一種輸電鐵塔搖擺姿態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

韓成彬

（上海智方地質(zhì)災(zāi)害研究院有限公司，上海 200000）

0 引 言

輸電線路是電網(wǎng)的重要組成部分，承擔(dān)著輸送電能的重要任務(wù)。在架設(shè)輸電線路時(shí)，應(yīng)因地制宜加以建設(shè)與優(yōu)化。目前亟需開(kāi)發(fā)有效技術(shù)途徑來(lái)實(shí)時(shí)在線監(jiān)控鐵塔的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，配合相關(guān)生產(chǎn)部門盡快解決問(wèn)題，保障輸電線路運(yùn)行安全。國(guó)內(nèi)相關(guān)研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)出多種相應(yīng)的檢測(cè)系統(tǒng)，但是存在煩瑣復(fù)雜或智能化程度較低等問(wèn)題，導(dǎo)致輸電鐵塔高空搖擺姿態(tài)監(jiān)測(cè)效果不太理想[1]。因此，有必要研究更先進(jìn)的技術(shù)來(lái)提高輸電塔高空搖擺姿態(tài)的監(jiān)測(cè)效率[2]。北斗衛(wèi)星定位技術(shù)是我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高新技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種基于北斗衛(wèi)星定位技術(shù)的輸電塔高空搖擺姿態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[3]。通過(guò)該系統(tǒng)，實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)輸電塔的高空搖擺姿態(tài)，為輸電網(wǎng)維護(hù)人員提供了可靠的數(shù)據(jù)支持，保證輸電網(wǎng)的正常運(yùn)行。

1 輸電鐵塔高空搖擺姿態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

為了提高輸電鐵塔高空搖擺姿態(tài)監(jiān)測(cè)效率，設(shè)計(jì)基于北斗衛(wèi)星定位技術(shù)的輸電鐵塔高空搖擺姿態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖1，采集層、監(jiān)測(cè)層、通信網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)層以及監(jiān)測(cè)終端層共同構(gòu)成了基于北斗衛(wèi)星定位技術(shù)的輸電鐵塔高空搖擺姿態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在輸電塔上設(shè)置北斗基準(zhǔn)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)備，采集層通過(guò)北斗測(cè)量天線組采集初始塔位數(shù)據(jù)，利用二維傾斜傳感器對(duì)輸電塔的姿態(tài)信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)層[4]。監(jiān)測(cè)層接收采集層采集的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，采用載波相位差分（Real Time Kinematic，RTK）技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集預(yù)處理，將預(yù)處理后的數(shù)據(jù)利用北斗短消息通信技術(shù)通過(guò)通信層傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心層。數(shù)據(jù)中心層負(fù)責(zé)存儲(chǔ)和接收監(jiān)控層的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，并反饋給監(jiān)控終端層。監(jiān)測(cè)終端層根據(jù)數(shù)據(jù)中心層的數(shù)據(jù)更新監(jiān)測(cè)接口，實(shí)現(xiàn)輸電塔報(bào)警并生成維護(hù)策略。

1.2 輸電塔姿態(tài)信息獲取方法

系統(tǒng)監(jiān)控終端層獲取數(shù)據(jù)中心層反饋的經(jīng)過(guò)處理后的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)鐵塔基座變化情況使用單點(diǎn)三維姿態(tài)監(jiān)測(cè)方法或者雙點(diǎn)三維姿態(tài)監(jiān)測(cè)方法實(shí)現(xiàn)輸電鐵塔高空搖擺姿態(tài)的監(jiān)測(cè)[5]。

（1）當(dāng)鐵塔基座無(wú)變化時(shí)，可以使用單點(diǎn)三維姿態(tài)監(jiān)測(cè)方法。在t0、t0+Δt時(shí)刻，第一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置坐標(biāo)信息分別用ta0(xa0，ya0，za0)、tat(xat，yat，zat)描述。對(duì)于同一個(gè)位置，在兩個(gè)時(shí)刻觀測(cè)到信息分別用xa0、ya0、za0與xat、yat、zat描述。

鐵塔水平偏移量為：

鐵塔豎直沉降量為：

監(jiān)測(cè)點(diǎn)的傾斜值為：

監(jiān)測(cè)點(diǎn)的傾斜度為：

式中：H為鐵塔地面和觀測(cè)點(diǎn)的距離。

（2）當(dāng)鐵塔基座有變化時(shí)，可以使用雙點(diǎn)三維姿態(tài)監(jiān)測(cè)方法。用ta0(xa0，ya0，za0)表示在t0時(shí)刻第一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置坐標(biāo)信息，tc0(xc0，yc0，zc0)表示在t0時(shí)刻第二個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置坐標(biāo)信息，tat(xat，yat，zat)表示在t0+Δt時(shí)刻第一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置坐標(biāo)信息，tct(xct，yct，zct)表示在t0+Δt時(shí)刻第二個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)新觀測(cè)的位置坐標(biāo)信息。

鐵塔水平偏移量為：

鐵塔豎直沉降量為：

根據(jù)國(guó)家規(guī)定，輸電鐵塔的形變預(yù)警值如表1所示，其中β為鐵塔的傾斜度。系統(tǒng)依據(jù)表中的取值區(qū)間實(shí)現(xiàn)輸電鐵塔高空搖擺姿態(tài)危險(xiǎn)、正常以及預(yù)警3種情況的有效監(jiān)測(cè)[6]。

表1 輸電鐵塔的形變預(yù)警值

1.3 RTK技術(shù)

獲取觀測(cè)點(diǎn)的精確三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，通過(guò)RTK技術(shù)實(shí)現(xiàn)差分計(jì)算[7]。通過(guò)該技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)目標(biāo)動(dòng)態(tài)厘米級(jí)定位精度，采用差分方法降低天線相位中心偏移誤差，提高計(jì)算效率[8,9]。

為了滿足輸電鐵塔監(jiān)測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，將RTK技術(shù)應(yīng)用在基于北斗衛(wèi)星定位技術(shù)的輸電鐵塔高空搖擺姿態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，可以提高定位精度、實(shí)時(shí)性以及計(jì)算效率[10]。RTK數(shù)據(jù)處理步驟如圖2所示。

圖2 RTK數(shù)據(jù)處理步驟

求解星站間相位差值，即：

式中：Qij(t0)表示初始整周模糊；Qij(t-t0)表示初始時(shí)間到監(jiān)測(cè)時(shí)間的整周變化值；δφij表示觀測(cè)相位的小數(shù)部分。

星站間的距離為：

用θij表示星站間的真實(shí)距離，求解該值時(shí)需要已知衛(wèi)星星歷與坐標(biāo)。星站間偽距觀測(cè)值為：

式中：Vi表示GPS接收機(jī)噪聲；δMi表示多徑效應(yīng)。

基準(zhǔn)站偽距改正數(shù)為：

通過(guò)基準(zhǔn)站偽距改正數(shù)修正觀測(cè)點(diǎn)偽距觀測(cè)值，具體計(jì)算過(guò)程為：

當(dāng)δIkj=δIij且觀測(cè)點(diǎn)與基準(zhǔn)站距離小于30 km時(shí)，存在：

將載波相位偽距觀測(cè)值導(dǎo)入式（12），可以得到：

觀測(cè)過(guò)程內(nèi)載波相位測(cè)量差值為：

則推導(dǎo)出：

為了實(shí)現(xiàn)觀測(cè)點(diǎn)的定位，需要觀測(cè)相同的4個(gè)衛(wèi)星，明確初始整周未知數(shù)。

1.4 檢測(cè)終端層設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件中的監(jiān)控終端電源模塊至關(guān)重要，可以確保系統(tǒng)的總體運(yùn)行，監(jiān)控終端硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 監(jiān)控終端硬件結(jié)構(gòu)

監(jiān)控終端硬件中，ARM是電源模塊的核心程序。4G模塊接收ARM發(fā)出的鏈路命令，等待移動(dòng)差分站與通信網(wǎng)絡(luò)層的通道構(gòu)建連接后開(kāi)始工作。接收機(jī)BD930接收服務(wù)器采集輸電鐵塔高空搖擺姿態(tài)的差分信息并計(jì)算，將計(jì)算后的高精度定位數(shù)據(jù)信息傳輸至ARM模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸出。

2 實(shí)驗(yàn)分析

以湖北某500 kV輸電線路兩基鐵塔為研究對(duì)象，利用研究的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)研究對(duì)象在導(dǎo)線舞動(dòng)情況下的高空搖擺姿態(tài)情況。將系統(tǒng)監(jiān)測(cè)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，監(jiān)測(cè)誤差均小于±1.5 mm，監(jiān)測(cè)精度較高。

依據(jù)試驗(yàn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)輸電鐵塔姿態(tài)傾斜角的監(jiān)測(cè)結(jié)果，如圖4所示。

圖4 輸電鐵塔姿態(tài)傾斜角監(jiān)測(cè)結(jié)果

通過(guò)圖4可知，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的X軸、Y軸傾斜角數(shù)據(jù)均與實(shí)測(cè)值非常接近，上下波動(dòng)不大，表明本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可靠性較高。

3 結(jié) 論

安全監(jiān)測(cè)預(yù)警將提供監(jiān)測(cè)對(duì)象整體沉降形變量、傾斜量、形變變化速率及趨勢(shì)數(shù)據(jù)，為判斷鐵塔狀態(tài)、技術(shù)確定補(bǔ)救措施和實(shí)施工作提供依據(jù)，在災(zāi)害出現(xiàn)的第一時(shí)間發(fā)出預(yù)警，應(yīng)急指揮中心可在災(zāi)害尚未造成重大影響前采取果斷的應(yīng)對(duì)措施阻斷風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，為了提高輸電鐵塔高空搖擺姿態(tài)監(jiān)測(cè)的效率，保障輸電網(wǎng)整體平穩(wěn)運(yùn)行，將北斗衛(wèi)星定位技術(shù)應(yīng)用在輸電鐵塔高空搖擺姿態(tài)監(jiān)測(cè)中，同時(shí)利用RTK技術(shù)獲取觀測(cè)點(diǎn)的精準(zhǔn)位置，應(yīng)用二維傾角傳感器監(jiān)控輸電鐵塔高空搖擺姿態(tài)，提高監(jiān)測(cè)的效率。