基于云邊互動的輸電線路桿塔傾斜監(jiān)測裝置設計策略研究

摘""要：針對架空輸電線路桿塔傾斜在線監(jiān)測的現(xiàn)有技術特點，結合實際應用中存在供電系統(tǒng)不穩(wěn)定、體積大、運維工作量大等問題，對不同應用場景的監(jiān)測需求進行了分析和歸類，提出了基于云邊互動技術的桿塔傾斜監(jiān)測裝置的設計策略，利用云邊互動技術科學調整不同應用場景下的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)發(fā)送策略，結合智能判定和調控機制，大幅度降低了裝置的硬件需求，進而提出了裝置的硬件和結構趨向小型化和一體化的設計策略。

關鍵詞：桿塔""傾斜""在線監(jiān)測""云邊互動

中圖分類號：TM75

Research"on"Design"Strategy"of"Transmission"Line"Tower"Tilt"Monitoring"Device"Based"on"Cloud"Edge"Interactionve

BAI"Yuqi

Electric"Power"Research"Institute"of"State"Grid"Xizang"Electric"Power"Co.，"Ltd.，"Lhasa，"Xizang（Tibet）"Autonomous"Region，"850000"China

Abstract："Based"on"the"existing"technical"characteristics"of"online"monitoring"of"tower"tilt"in"overhead"transmission"lines，"combined"with"the"problems"of"unstable"power"supply"systems，"large"volume，"and"manual"workload"inheavy"operation"and"maintenance"workload"in"practical"applications，"this"paper"analyzes"and"classifies"the"monitoringnbsp;requirements"of"different"application"scenarios."A"design"strategy"for"tower"tilt"monitoring"device"based"on"cloud"edge"interaction"technology"is"proposed，"which"scientifically"adjusts"the"data"acquisition"and"transmission"strategies"in"different"application"scenarios"using"cloud"edge"interaction"technology."Combined"with"intelligent"judgment"and"controlregulation"mechanisms，"the"hardware"requirements"of"the"device"are"greatly"reduced，"and"a"design"strategy"for"miniaturization"and"integration"of"the"device's"hardware"and"structure"is"proposed.

Key"Wwords："Tower;"Tilt;"Online"monitoring;"Cloud"eEdge"iInteraction

架空輸電線路桿塔作為輸電系統(tǒng)重要的支撐結構，其穩(wěn)定性直接關系到電力安全輸送，但架空輸電線路在長期運行過程中，由于自然因素和人為因素的影響，桿塔的穩(wěn)定性受到極大威脅，及時發(fā)現(xiàn)輸電通道的環(huán)境威脅與高風險目標的自動識別是關鍵問題[1]，一旦出現(xiàn)傾斜、倒塌等現(xiàn)象，如不被及時發(fā)現(xiàn)和處理，會造成電力系統(tǒng)癱瘓，甚至直接影響國民經(jīng)濟和人民生命財產(chǎn)安全，造成巨大的損失[2]。

1"桿塔傾斜監(jiān)測技術背景

1.1"""桿塔傾斜在線監(jiān)測現(xiàn)有技術

1.1.1"""基于傳感器技術的在線監(jiān)測

通過在桿塔上安裝高精度傾角傳感器，實時監(jiān)測桿塔順線方向和垂直于順線方向的傾斜狀態(tài)，并通過無線通信技術將數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶笈_。

1.1.2"""基于北斗高精度定位技術的在線監(jiān)測

結合北斗衛(wèi)星和高精度傾角儀，對桿塔的傾斜、位移和變化速率等信息進行實時采集分析，幫助運維人員及時了解桿塔狀態(tài)。

1.1.3"""基于圖像識別技術的在線監(jiān)測

通過安裝在桿塔上的視頻或圖像監(jiān)測設備，實時拍攝桿塔及周圍環(huán)境的照片或視頻，利用圖像識別算法分析桿塔的傾斜狀態(tài)。

1.2"""現(xiàn)有技術在應用中的問題

上述3種技術均各有特點，但在實際應用中，根據(jù)經(jīng)驗總結，存在以下問題：（1）目前大多傾斜監(jiān)測設備采用太陽能板+儲能電池的模式進行供電，以確保實時監(jiān)測，但儲能電池壽命短，太陽能光照條件不穩(wěn)定，灰塵或鳥糞污染重的地區(qū)大大降低太陽能板的發(fā)電效率；（2）北斗高精度設備復雜，成本高，重量大，不利于大面積應用；（3）圖像識別需要人工介入進行審核，實時性較差。

2""電力桿塔傾斜監(jiān)測應用場景分析

為了充分考慮架空輸電線路桿塔在應用中傾斜的實際場景，進而優(yōu)化桿塔傾斜在線監(jiān)測技術，實現(xiàn)軟硬件策略和結構匹配性，重點有如下兩種應用場景。

2.1""地質快變化和極端氣候造成的傾斜倒塌事故

該類場景通常為輸電線路桿塔處于地質極不穩(wěn)定區(qū)域，通常人為因素占主要，如采礦區(qū)導致地質結構受力平衡破壞、工程機械設備作業(yè)區(qū)域的外力破壞、沿海臺風區(qū)域造成的短時局部的氣候破壞等。針對上述場景，具有特定時間段的實時監(jiān)測需求，桿塔傾斜事故發(fā)展速度極快，運行維護工作難以避免桿塔的傾斜或倒塌，但須及時掌握事故發(fā)生桿塔位置以便縮短搶修時間，對角度、位移等監(jiān)測精度要求較低。

2.2""地質慢變化和桿塔老化造成的傾斜倒塌事故

該類場景通常為輸電線路處于地質慢變化或桿塔自身自然老化產(chǎn)生的傾斜故障，傾斜的前期變化較為緩慢，難以通過肉眼在早期識別故障預警，同時，細微的變化受各類影響因素較多，需要分辨傾斜角度或位移的危險變化和正常浮動[3]。針對上述場景，對桿塔傾斜在線監(jiān)測的精度和供電可靠性要求較高，但早期變化對實時性要求不高，早期變化具備大量時間通過監(jiān)測數(shù)據(jù)進行預警和分析判斷，通過后臺告警通知運維人員修復和加固。

3"基于云邊互動技術的桿塔傾斜監(jiān)測裝置設計

針對上述架空輸電線路桿塔傾斜在線監(jiān)測現(xiàn)有技術和實際應用場景需求，本文提出一種基于云邊互動技術的電力桿塔傾斜監(jiān)測裝置設計策略，主要從裝置硬件結構和云邊互動軟件技術兩個方面的優(yōu)化設計進行論述。

3.1""裝置硬件機構設計思路

架空輸電線路桿塔傾斜監(jiān)測裝置硬件系統(tǒng)主要由智能傳感器、主控MCU、存儲單元、4G/5G物聯(lián)網(wǎng)模塊和電源模塊構成，如圖1所示。其中傳感器為一款MEMS傳感器，具備超低功耗高性能三軸線性加速度檢測，可實現(xiàn)0.01°分辨率和±0.02°的誤差精度。主控采用超低功耗MCU，接收經(jīng)過信號處理、AD轉換的傳感器傾斜角數(shù)據(jù)信息，通過儲存、解算、編碼等功能，交由通信模塊上傳至云端數(shù)據(jù)中心。裝置供電采用一次性高能鋰電池和超級電容復合供電的模式，利用低功耗軟硬件設計，不再依托太陽能供電。

監(jiān)測裝置將各個模塊集成化設計，傳感器、主控、電源系統(tǒng)、通信系統(tǒng)及結構裝置均一體化設計，摒棄了常規(guī)傳感裝置獨立、供電系統(tǒng)獨立、通信系統(tǒng)獨立等模式，結合低功耗設計，將裝置整體重量控制在1"kg以內(nèi)，大幅度提升了安裝便捷性，電源供應穩(wěn)定性和可靠性也大幅度提升。

3.2""基于云邊互動的監(jiān)測策略設計

采用云邊互動技術就是要充分結合架空輸電線路桿塔在線監(jiān)測的實際應用場景，將監(jiān)測策略充分于桿塔傾斜的真實狀態(tài)和運維工作的合理性進行充分融合。云邊協(xié)同是指邊緣計算的應用場景需要邊緣側與中央云端協(xié)同工作[4]，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、處理和分析，提高系統(tǒng)的響應速度、故障判別效率，為低功耗和小型化設計提供了策略支撐，"同時可以為電力物聯(lián)網(wǎng)設備提供更高的帶寬和更少的時延[5]。

3.2.1""基于云邊互動的桿塔傾斜智能監(jiān)測策略設計

考慮架空輸電線路桿塔在應用中傾斜的實際場景，以及監(jiān)測裝置小型化和低功耗的要求，裝置的監(jiān)測軟件策略分為兩類：一類是基于快變化故障的監(jiān)測策略，另一類是基于慢變化故障的監(jiān)測策略。裝置可通過初始化配置或遠程固態(tài)升級選擇和調整策略方案。

基于快變化故障的監(jiān)測策略，分為1個月模式、2個月模式和6個月模式，不同模式的具體數(shù)據(jù)采集方案和應用場景如表1所示。

6個月模式

采用夜間每2"h采集一次數(shù)據(jù)，白天每1"min采集一次數(shù)據(jù)，經(jīng)邊端判斷未超過閾值時，則收集10次數(shù)據(jù)打包發(fā)送平臺，若監(jiān)測期間數(shù)據(jù)超過閾值則實時發(fā)送至數(shù)據(jù)中心并告警

主要應用于桿塔附近有其他工程項目期間

基于慢變化故障的監(jiān)測策略，該模式主要用于監(jiān)測輸電線路處于地質慢變化或桿塔自身自然老化產(chǎn)生的傾斜故障，監(jiān)測周期通常不低于5年。通常從首次監(jiān)測到發(fā)展到傾斜故障的過程，監(jiān)測策略會經(jīng)歷以下4個階段。

（1）監(jiān)測裝置安裝后初始模式為穩(wěn)定采集模式，即每6"h采集1次數(shù)據(jù)并發(fā)送至數(shù)據(jù)中心。

（2）數(shù)據(jù)中心每天進行一次數(shù)據(jù)分析，當2天內(nèi)的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)同一傾斜趨勢發(fā)展但傾斜角度離告警閾值較遠，則自動調整為加密采集+穩(wěn)定發(fā)送模式，即每1"h采集一次數(shù)據(jù)，保存6次數(shù)據(jù)后打包發(fā)送至數(shù)據(jù)中心。

（3）當上述加密采集的傾角數(shù)據(jù)依然呈現(xiàn)同一趨勢發(fā)展，則自動調整為加密采集+加密發(fā)送模式，即每1"h采集一次數(shù)據(jù)并每次發(fā)送至數(shù)據(jù)中心。

（4）當傾斜數(shù)據(jù)臨近告警閾值時，則自動調整為實時采集并發(fā)送模式，即每10"min采集一次數(shù)據(jù)并實時發(fā)送至數(shù)據(jù)中心，并向運行維護人員告警。

上述各個階段過程中，若傾斜趨勢恢復，則自動調回到上一階段的模式，實現(xiàn)云邊互動的調控策略。

3.2.2""云邊互動的智能判斷模式設計

邊端即桿塔傾斜在線監(jiān)測裝置，安裝于桿塔塔身。當桿塔發(fā)生傾斜時，傳感器將數(shù)據(jù)傳輸至MCU，由MCU判斷傾斜角度是否超過預設臨界值，由此判斷結果將決定是否需要改變采集模式，這個過程即桿塔傾斜監(jiān)測的邊緣計算。

云端進行獨立桿塔特征規(guī)律建立與判斷。云端即遠端數(shù)據(jù)中心，用于接收所有監(jiān)測裝置傳輸?shù)臄?shù)據(jù)并分析處理。首先需建立被監(jiān)測桿塔的特征信息，如桿塔類型、所處地理環(huán)境特征等信息，一方面將監(jiān)測裝置傳輸?shù)臄?shù)據(jù)保存至數(shù)據(jù)中心對應桿塔數(shù)據(jù)庫中，便于運維人員查詢和接收告警信息；另一方面可利用云端海量數(shù)據(jù)進行特征分析，將地理、氣候、塔型等特征參數(shù)融合分析，可總結出特征桿塔的特定傾斜規(guī)律和判定依據(jù)。

云端建立特征類型并周期性調整邊端設備參數(shù)判斷策略。當大量數(shù)據(jù)支撐特定類型桿塔的特定傾斜規(guī)律和判定依據(jù)后，云端可以依據(jù)數(shù)據(jù)規(guī)約主動控制邊端設備調整特定桿塔的判定策略，實現(xiàn)云邊互動技術支撐下，差異化、精準化的桿塔傾斜監(jiān)測策略。例如：處于局部風區(qū)的桿塔存在風吹擺動，通過云邊互動技術分析出該桿塔的正常風吹浮動范圍，調整危險傾斜角度的判定值。又如：不同高度和圍度的桿塔，由于受力條件等因素的不同，對于傾斜角的容許值存在較大差異，可以依據(jù)云邊互動技術調整監(jiān)測策略。

4""結語

對桿塔傾斜監(jiān)測的實際應用場景進行剖析，并設計了基于云邊互動的新型智能化監(jiān)測裝置，結合多策略的靈活應用，將該類設備從硬件側大幅度小型化和一體化優(yōu)化設計，大幅度提升調控水平，使新設計策略的桿塔傾斜監(jiān)測更加符合實際應用，其運行維護價值和智能化水平更加突出。

參考文獻

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[3]李錚，武占俠.探討泛在電力物聯(lián)網(wǎng)在電力設備狀態(tài)監(jiān)測中的應用[J].科技資訊，2022，20（1）：59-61，73.

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[5]張雅潔，陸旭，李曦，等.電力物聯(lián)網(wǎng)下基于云邊協(xié)同的計算任務放置算法[J].電力信息與通信技術，2024，22（10）：38-47.