考慮水土流失評(píng)價(jià)指標(biāo)的特高壓輸電線路環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

雷 磊，鄭樹(shù)海，王 勁，吳 健，霍春平，李 毅，郎霄劍

(1.國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司電力科學(xué)研究院，陜西 西安 710100；2.國(guó)網(wǎng)(西安)環(huán)保技術(shù)中心有限公司，陜西 西安 710100；3.國(guó)家電網(wǎng)有限公司直流建設(shè)分公司，北京 100032；4.國(guó)家電網(wǎng)有限公司，北京 100031；5.西安市水利水土保持工作總站，陜西 西安 710018；6.西安理工大學(xué)電氣工程學(xué)院，陜西 西安 710048)

0 引言

電力基礎(chǔ)建設(shè)、電網(wǎng)規(guī)模擴(kuò)大是國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的有力支撐，也是建設(shè)“堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)”的先行基礎(chǔ)條件[1]。特高壓作為新基建重點(diǎn)建設(shè)對(duì)象之一，不僅有效解決遠(yuǎn)距離電能互濟(jì)問(wèn)題，同時(shí)為電網(wǎng)互聯(lián)互通和全能感知能力的優(yōu)化、數(shù)字化應(yīng)用范圍的提升，以及電力物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)奠定了基礎(chǔ)[2]。隨著環(huán)境保護(hù)生態(tài)意識(shí)的增強(qiáng)，以及國(guó)家相應(yīng)法律、規(guī)范等的頒布實(shí)施，特高壓輸電線路工程實(shí)施中沿線水土流失保護(hù)和正常運(yùn)行后沿線生態(tài)恢復(fù)工作也成為特高壓工程建設(shè)和驗(yàn)收的重點(diǎn)考慮因素[3]。特高壓輸電工程沿線塔基及線路建設(shè)，勢(shì)必破壞原有地形、地貌，對(duì)周圍植被造成損壞，從而造成沿線施工建設(shè)點(diǎn)水土資源流失。如何有效防止特高壓輸電工程建設(shè)過(guò)程中水土流失，以及監(jiān)測(cè)線路正常運(yùn)行后環(huán)境恢復(fù)情況等問(wèn)題是輸電線路建設(shè)過(guò)程中的研究重點(diǎn)。

目前，國(guó)內(nèi)相關(guān)學(xué)者都在積極進(jìn)行輸電線路水土保持方面的研究。文獻(xiàn)[4]針對(duì)輸電線路工程在伏沙地區(qū)域的水土流失特征與此區(qū)域內(nèi)造成水土流失的原因進(jìn)行探究，總結(jié)水土的保持治理策略。文獻(xiàn)[5]從輸電線路工程設(shè)計(jì)、實(shí)施施工、運(yùn)行管理等方面分析了如何設(shè)計(jì)水土保持方案及措施。文獻(xiàn)[6]從業(yè)內(nèi)準(zhǔn)備及相關(guān)資料收集、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及實(shí)地勘測(cè)、水土保持方案的設(shè)計(jì)等方面對(duì)特高壓輸電線路工程進(jìn)行了闡述。文獻(xiàn)[7]結(jié)合水土流失可能引發(fā)的各種危害，總結(jié)了輸電線路水土流失的防范措施，提出該類工程水土保持各環(huán)節(jié)的主要工作以及應(yīng)對(duì)策略。

上述研究主要從理論層面、實(shí)際問(wèn)題展開(kāi)論述。鮮有結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對(duì)特高壓輸電線路沿線水土流失進(jìn)行監(jiān)測(cè)的理論研究和實(shí)際應(yīng)用。為此，本文提出一種考慮水土流失評(píng)價(jià)指標(biāo)的特高壓輸電線路環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，用以監(jiān)測(cè)線路沿線水土環(huán)境因子實(shí)時(shí)變化，為特高壓輸電線路沿線生態(tài)恢復(fù)給予充足的數(shù)據(jù)支撐。

1 監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)研究

1.1 軟件框架

目前已有一些研究學(xué)者對(duì)輸電線路監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，但是監(jiān)測(cè)界面功能性和實(shí)用性方面還存在相應(yīng)不足，不能準(zhǔn)確反映特高壓輸電線路需要監(jiān)測(cè)的環(huán)境指標(biāo)。根據(jù)特高壓輸電線路水土保持的相關(guān)技術(shù)規(guī)定，本文所提出的監(jiān)測(cè)流程示意圖(見(jiàn)圖1)。從圖1可以看出，該流程是通過(guò)對(duì)特高壓輸電線路沿線的監(jiān)測(cè)點(diǎn)安裝水土流失監(jiān)測(cè)設(shè)備，通過(guò)硬件設(shè)備來(lái)實(shí)時(shí)采集監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，采用無(wú)線通信方式將采集數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，并在上位機(jī)終端進(jìn)行數(shù)據(jù)接受。通過(guò)本文所提出的輸電線路水土保持監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件，可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取與分析。

圖1 監(jiān)測(cè)流程示意圖Fig.1 Schematic diagram of the monitoring process

1.2 輸電線路水土保持環(huán)境影響因子分析

根據(jù)水土保持監(jiān)測(cè)的性能指標(biāo)要求，參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《GB50434—2008開(kāi)發(fā)建設(shè)項(xiàng)目水土流失防治標(biāo)準(zhǔn)》《SL277—2002水土保持監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)程》《SL342—2006水土保持監(jiān)測(cè)設(shè)施通用技術(shù)條件》以及水土保持監(jiān)測(cè)要求等，需要監(jiān)測(cè)輸電線路沿線監(jiān)測(cè)點(diǎn)的土壤流失量、降雨量等環(huán)境因子。

輸電線路沿線的降雨量將直接影響到輸電線路沿線水土保持的實(shí)際效果，并且面對(duì)極端天氣的出現(xiàn)，也會(huì)直接影響輸電水土保持效果。采用無(wú)線光敏測(cè)釬傳感器對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)水土流失量可以進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，也可以將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳送。

1.3 水土流失量測(cè)量方法

水土流失量測(cè)量是輸變電工程水土保持監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中的最核心技術(shù)內(nèi)容。利用傳統(tǒng)測(cè)量法監(jiān)測(cè)水土流失量，存在自動(dòng)化程度低、測(cè)釬坡面在讀取數(shù)據(jù)時(shí)人為干擾大及外作業(yè)工作量過(guò)大等缺陷，這與飛速發(fā)展的測(cè)試技術(shù)現(xiàn)狀不相適應(yīng)。為此，新研制一種光敏測(cè)釬方法，實(shí)現(xiàn)了水土流失量的測(cè)量。

光敏測(cè)釬傳感器改變了傳統(tǒng)有線超聲測(cè)釬傳感器在測(cè)量水土流失量時(shí)測(cè)量延時(shí)長(zhǎng)、測(cè)量誤差大、布線繁瑣的缺點(diǎn)。尤其在特高壓輸電工程線路中，大部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置偏僻，供電方式須采用電池供電。采用無(wú)線光敏測(cè)釬傳感器可以實(shí)現(xiàn)一體化自發(fā)、自用，利用太陽(yáng)能進(jìn)行供電，相比有線超聲測(cè)釬測(cè)量方式更加低碳環(huán)保。某特高壓輸電線路無(wú)線光敏測(cè)釬現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)如圖2所示。

圖2 測(cè)纖布設(shè)Fig.2 Test fiber layout

無(wú)線光敏測(cè)釬上面布設(shè)有8組光敏傳感器，每組16個(gè)傳感器元件，每個(gè)光敏元件代表精度為1 mm。示意圖(見(jiàn)圖3)。在有光照的情況下，傳感器獲得高電位，沒(méi)有光照的情況下為低電位。依據(jù)此原理，插入土壤中的測(cè)釬由于沒(méi)有受到光照，光敏傳感器處于低電位狀態(tài)，暴露在外面的光敏傳感器部分，由于受到光照處于高電位狀態(tài)，因而可以準(zhǔn)確判斷土地表面土壤流失量的變化情況。本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置有9組測(cè)釬，可以通過(guò)求平均變化值求出，測(cè)釬布設(shè)區(qū)域的土壤流失量變化情況，從而精確反映特高壓輸電線路在改監(jiān)測(cè)點(diǎn)的土壤流失變化情況。

圖3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件界面Fig.3 Software interface for monitoring systems

1.4 系統(tǒng)界面顯示

本文所設(shè)計(jì)的某特高壓輸電工程水土保持在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件界面圖(見(jiàn)圖3)，操作軟件美觀，功能特點(diǎn)突出，可實(shí)現(xiàn)對(duì)特高壓輸電線路水土流失量的監(jiān)測(cè)。

2 系統(tǒng)軟件功能介紹

2.1 數(shù)據(jù)遠(yuǎn)端接連方式

由于數(shù)據(jù)需要進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳送，據(jù)此本文所設(shè)計(jì)的方案采用的數(shù)據(jù)通信方式為借助移動(dòng)、聯(lián)通、電信等通信公司進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，以輸電線路工程沿線具體的監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)地點(diǎn)，以及當(dāng)?shù)氐膶?shí)際信號(hào)強(qiáng)度為條件，擇優(yōu)選擇網(wǎng)絡(luò)信號(hào)最好的通信公司。在數(shù)據(jù)采集點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)路由器進(jìn)行實(shí)地?cái)?shù)據(jù)的接收和發(fā)送。借助某平臺(tái)的透?jìng)髟颇Ｊ剑瑢F(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳送。采用虛擬串口在終端的監(jiān)測(cè)控制中心進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和控制命令的下達(dá)。本文所采用的虛擬串口軟件(見(jiàn)圖4)。虛擬串口軟件可以將網(wǎng)絡(luò)透?jìng)髟婆c終端的監(jiān)測(cè)控制軟件連接在一起，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。

圖4 虛擬串口軟件界面Fig.4 Virtual Serial Port Software Interface

2.2 監(jiān)測(cè)軟件界面后端展示

本軟件的后端界面主要進(jìn)行底層數(shù)據(jù)的下載和處理，將數(shù)據(jù)在后端進(jìn)行處理后，數(shù)據(jù)量?jī)?chǔ)存在本地?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)庫(kù)中，然后在前端進(jìn)行數(shù)據(jù)的展示與數(shù)據(jù)分析，可以直觀地將數(shù)據(jù)的變化情況反映給監(jiān)測(cè)人員如圖5所示。

圖5 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)后端界面Fig.5 Back-end interface of the monitoring system

后端數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)主要分為測(cè)站配置、系統(tǒng)配置、數(shù)據(jù)分析、視頻監(jiān)控、數(shù)據(jù)下載等功能。測(cè)站配置主要完成的任務(wù)是對(duì)特高壓輸電線路監(jiān)測(cè)點(diǎn)的信息和相對(duì)應(yīng)的虛擬串口數(shù)據(jù)信息進(jìn)行配置；系統(tǒng)配置功能主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)時(shí)間設(shè)置、數(shù)據(jù)初始化等功能。視頻監(jiān)控功能可以對(duì)遠(yuǎn)程的攝像頭進(jìn)行控制，對(duì)于重點(diǎn)突出的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，可以在現(xiàn)場(chǎng)安裝攝像頭來(lái)實(shí)時(shí)觀察監(jiān)測(cè)點(diǎn)周圍的形態(tài)變化，并且對(duì)有意義值得觀察的視頻信息進(jìn)行儲(chǔ)存和遠(yuǎn)程分析。數(shù)據(jù)下載功能可以以天或者以月為單位對(duì)過(guò)去監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行下載。數(shù)據(jù)下載功能極大地方便了人工數(shù)據(jù)整理、記錄與統(tǒng)計(jì)。

2.3 監(jiān)測(cè)軟件界面前端展示

本文所設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)軟件相較于傳統(tǒng)的系統(tǒng)，還設(shè)計(jì)了相應(yīng)的前端軟件界面，前端界面有助于數(shù)據(jù)的直觀展示，并且更加符合現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展趨勢(shì)。本文所設(shè)計(jì)的軟件前端界面如圖6所示。

圖6 監(jiān)測(cè)軟件前端界面Fig.6 Monitoring software front-end interface

本文所設(shè)計(jì)的前端軟件主要有新聞管理、數(shù)據(jù)分析查看、打開(kāi)串口、新聞管理等功能，并且在軟件的低端加上了相應(yīng)的鏈接，可以直接打開(kāi)與特高壓輸電線路水土保持相關(guān)的網(wǎng)站，可以使軟件登錄者方便訪問(wèn)相關(guān)的網(wǎng)站。打開(kāi)串口的功能主要虛擬串口的直接調(diào)用，方便操作；新聞管理功能可以實(shí)現(xiàn)相關(guān)新聞的滾動(dòng)播放，方便操作人員查閱特高壓水土保持相關(guān)新聞；數(shù)據(jù)分析界面可以將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析。

3 自動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析

經(jīng)過(guò)對(duì)上述軟硬件系統(tǒng)的聯(lián)合調(diào)試，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)。本文所提的監(jiān)測(cè)方法已經(jīng)實(shí)際應(yīng)用于某特高壓直流輸電工程。下面對(duì)實(shí)際監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖7～12所示。

圖7 某月濕度的變化情況Fig.7 Changes in humidity for a month

圖8 某月風(fēng)速的變化情況Fig.8 Changes in wind speed in a month

圖9 某月的風(fēng)向分布圖曲線Fig.9 Wind distribution curve for a month

圖10 某月的噪聲分布曲線Fig.10 Noise distribution curve for a month

圖11 某月PM2.5分布曲線Fig.11 Distribution curves PM2.5 a month

圖12 數(shù)據(jù)表格形式展示Fig.12 Presentation of data tables

通過(guò)分析表征輸電線路生態(tài)環(huán)境變化情況，空氣中的濕度、溫度、風(fēng)速、降雨量等會(huì)影響特高壓輸電線路水土流失量。通過(guò)本文所提的評(píng)價(jià)方式來(lái)綜合反應(yīng)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的水土流失情況，具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值與意義，運(yùn)行以來(lái)，誤碼率低，監(jiān)測(cè)狀況良好。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了考慮環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)的輸電線路水土保持監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。相較與傳統(tǒng)的人工監(jiān)測(cè)方式，對(duì)輸電線路水土保持監(jiān)測(cè)工作的智能化和自動(dòng)化程度都有了顯著提高，減少了人力、物力。所提方法是電網(wǎng)互聯(lián)互通全面感知的初步探索，經(jīng)過(guò)實(shí)際的輸電線路工程應(yīng)用，取得可觀的監(jiān)測(cè)效果，對(duì)特高壓輸電線路工程沿線水土流失保護(hù)與監(jiān)測(cè)提供了一定參考價(jià)值。由于各地土壤土質(zhì)結(jié)構(gòu)差異較大，存在不同的特點(diǎn)，在后續(xù)研究中將重點(diǎn)關(guān)注如何通過(guò)精細(xì)化建模來(lái)表征土壤流失總體評(píng)價(jià)指標(biāo)。