北斗高精度监测技术在超高压线路上的组网应用与研究

中国南方电网有限责任公司超高压输电公司广州局 梁 栋 张富春 郑 晓 郑武略

广州市泺立能源科技有限公司 程 傲

在我国卫星导航系统不断建设完善的基础上，我国建设了北斗地基增强网，为全国各地、各个行业提供高精度定位服务。在电力系统中超高压线路容易受到环境的影响出现塌方等事故，威胁到电力系统运行稳定性。因此借助于北斗地基增强网开发高压线路自动监测系统以及时报警，提高电力系统稳定性。

1 监测超高压线路的重要性

在电力输送系统中高压线路十分关键，直接关系到电网供电的稳定性，尤其是高塔体、柔度大、远跨距的高压输电塔，极容易受到强风、暴雨以及地震等环境因素的影响，造成塌方、倒塌等事故，将造成巨大损失，修复周期长，影响电力系统稳定性。因此通过对输电线路地质状态监控提前掌握地质灾害信息，方便于指导第一时间抢修，提高监测精准度，指导人工检修维修。基于国家北斗地基增强系统设计自动化监测系统，通过NRTD、NRTK和静态毫米级等算法，能够服务于全国范围内的超高压线路[1]。自动化监测系统结合物联网技术、云计算技术、传感技术、网络通信技术可实时反映高压线路地质状态，对地质数据进行分析，提供各类报表和决策数据，为地质变化提供预警决策服务，能够短时间内通过短消息、警报等功能发出报警信号。

借助于北斗地基增强系统进行自动化监测系统的设计，利用北斗高精度定位技术进行厘米甚至毫米级别的定位，具有较高精准度。在铁塔上设计监测天线，结合增强站数据，通过加密通信传输网将星历数据、载波相位数据传递给数据中心，数据中心获得实时数据后利用数据处理平台解算，获得更加精准的三维坐标数据。自动监测系统可长期动态化观测、分析坐标的变化，实现远程数据采集。使用卫星系统进行定位只需要满足观测条件即可，选点灵活，可满足偏远地区、恶劣条件下的观测。数据由系统自动采集、自动化监测，最大程度上减少人为因素造成的错误，并根据数据变化第一时间发出警报，指导检修抢修工作的开展。

2 在超高压线路上北斗高精度监测系统的设计

2.1 硬件系统

北斗卫星边坡自动化监测系统主要包括检测传感器、数据传输、数据处理、安全预警以及辅助支持系统五大部分构成。监测传感器主要利用北斗设备设置于监测点上，包括接收机天线及北斗接收机构成[2]。数据传输是同轴电缆负责传输天线至接收机的数据，使用加密通信方式经过专线传输信息，数据处理系统设置服务平台可以解算毫米级数据。安全预警平台主要由展示平台和预警平台构成，辅助支持系统包括配电设备、远程电源、UPS 设备、防雷设备以及机柜等。

2.2 系统构成

监测传感器主要为卫星接收天线、北斗高精度接收机、太阳能供电系统、防雷系统以及无线传输系统构成，可以满足水平±2.5mm+0.5ppm 和垂直±5mm+0.5ppm 的精度要求。通信传输系统主要利用光线、网桥、3G/4G 以及GPRS 等通道进行数据监控传输，将数据上传至数据中心。考虑到高压输电线路多在野外分布，地点分散、距离较远，甚至需要跨越高山和河流，优先选择3G/4G 传输手段为佳。基站数据利用光线传输，保证数据安全。服务平台主要对星历数据、监测点观测数据以及基站数据进行分析，考虑到数据安全性设计专用服务系统，将数据解算至电网数据中心，包括解算引擎、任务调度、监控等服务均由服务系统实现。

北斗地基增强站充分利用国家北斗地基增强网络，借助于千寻平台对位置信息进行解算以及数据分析，经过大数据分析更为准确了解监测结果，减少漏报和误报的事故。通过对高压线路全天候采集数据，支持铁塔安全分析和变形分析，作为评估地质灾害的可靠依据。在云计算服务支持下提高数据分析的稳定性和效率。预警平台可展示部分地图，提供站点、隐患点以及数据信息等，在地图上叠加图层数据。对输电线路环境进行管理，展示环境监测数据、形变速率等，建立灾情上报机制，及时上报灾情信息并对灾情进行审批，汛期积极查询上报信息，根据降雨量、坡度以及岩性数据经过数据处理得到预警数据。

2.3 关键技术

自动监测系统主要利用数据采集技术及传感技术以获得更加准确的数据信息，但由于高压线路距离较远，传输数据相对困难，若大量布设站点可能增加后续维护的难度，也很难对地质灾害进行快速分析。使用GNSS 定位由于站间距离大，定位精度有明显降低，超高压线路分布广且大多经过湖泊和山岭，需攻克远距离实时监测难关，并最大程度上利用现有基站减少建设成本。引进北斗卫星定位技术，主要借助于配套设备以及北斗接收机，可实现数据采集、传输、处理、预警等全过程，将数据和决策显示在监控中心。自动监测系统可满足全天候监控，无需人员操作，运行效率高、运行成本低。一般情况下太阳能可持续供电，无障碍运行超过10万小时，即使在没有阳光的恶劣天气中备用电源仍可满足7天的稳定运行。

北斗系统具有良好的稳定性，可满足长时间运行需要，使用大地测量型天线，具有突出的物理性能。自动监测系统使用光纤通信将数据及时传递给控制中心，满足实时情况。控制中心可对数据自动解算，短时间内显示评估结果[3]。系统具备报警系统，通过E-Mall、短消息等方式发布报警信息，不受到空间和时间的局限，可远程掌握线路周边的地质变化。系统可自动生成数据报表，报表内容可由人工设计，了解地质信息的月度或周变化。

3 在超高压线路上北斗高精度监测系统的实施方案

3.1 监测点布置

监测点主要包括监测站及参考站，基站选择千寻位置网的站点、不需额外建设。充分利用国家增强网基站资源和数据，避免资源浪费，降低建设成本。基站接收信号后，经过数据处理系统解算为卫星精密轨道及钟差等增强信息，经过通信、卫星等手段传递给控制中心，控制中心经过差分增强进行误差的修正以实现毫米级服务。若线路所在区域内没有千寻基站，可设置加密站作为基站。

监测站建设要在现场施工，根据线路周边情况展开施工。使用425标号级别以上的水泥材料，选择火山灰质水泥及矿渣，不允许使用粉煤灰水泥。对于容易受到冻融影响的标石选择普通硅酸盐水泥施工。若现场位于海水或盐碱地等附近应选择抗硫酸盐水泥。石子均选择级配5～40mm 的坚硬碎石或卵石，不允许选择统一尺寸的石子。砂子选择0.15～0.30mm 粒径的沙子，将含泥量控制在3%以内。根据现场环境选择外加剂，包括引气剂、减水剂及早强剂等，保证混凝土质量满足质量水平。需在现场进行混凝土的调制，严格按照技术要求和配比进行调制，调制前需要将砂石清洗干净，浇灌标石要充分振捣。在0℃环境下要求添加防冻剂，拆模时间控制在24h 以上，否则不允许施工。

3.2 供电系统

自动监测系统预警平台主要由市电供电，在无法使用的位置使用太阳能供电方式，可减少拉线供电的麻烦。自动监测系统具有较高安全度，太阳能供电不会影响供电稳定性。因此系统供电主要由蓄电池、控制器及太阳能电池板提供。太阳能电池板能利用太阳能发电给蓄电池充电并提供稳定供应。太阳能电池板主要负责储存太阳能转化为电能，储存在蓄电池中推动电力供应。太阳能电池方阵选择100Wp/12V 太阳能电池板，每天可以发电280Wh，根据设备耗电量计算电池板的数量。

太阳能控制器能够对系统工作状态进行控制，并保护蓄电池的过放电及过充电。在大温差地区，使用太阳能控制器也具备温度补偿功能。在系统正常连接状态下，阳光照射在电池板上，充电灯提示绿色常亮、系统电路正常，在指示灯显示绿色快闪表示过电压。充电采取PWM 方式，一旦出现过放动作，充电要先达到充电电压10min，然后改为直充电压10min，让蓄电池得到激活，避免形成硫化结晶。最后改为浮充电压。如没有出现过放动作不会提升充电方式，自动控制充电可保证蓄电池处于最佳状态下，延长蓄电池的使用寿命。

当蓄电池处于正常电压状态下指示灯常亮，充满后指示灯为绿慢闪。当电池电压降至欠压状态指示灯变为橙色[4]。当电压降到过放状态时指示灯为红色，控制器将输出关闭，提醒用户补充电能。当电压恢复至正常状态自动开通输出动作，指示灯为绿色。当开通负载后指示灯常亮，负载电流一旦超过控制器额定电流，负载电流超过额定电流5s 指示灯为红慢闪，提示过载状态，控制器将输出关闭。当出现短路故障控制器将输出自动关闭，指示灯显示快闪。观察到指示灯变化，人工检查负载情况，将故障负载断开，按键30s 后恢复正常状态。

蓄电池一般选择铅酸电池，在小微型系统中使用锂电池、镍氢电池及镍镉电池，在太阳能组件支持下可储存电能，必要时释放电能。蓄电池容量决定着供电性能，设备所需电量均由蓄电池供应，太阳能发电应在日消耗基础上增加一部分电量提供给蓄电池储备，以备阴雨天气供电使用。蓄电池容量约为120Ah/12V。在蓄电池使用过程中，注意减少在低温或高温环境中使用，避免过充过放，避免长时间浮充或低电量存放，注意防水保存。

3.3 数据通信系统

数据通信系统主要包括传感器通讯和控制中心通讯两部分，根据现场环境选择3G 或4G 的通讯方式。控制中心应用专线通讯，连接输电所以及千寻VPC 传输数据。千寻VPC 的输电所及Prop 模块建立通信，根据需要传送星历数据或者基站数据。

3.4 安全设施

主要对监测设备安装安全设施、防止被盗。由于自动监测系统设备无人照看，要在观测站周围设置防护栅栏并贴好电力安全警示牌，保护观测站设备。每个机柜都安装安全锁以及钥匙并适当提高设备安装高度。