输电线路杆塔位移在线监测技术研究

傅炜 郑心城 范定志 李勇 黄凯 王洪平 苏志棠 林闽卿

摘 要：为了防止杆塔倾斜、倒折等事故发生，研究了载波相位差分技术基本原理，研制了输电线路杆塔位移形变在线监测系统，系统包括在线监测终端、微信端应用和Web端软件平台，可实现对输电线路杆塔形变位移数据的在线监测、预警以及信号传输。通过现场安装调试，发现输电线路杆塔的位移监测结果表示与实际工况相符，后台软件平台逻辑清晰，可为电网安全运行提供有效的技术方案。

关键词：载波相位差分技术;杆塔位移形变;在线监测;Web;微信;信号传输

中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：2095-1302（2019）12-00-04

0 引 言

输电线路杆塔起到支持导线、避雷线及使其对大地与其他建筑物保持足够安全距离的作用。杆塔的运维工作关乎电网的安全稳定运行：在台风、强降雨等恶劣天气情况下，易发生山体滑坡、泥石流等自然灾害，引发电力杆塔护坡塌方;在持续低温极端气候下，导线、杆塔的大面积覆冰容易引起铁塔倒塌、折断事故;地震、地质沉降等自然因素将造成杆塔倾斜、塔基沉降等安全隐患;施工不规范，工程管理不到位等问题将引起杆塔倾斜[1-3]。一旦发生倒塔事故，将严重影响电网的安全运行，轻则降低电网可靠性，重则引起大面积停电。

国内对电力杆塔的检测大部分采用人工巡检，并进行记录，虽然有推广的无人机巡线，但本质还是通过人工采集判断。杆塔数量庞大，运维人员必须在一个巡检周期内完成所有杆塔的巡视、维护工作，工作压力较大。由于电力塔杆的沉降和变形相对缓慢，很难通过肉眼来辨别，因此容易因为运维人员的工作经验、技术水平等产生误判、漏判的现象[4-7]。

本文通過研究北斗卫星定位基本原理和载波平滑码相位差分技术，研制出终端样机，实现了采用无倾角传感器对杆塔厘米级的监测。通过GPRS/CDMA无线公网将现场采集的杆塔姿态信息传送到后台Web端应用软件处理，可形象、清晰地还原现场工况。

1. 输电杆塔在线监测的基本原理

1.1 卫星定位的基本原理

卫星定位的基本原理基于后方交会测距法，每颗卫星任意时刻的星历参数能够实时读取，即卫星任意时刻的三维空间坐标是唯一确定的。通过测量接收机与卫星的距离能够计算出接收机的位置坐标。

假设接收机的空间坐标为（x0， y0， z0），已知三颗卫星的空间坐标分别为A（x1， y1， z1），B（x2， y2， z2），C（x3， y3， z3），则

方程组（1）中含有三个未知数，（x0， y0， z0）在给定距离OA，OB和OC下有唯一解，由此来确定待定位点的坐标[8]。

在利用卫星进行位置定位时，通常会受到各种各样的因素影响而产生误差，例如电离层效应、对流层效应引起的误差，星历误差和多路效应误差等。为了尽可能消除这些误差，采用两台以上的卫星接收机同步各路信号（一台作为基准站，一台作为流动站），同时观测卫星数据，基准站通过电台发射所接收的载波相位信号或载波相位差分改正信号，流动站在接收卫星信号的同时会通过电台接收基准站的电台信号。在这两信号的基础上，流动站上的固化软件进行差分运算，从而精确定出基准站和流动站的空间相对位置关系。

在实际工程中，基准站和流动站的距离一般不大于30 km，因此可以近似基准站和流动站电离层效应、对流层效应引起的误差和星历误差相同。得到流动站在第i颗卫星下的观测方程[9]：

式中：Δρib为基准站伪距修正参数;（xi， yi， zi）表示第i颗卫星的空间坐标;（xu， yu， zu）表示流动站的坐标;d为距离误差;Δdρ为同时观测相同卫星的各项误差和。

如果基准站和流动站处于同一卫星历元，则通过方程（2）即可计算出流动站的地理坐标（xu， yu， zu）。

在这一过程中，会因观测条件、信号源等的影响存在误差，即仪器标定误差，一般为平面1 cm+1 ppm，高程2 cm+1 ppm。载波相位差分可使定位精度达到毫米级[10]，已被大量应用于需要高精度位置的领域。

1.2 输电杆塔在线监测系统架构

目前供电企业仍然采用经纬仪或全站仪来监测杆塔位移，导致精度难以保证。本文通过载波相位差分技术研制出了监测终端样机，并结合后台软件对输电线路杆塔进行在线监测，系统框架如图1所示。监测移动站接收基准站发送的载波相位修正参数，对观测值进行修正，测量出杆塔的姿态信息，通过无线公网将该信息发送至后台监控服务器进行数据分析处理。

2 监测终端硬件设计结构

监测终端除了负责对杆塔的定位之外还需要测量杆塔的倾斜度，并存储和上报预警信息。因此硬件电路必须包含处理器模块、载波相位多星座定位模块、MEMS传感器模块、存储区模块和无线通信模块。由于监测终端处于户外，仅依靠蓄电池供电寿命有限，因此还为监测终端增加了太阳能供电模块。为保证电网重要信息不泄露，本文采用特定的安全芯片对上报信息进行加密处理。监测终端硬件设计结构如图2所示。

2.1 高精度位移监测模块

高精度位移监测模块是监测终端的重要组成部分，主要由多星座GNSS卫星定位模块、MEMS传感器和气压计构成。多星座GNSS卫星定位模块主要负责设备的定位信息，MEMS传感器负责采集杆塔位移形变信息，杆塔所处位置的气压对MEMS传感器的工作精度影响较大，现场采用气压计采集当前塔杆周边的气压信息来修正杆塔位移形变信息。

多星座GNSS卫星定位模块是基于海峡北斗最新的多射频单元同步技术小型化双天线测向定位模块，模块采用更加精密的载波相位定位差分技术，实现了静态和动态情况下的高精度、高稳定性、抗多路径干扰的航向测试。

多星座GNSS卫星定位模块同时接收多个系列卫星定位系统的信号，将多路载波相位观测量进行有效结合，同时使用多个接收模块，能够实时提供0.2°（基线长度1 m）的航向测量精度，满足低动态、低功耗、高精度定向需求。多星座GNSS卫星定位模块电路原理如图3所示。

2.2 安全芯片

电网配电终端常用的安全加密芯片包括同方股份有限公司设计生产的TF32A09系列芯片、南京南瑞公司设计生产的NRSEC3000等。考虑到监测终端主要针对GPRS/CDMA公网通信的数据进行加密，因此宜采用功能较单一、成本低廉的安全芯片。本文选用北京智芯微电子科技有限公司设计生产的配电终端安全芯片SC1161Y。该安全芯片支持SPI通信接口，具有SM1/SM2/SM3国密算法、真随机数发生器、存储器数据加密和总线加扰机制等安全保护机制，可有效保证数据传输、存储的机密性和完整性。

SC1161Y应用电路原理如图4所示。其中MISO为安全芯片的输出端口，MOSI为安全芯片的输入端口，SCK为时钟端口，SSN为芯片的片选端口。使用时引脚2与7、引脚3与6需外部短接。

安全芯片和MCU之间采用SPI通信，当MCU发送数据、安全芯片接收数据时，MISO引脚需保持接收态;当安全芯片发送数据、MCU接收数据时，MOSI引脚应始终保持低电平。

3 系统软件设计

监测终端主要负责对杆塔姿态的采集和信息上报。监测终端的主程序包括MEMS传感器测量位移和载波相位差分算法，前者主要用来观测是否出现较大的位移，后者主要用于计算杆塔微小偏移，并且为运维人员提供地理位置信息。主程序流程如图5所示。

输电杆塔位移形变监测软件平台包括Web端应用程序和通信服务程序，均安装在监控中心的服务器中。Web端应用程序用于实现输电杆塔位移形变监测系统的各种功能应用。通信服务程序用于接收来自平台和各移动端应用用户的待发指令，设备唤醒后接收下发校准指令，采集上传杆塔位移形变数据信息。同样，接收输电杆塔位移形变监测终端采集的数據信息存入服务器数据库，实现对监测数据的高效管理、分析和处理。根据各项功能指标，如数据采集与传输、GIS地图监控、位置监控、数据报表、紧急报警等进行分析并处理。软件逻辑如图6所示。

输电杆塔位移形变在线监测系统实现了大范围、远距离分布式杆塔监控功能，平台以地理信息技术为基础，通过对终端设备采集信息的分析，为巡检应急中心的维护人员提供可视化运行界面。作为一个一体化可拓展的应用平台，开放数据接口和第三方应用的标准接口，以便后期接入新增的监控内容和功能应用。

4 实验测试结果

通常来说，输电杆塔发生倾斜时，基座的位移远小于顶部的位移，如果将监测终端安装在杆塔基座处，采集的精度会打折扣，有可能造成漏判的情况;如果将监测终端安装在杆塔顶部，虽然能够避免缺漏的情况，但是安装时需要停电作业，且不便于设备运维。因此，监测终端安装高度遵循如下原则：

（1）监测终端安装在塔腿以上;

（2）与输电线路之间保持要求的安全距离。

安装区域如图7所示。

由于杆塔数量众多，出于成本考虑，在某供电公司两条110 kV架空线的杆塔上分别安装11套和12套监测终端，为不破坏杆塔的塔材结构，保证原杆塔的应力分布，特采用钢丝绳绑接的方式将监测终端和太阳能电池板固定在塔材上，如图8所示。

监测终端信息上报有两种方式，一种是定时上报，即每天在固定时间上传杆塔当前时刻的位移值;另一种是紧急上报，即杆塔位移超出阈值后，立即上报异常信息。后台Web端应用软件不仅能够接收预警信息，还能够将异常信息派发给相应责任人。用户可以直接通过层级地图找到指定杆塔，获得杆塔位移的历史数据。

终端安装一段时间后，针对预警次数较多的杆塔进行现场测量。以110 kV田忠Ⅰ路22～26号杆塔监测数据为例，后台导出历史观测值和现场测量值，见表1所列。

该区域杆塔处于沿海线路，所处地区的风力较大，平均为6级，风向为东南风，杆塔朝风向略有偏移，观测值处于合理范围内。根据DL/T 741—2010《中华人民共和国电力行业标准：架空输电线路运行规程》中规定直线杆塔的倾斜程度：50 m 以下高度铁塔倾斜度α≤1%;50 m以上高度铁塔倾斜度α≤0.5%。由此可知该地区监测的杆塔均处于安全运行范围内。

5 结 语

通过载波相位差分算法实现对杆塔位移的精确测量，再利用无线公网将数据传送至监控服务器，将运行人员的现场目测巡视+经验判断的检查模式变为自动采集+事后共同研判，避免手工记录运行状态不够形象直观而造成漏记、错记的问题。供电单位的运维人员节约了去现场巡查的时间成本，实现了实时监测。输电运维人员可有针对性地提高巡检及检修质量，利用北斗定位系统确定事故发生地点后可以提前规划路径，避免运维人员盲目搜索。

参 考 文 献

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