用戶的發射信號控制到合適的水平，即將既能滿足MCC測量及解調需要，又能使CDMA系統用戶間干擾為最小，用戶可接收兩顆衛星的詢問信號進行時差測量，按最低功率響應其中一顆衛星的詢問信號。此時，只能有一顆衛星的返回信號構成測距方程。同樣，可以恢復出可供定位的方程組。式（1）、式（2）、式（4）構成用戶定位求解方程。

基于式（1）、式（2）、式（4）進行線性化后，得：

式中，上標s1表示衛星號； 下標u表示用戶站；下標x表示緯度；下標y表示經度；下標t表示傳輸延時。

為在t3時刻衛星S1對x軸的方向余弦，其他類推；δx為用戶機所在位置的經度；δy為用戶機所在位置的緯度；δts1為按其上下標為設備的傳輸時延；F為以參數C1為參變量的表達式。根據式（6）可解用戶機的坐標，經化簡為

2 項目研究內容和實施方案

2.1 研究基于北斗三代系統的精確定位技術

采用北斗三代定位測量技術對電力鐵塔倒伏進行實時監測，用4G或北斗短報文通信技術將鐵塔倒伏數據發送至云監控平臺，平臺根據鐵塔倒伏測量數據，應用智能信息處理技術，對鐵塔安全狀態進行綜合評估與預測。該系統能夠及早發現鐵塔安全事故隱患，通知電力相關人員及時處理隱患，以免鐵塔倒伏、傾斜、倒塌、斷線等危害事故的發生，確保電網安全可靠運行，降低因故障停電事故帶來的經濟損失。基于北斗三代系統的高精度定位是利用北斗監測點（流動站）和北斗基準站（參考站）分別接收北斗衛星信號，采用載波相位差分技術解算兩個天線之間的基線向量，結合基準站的已知坐標，計算出北斗監測點的高精度坐標。

2.2 研制電力鐵塔塔倒伏監測的北斗終端

（1）使用測量型衛星天線，接收北斗系統衛星信號，天線的相位中心直接影響最終監測結果，因此需要對天線的相位中心進行對準和標定。

（2）研究利用衛星導航模塊獲取載波相位測量值。高精度定位技術使用載波相位雙差觀測方程，并采用相應算法解算雙天線構成的基線位置。

（3）高精度定位算法需要大量的計算，包括矩陣運算、浮點運算。而嵌入式處理器計算性能、內存等資源有限，需要優化算法使其運行在ARM嵌入式處理器上。

（4）研究監測點高壓傳輸線下抗干擾設計，包括節點布置策略、屏蔽技術及探測周跳和修復工作等。

（5）研究北斗精確定位模塊及終端，包括天線模塊、接收機模塊、供電模塊三位一體[5]；監測點供電子系統優化；保護機箱小型化等內容，提高設備普適性滿足不同類型桿塔安裝要求。

2.3 在輸電線路上試點應用和測試

選取某輸電線路的多個有倒伏隱患的電力鐵塔，在塔基位置布設多套北斗倒伏監測終端，通過“載波相位差分定位技術”解算監測點倒伏信息，上述數據通過無線公網4G發送至遠程網絡服務器平臺，從而實現對每座電力鐵塔塔基的倒伏監測和可視化。當檢測到異常情況時及時通知有關部門采取措施，以保障電力傳輸系統的安全可靠運行。

2.4 安全措施

（1）APN數據專網模式：國家電網公司內部網絡中配置APN服務器，現場監測設備使用APN數據專網，由于采用數據專網，服務器與公網Internet隔離，可以有效避免非法入侵。

（2）內網卡SIM卡的唯一性：采用內網卡授權，在網絡側對卡號和APN進行綁定，劃定用戶可接入系統的范圍，只有屬于國家電網公司的SIM卡才能訪問專用APN網絡。

（3）數據加密：可對整個數據傳送過程進行加密保護。舞動監測數據按照規約打包后，進一步采用南瑞或普華加密芯片加密后，通過4G方式發送至國家電網公司統一狀態監測主站[6]。

（4）網絡接入安全鑒定機制：采用防火墻軟件，設置網絡鑒權和安全防范功能，保障系統安全。

3 結 論

北斗系統經過若干年的發展，目前技術相當成熟，隨著北斗三代系統建設的開展，系統整體性能還將有質的飛躍，但北斗技術在電力系統監測中的應用基礎還比較薄弱。在智能電網中推廣應用北斗系統，將該技術在電力行業領域的應用趨于針對化、成熟化，具有非常可觀的應用前景和深遠的戰略意義。