基于高精度GPS定位的输电线路检修安全措施管理系统开发

王身丽，胡 川，王伟东，姚 俊，孙继雄，黄梁伟，付 裕

（国网湖北省电力公司检修公司，湖北 武汉 430050）

0 引言

随着我国社会、经济的飞速发展，电能作为清洁、高效的二次能源，在国民的生产和生活中的需求持续增长。为满足电源大规模集中投产和用电负荷增长的需要，我国电网规模不断扩大。电力网络中的超高压、特高压输电线路，在电能的大规模、跨区域、高效率传输中扮演着重要角色[1]。然而，这些输电线路长期暴露在自然环境中，不仅承受正常机械载荷和电力负荷的内部压力，而且遭受污秽、大风、雷击等外界因素的侵害，使输电线路上的各种金具、设备发生腐蚀、老化，对电能的安全可靠输送带来威胁。目前，输电线路的检修工作是生产管理的重要内容之一。

输电线路的检修包括“检查、修理”两项内容，是通过巡视、检查和在线监测等发现的设备缺陷和种类异常，进行分析、归纳、总结，及时安排线路设备的计划停电或带电检修[2]。输电线路的检修工作需要考察实际现场的设备现状、作业环境、危险点及交叉跨越等，编制检修项目的施工方案。国家电网公司虽然出台了一系列输电线路检修规范，但在每次输电线路检修过程中，所采用的安全措施并不完全相同，增加了输电线路检修安全管理的难点。

此外，输电线路检修的安全措施监管采用工作票制度，检修人员在执行或传达命令时，存在操作错误或遗漏的可能。特别是在检修过程中，接地线的挂接与拆除问题，虽然操作方法简单，但是操作次数频繁，而且接地线挂接位置的临时更换等因素影响，容易让检修人员产生松懈思想，忽视了接地线的装设与拆除重要性，导致恶性误操作事故发生。如2007年12月湖南110 kV天黄线全线清抹绝缘子工作中，由于未拆除临时接地线，而发生带地线合断路器的恶性电气误操作事故。2016年4月山东220 kV兴东二线检修工作中，由于线路侧未挂接地线，造成感应电触电死亡。

目前国内外对电力系统检修工作中挂、拆接地线存在的问题研究较多。长治电力公司共同研制了变电站接地线状态电子管理显示系统，能够自动统计现场已装设接地线和接 地刀闸的数量，起到较好的显示和提示作用。但是系统安装在变电站控制室内，在输电线路的检修工作中难于应用[3]。云南电网公司研制的线路检修及接地线状态监视预警系统，利用检修人员的掌上电脑（PDA）、临时接地线条形编码等，将现场信息通过GPRS无线传输到系统后台管理程序[4]。此外，华北电力大学提出了基于RFID和Zigbee的作业现场接地线管控系统设计[5]，西安理工大学提出了基于手持设备的电力检修作业地线挂接信息管理系统设计[6]等。在这些设计中，系统硬件装置有些过于复杂，在输电线路检修的户外操作时有难度；有些在接地线的位置以及状态等信息收集方面，精度不高，易受人为因素影响，带来了安全隐患。

本文从输电线路检修过程中，安全措施的管理入手，提出了一种基于高精度GPS的输电线路检修安全管理系统开发。本系统不但实时监控在检修过程中各种设备的执行状态，也对检修操作人员的操作效果进行评估。设备的状态位置信息，通过高精度GPS装置发送到管理系统，为调度人员和输电线路检修管理人员提供相关的检修状态信息，提高输电线路检修管理效率和质量，避免在检修过程中安全事故的发生。

1 管理系统结构设计

输电线路检修安全措施管理系统由现场终端设备和后台管理系统两部分组成。其中，现场终端设备负责采集检修现场重要设备的位置以及状态等信息，并实时发送到远方的后台管理系统。后台管理系统在收到这些信息后自动进行处理，当出现检修安全措施异常时发出警报。

后台管理系统的结构包括检修方案设置、安全措施设置、定位显示、检修状态评估、权限管理等模块组成，如图1所示。

图1 管理系统的结构图Fig.1 Diagram of the management system

检修方案设置模块是根据标准化管理规定，结合待检修的项目以及现场的情况等，预先编制的检修作业指导方案，是开展检修前的准备工作。

安全措施设置模块包含两个方面，一是在准备阶段进行的安全措施，二是在检修过程中临时设置的安全措施。在管理系统中，所有的安全措施均需要进行记录，并进行监控。

定位显示模块是对检修过程中的人员，工具等进行定位，并与接收到的检修过程信息合并，在地图上进行实时显示，为检修管理人员提供直观的检修状态信息。

检修状态评估模块根据检修人员传回的检修过程信息，包括文字，图像，语音等，结合检修人员与设备的实时位置、状态，根据检修规程规范，智能的对输电线路检修的安全措施进行评估。如果发现安全措施出现异常，将会发出报警信息。

权限管理设置模块是根据管理系统使用人员的身份不同，开放相应的功能给使用者。检修管理人员可以对检修方案、安全措施等进行修改。而系统维护人员则可以对报警设置模块、通信设置模块进行调整。

报警设置模块可以设置发光、声、短信、彩信、无线语音通话等不同方式，将检修过程中出现的异常情况通知给检修管理人员。

通信设置模块是管理系统与现场设备之间进行通信的模块，现场设备信息可以通过建立好的信道自动传输到安全措施管理系统。

报表打印模块可以将检修作业信息打印输出，为检修工作保留文字记录。

2 安全措施管理的关键技术

在输电线路安全措施管理系统中，如何有效、准确的获得检修现场各种设备、设施的状态信息是关键。为此，高精度的GPS定位技术与稳定的现场与后台通信技术显得尤其重要。

2.1 高精度GPS定位技术

全球定位系统GPS是一种以空间卫星为基础的无线导航与定位系统[7]，能为全球用户提供低成本、高精度的三维位置、速度和精确定时等导航信息，极大的提高了现代社会的信息化水平。GPS定位的基本原理是通过测量出多颗已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，来计算出接收机所在位置信息。实际定位过程中，由于存在时钟不同步、大气传播延迟、多路径效应等多种误差，定位精度很难保证。

基于伪距的GPS定位误差可以估计为

其中，ε为GPS解的误差，GDOP为几何精度因子，ε0是伪距测量中的误差。几何精度因子GDOP是观测卫星的空间几何分布对定位精度的影响，可由接收机到可视卫星的方向余弦矩阵G计算得到。

设未知参数的权系数矩阵M为，

则

为了提高计算精度，常用的方法是增加计算所用的可视卫星数量或多星座导航定位。但在计算过程中，矩阵G的阶数也随之增加，采用传统的方法计算效率低。此外，矩阵M的条件数增大，在进行最小二乘法的定位求解时，计算过程变得不稳定，误差变大。

考虑到几何精度因子GDOP是矩阵M主对角线元素的函数，在实际计算中，可以不用计算出矩阵M中非对角线元素，以降低计算量。利用对称矩阵GTG的LU分解算法，

式中：U为单位上三角矩阵；D为对角矩阵。几何精度因子GDOP就可以利用矩阵U-1和矩阵D-1中的元素计算得到。在定位计算中，通过衡量几何精度因子GDOP的大小，选择合适的可视卫星，不但提高了计算精度，也大大减少了定位计算所需要的时间。

2.2 稳定的GPRS通信技术

在检修过程中，现场终端设备与后台管理系统之间的稳定通信是保证管理系统能够正常运行的前提。考虑到输电线路的检修地点跨越区域大，无线GPRS数据传输单元能够有效、稳定的实现现场的信息到后台管理系统的检修状态传输。GPRS数据传输单元具有内部集成TCP/IP协议栈，即有GPRS拨号上网的功能，也有TCP/IP数据通信的能力。同时，它还提供串口数据双向转换功能，支持自动心跳技术，能够保持永久在线。

在现场终端设备上，低功耗ARM Cortex-M内核32位STM32L151C8微控制器，与联发科技MT2503S高集成、微型GPS及GPRS模块结合应用。具体的通信流程为：在设备开机后，先检测信号状态；若信号强度符合要求，立即向服务器发送IMEI登录信息包注册设备，建立通信链接；设备在5 s内收到服务器响应数据包，则认为通信链接正常；如果设备连续尝试3次与服务器建立链接失败，接收不到服务器响应数据包，则认为建立通信链接条件不充足，将在20 min后重新尝试；当成功建立通信链接后，设备按照1 min 1次的心跳频率向服务器发送状态信息包，服务器应在接收到信息后，尽快向设备发送通信响应数据。

3 系统应用

本系统目前已经应用于湖北国网电力公司检修公司，在输电线路检修过程中对安全措施管理起到了良好的监控作用，同时也提高了检修管理效率，促进了检修管理的规范化。

现场终端设备体积小，重量轻，内部结构图如图2所示。现场终端设备具有防雨、防潮、防尘、防腐蚀措施，外壳的防护性能应符合GB 4208规定的IP65级要求，装置适应杆塔上强电磁干扰环境，并应充分考虑线路人员的高空作业环境，安装简单方便，如图3所示。

图2 现场终端设备内部结构图Fig.2 Internal structure of the terminal unit in the system

图3 现场终端设备固定在线缆接头示意图Fig.3 Installation diagram of the terminal unit on the cable joint

后台管理系统能够与现场终端设备的可靠通信，并获得设备的准确信息。系统操作简单，检修信息显示直观方便，检修状态的智能评估为辅助检修管理人员进行安全漏洞的排查提供了便捷手段，提高了输电线路检修工作的安全性。管理系统的有关显示界面如图4所示。

图4 管理系统的显示界面Fig.4 Interface of the management system

4 结论

本文从输电线路检修的安全措施管理出发，介绍了所开发的输电线路检修安全管理系统。该系统利用高精度的GPS定位技术以及可靠的GPRS通信技术，对输电线路检修状态、安全措施进行评估和监控，为检修管理人员及电网调度人员提供直观、可靠的输电线路检修信息，避免在检修过程中由于安全措施的疏漏而出现的安全事故。本系统的硬件设备成本低、可靠性好，不仅规范了检修安全管理，也提升了检修工作效率，具有良好的推广应用前景。

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