架空輸電線路北斗定位弧垂觀測研究

李 凱，劉云飛，韓啟云，張文濤

（安徽送變電工程有限公司，安徽 合肥 230601）

雅中—江西±800 kV特高壓直流輸電工程是國家實施西電東送、落實西部大開發、建設清潔能源基地的重大戰略，是優化能源資源配置、服務地方經濟發展的重點項目，是保障雅礱江中游大型電站電力可靠送出、增加四川水電外送能力、滿足華中地區快速增長的電力負荷需求、提升電力供給能力的具體舉措，對于減少棄水、打贏藍天保衛戰、保護生態環境、提高人民群眾生產生活水平和增進民族團結具有重要意義。

1 工程概況

雅江特高壓線路工程起于四川省鹽源縣雅中±800 kV換流站，止于江西省東鄉縣±800 kV南昌換流站，沿線海拔1 000~3 100 m，其中丘陵5.4%、山地52.4%、高山32.6%、峻嶺9.6%。線路全長1 691.5 km。線路途經四川、云南、貴州、湖南、江西5省區，其中四川省境內長206.2 km，云南省境內長222.4 km，貴州省境內長468.4 km，湖南省境內長475.5 km，江西省境內長319 km。

2 工程難點

雅中—江西±800 kV特高壓直流輸電工程大部分在山區，架設索道多，并且夏季汛期暴雨、洪水、泥石流多發，主要的施工難點在于：

（1）地形條件復雜。沿線高山峻嶺占比42%，塔位坡度較大、場地狹窄，山形陡峭，工程整體施工難度大，面臨的安全風險高。

（2）交通運輸難。沿線交通遠離國、省、縣道，大部分路段僅有鄉村道路可供利用，局部高山地區的塔位遠離村莊，大運、小運等材料轉運困難，交通條件較差。

（3）氣候條件惡劣。沿線氣候復雜，20 m以上重冰區達90%，雨季時間為7-9月份，冬季積雪覆蓋，冬雨季時間達6個月，大霧常年籠罩，氣候非常惡劣，有效施工工期短。

（4）交叉跨越多。僅皖送施工標段就同時跨越國道213、昭麻二級公路、220 kV電力線、G85高速，其中涉及跨越金沙江，檔距達1 548 m。線路跨越電力線路187次，其中35 kV及以上電力線路38次。

（5）工期緊，建設任務重。工程2019年10月開工，2021年3月線路需須具備帶電條件，工期1年6個月，1個汛期，要優質安全按期完成工程建設，任務艱巨，責任重大。

針對以上的施工難點，項目參建技術人員經過討論一致認為架線工作最為耗費工時，同時霧天看弧垂受到的局限性最大，不確定因素更多，制約工程進度最明顯。因此決定將解決霧天弧垂觀測作為亟待解決的工程問題，同時也作為一個重要課題進行研究。目前該項目科研成果已在±800 kV雅江線成功應用。

3 技術路線

在項目實施前期，我們決定研發一種輕巧便捷、不受視野限制的弧垂觀測裝置，其采用技術路線如下。

（1）弧垂觀測裝置外形設計，該設計首先要滿足行進過程的穩定性，要具有上坡動力足下坡能制動的效果；其次裝置設計寬度能滿足子導線間距，避免發生摩擦情況。

（2）考慮動力問題要對馬達進行選型，在考慮扭矩、轉速、馬達自重、制動等情況后對馬達型號進行綜合選擇，在滿足動力需求的基礎上盡可能減輕設計的整體重量，減少耗能。

（3）對激光雷達進行設計，這里主要考慮到要減少電動機運轉過程中可能產生的磁場對雷達定位的準確性產生影響。設計時需考慮激光雷達裝配位置與電動機裝配位置之間的距離。

（4）壓緊輪是保證弧垂觀測裝置在導線行走的重要一環，計算出合適的壓緊輪數值至關重要。壓緊輪數值過大會導致裝置在導線上行走困難，相當于克服較大摩擦力做功，增加了耗能；壓緊輪數值過小會導致裝置在上、下出現打滑現象，若導線坡度較大時裝置可能無法正常返回。

（5）弧垂觀測裝置通信采用電臺通信方式，通信電臺型號各不相同，選型時要考慮通信距離及電臺之間信號的互相干擾。

4 總體設計和技術方案

4.1 系統介紹

GPS/北斗弧垂觀測裝置研究與應用，是以傳感器測量、無線數字通信、計算機通信等技術為一體的綜合測量系統。通過研發弧垂觀測裝置、無線數字通信網絡、手持終端、中心基站組建智能監測系統。利用無線數字通信技術組建局域無線通信網絡，通過輸出工程參數以及定位基站坐標和高程，再利用傾角傳感器對觀測裝置進行姿態矯正，利用北斗定位對裝置現有位置、坐標進行采集、顯示，利用激光雷達對其他子導線弧垂進行操平的一整套弧垂觀測智能裝置。

主要遇到的難點包括：（1）由于架空輸電線路放線區段長、通道沿途地形復雜等特點，如何建立高效、穩定的通信網絡；（2）如何保證供電單元體積小、時效長、供電穩定、重量輕便；（3）由于工作電壓范圍大且工作電流大，DC-DC芯片選擇困難；（4）通用電機芯片最大額定電流為3 A，直流電機堵轉電流為5 A，芯片被燒，當使用10AMOS管搭，分流電路依然不能滿足堵轉電流需求，壓緊輪驅動電機選擇困難。

4.2 系統組成

系統由弧垂觀測裝置、中心基站、通信中繼電臺、手持終端等5個主要部分組成。其中弧垂觀測中內置了傾角傳感器、激光雷達、北斗定位芯片等?；〈寡b置實物圖如圖1所示。

圖1 弧垂觀測裝置實物圖及應用圖

弧垂觀測裝置共有7大部分組成，分別是北斗定位模塊、傾角傳感器模塊、控制模塊、驅動馬達、輪壓馬達、滾輪以及激光雷達。各部分對應的功能見表1。

表1 弧垂觀測裝置各部分對應的功能

4.3 硬件設計

弧垂觀測設備硬件設計主要包括：驅動單元設計、輪壓系統結構設計、輪壓系統底部壓力監測設計、輪軸設計、激光雷達支架設計、GPS支架設計、傾角傳感器外殼改造。

4.4 控制系統設計

弧垂觀測裝置控制系統包含安卓系統和控制主板，安卓系統共有4個端口，分別對應測量系統（PH900芯片）、北斗定位系統、激光雷達測量系統、傾角矯正系統，其中激光雷達測量系統采用的是RS45通信方式。控制主板控制對象包括控制系統（LORO芯片）、壓緊輪馬達、驅動輪馬達以及激光雷達伸縮馬達，同時還分出1個端口對壓緊輪壓力計算進行控制。其中壓緊輪馬達、驅動輪馬達均采用無刷電機，控制電壓為16.8 V，啟動電流較小，實現PWM平滑調速。激光雷達伸縮馬達則采用的是有刷步進電機，控制電壓為12 V?？刂葡到y傳構總圖如圖2所示。

圖2 控制系統結構總圖

同時，控制主板還對測量系統、控制系統、北斗定位系統、激光雷達測量系統、傾角矯正系統和輪壓測量系統進行供電?；〈褂^測裝置控制采用平板手持終端進行控制，將平板原有的網口、串口、USB接口等部件改為2個串口，其中com1接測量系統，頻率為900 MHz，com2接控制系統，頻率為433 MHz。那么為了減少設備組成成本以及減少硬件集成的復雜程度，利用平板自帶的藍牙模塊與參考站進行數據傳輸，傳輸頻率為840 MHz，保證了數據傳輸的穩定性?？刂浦靼宕谶x擇示意圖如圖3所示。

圖3 控制主板串口選擇示意圖

弧垂觀測裝置供電單元共包含4塊電池，其中測量系統和控制系統分別有2塊電池分別供電。測量系統和控制系統集成在同1塊控制主板上，供電電路的設計是將每塊電池串聯1枚肖特基二極管，防止同一系統的2塊電池出現互相充電的情況，然后在將2塊電池并聯使得同一系統的2塊供電電池互相熱備用。由于安卓系統輸出電壓上限是17 V，因此，控制電路輸出電壓為16.8 V極易觸碰上限電壓。此時，在雙電池并聯后串入DC-DC電路降低輸出電壓。在接入DC-DC電路后輸出電壓降低至9 V，大大增加了輸出電壓的安全裕度。動力系統這樣設計的主要目的有2個：其一是減少驅動系統在爬坡時，電壓降幅度過大對測量系統的影響，當驅動系統在爬坡時電壓降可能減小50%以上，這對測量系統的穩定產生較大影響，可能使測量系統電壓降低至正常工作電壓而中斷；其二是測量系統在裝置懸掛于導線時便處于持續工作時間，測量系統的能耗已做到最低設計能耗，然較長的工作時間也會使輸出電壓減小，這就使得裝置在返程過程中可能出現因動力不足無法正常返回的情況。那么，測量系統和控制系統獨立供電的優勢就體現出來了。供能系統控制示意圖如圖4所示。

圖4 供能系統控制示意圖

控制系統的設計由電池串聯二極管后再并聯在串場效應管（MOS管），場效應管后串需要控制的驅動輪電機和壓緊輪電機，場效應管均采用高/低電平控制，高電平啟動，低電平關閉。電源控制導通、開斷降壓示意圖如圖5所示。

圖5 電源控制導通、開斷降壓示意圖

雷達收縮選用有刷電機驅動，不選步進電機的原因主要是步進電機動力不夠，無法將激光雷達推出保護槽。雷達收縮選用有刷電機驅動，在收縮時加上限位開關，這里選用的是機械限位，機械限位開關自帶防水屬性。這里不選用電子限位的原因主要由于限位開關的功率大約在20 mA~30 mA，弧垂觀測裝置共有6個限位開關，合計功率在120 mA~180 mA之間，造成裝置能耗大大增加。

5 結束語

隨著電網規劃速率的加快，城市及平原地區電網通道日漸密集，多數超高壓、特高壓線路位于山區丘陵之間，且山區氣溫較低，易形成團霧及大霧天氣。同時，據了解，云、貴、川等地多數山區海拔較高，氣壓較大，冬季霧天持續時間較長，霧氣彌漫難以消散。在對于城市電網建設過程，對于輸電線路施工過程中跨越高鐵區段往往都是夜間停電進行導線展放，弧垂觀測較為困難。因此，對于以上施工狀況該設備市場應用前景良好，具有很高的推廣價值，大大減少了因為天氣局限而帶來的停、窩工現象。

該項目成果具備較強的市場競爭力，主要原因有以下幾點。

（1）國網系統多家開展相關研究，科研成果稀缺，未形成成熟設備裝置。市場現有設備當中只實現了基本的行走和測量，數據測量結果準確度較低，缺乏爬坡、傾角矯正、激光雷達操平等功能。

（2）該套設備若進行商品化生產后生產成本不高，且完全由我司自主研發，在資本市場具有核心競爭力。

（3）該套設備實際工程應用效果良好，在輸電線路基建行業具有一定的口碑，同時也得到了上級單位的重視，致力發展和改進。