基于北斗定位技术的电力铁塔倒伏监测与预警技术研究与应用

张静伟，张 川，徐 奇，于长禄，任瑞樵，李 超，王石岩，彭海超

（国网吉林省电力有限公司松原供电公司，吉林 松原 138000）

0 引 言

北斗系统建设的意义在于定位系统自主化、智能化，如何将该系统稳定高效地应用于工业发展各个领域尤为重要，这对于国家战略安全同样具有重要的意义[1]。电网运行的安全和稳定直接关系到国家战略安全，因此国家电网公司有责任也有义务加快推广北斗系统在电力安全监测领域的应用，这既为国家电网安全提供了一个高性能、高保障的新方案，同时也符合国家安全战略要求[2]。基于北斗定位技术，本文对电力铁塔倒伏监测与预警技术展开了研究。

1 项目研究

1.1 定位理论

1.1.1 静态定位

又称绝对定位，用户天线在跟踪导航卫星的过程中固定不动，卫星接收机高精度测量导航卫星信号的传播时间，根据导航卫星在轨的已知位置，从而算得固定不动的用户天线的三维坐标[3]。

1.1.2 动态定位

用导航卫星接收机测定一个运动物体的运行轨迹。导航卫星接收机所位于的运动物体叫做载体，它可以是陆地车辆、河海船舰、空中飞机、航天飞行器等。按照这些载体的运行速度之快慢，又将动态定位分成秒速为几米到几十米的低动态，秒速为一百米到几百米的中等动态和秒速为几千米的高动态等3种形式。所谓“动态定位”，就是载体上的导航卫星接收机天线在跟踪导航卫星的过程中相对地球而运动，导航卫星接收机用导航卫星信号实时地测得运动载体的状态参数[4]。

1.2 导航定位原理

卫星定位基本原理是三球交会测量定位。由MCC实现距离测量，卫星无需高精度的时间频率标准。MCC借助卫星S1和S2发射，用于询问的标准时间信号，用户收到此信号时，发射应答信号，经卫星S1和S2，分别回到MCC，通过MCC分别测量出由卫星S1与S2返回的信号时间延迟量。卫星S1和S2在每个时刻的位置是已知的，数据处理汇总，考虑上述信号传输过程中卫星S1、S2的相对运动及MCC、卫星S1、S2转发器的传输延迟、用户机的传输延迟、电离层、对流层的影响，从而得到用户到两颗卫星间的距离量，计算出用户坐标位置，便于分析和说明。如图1所示。

图1 定位系统信号流向框图

构成的基本观测量和数学模型可用如下的公式表示。

式中，下标c表示MCC；下标u表示用户站；t1为卫星S1接收地面MCC询问信号并转发信号的时刻；t2为用户节接收卫星S1的询问信号时刻；t3为卫星S1转发用户应答信号时刻；t4为卫星S2转发用户应答信号时刻；Δtc1I为卫星出站转发器的设备时延；Δts1为卫星S1的入站转发器的设备时延；Δts2为卫星S2的入站转发器的设备时延；Δtu为用户机转发信号的时延；Δtc1O为MCC至卫星S1出站链路设备时延；Δtc1I为MCC至卫星S1入站链路设备时延；Δtc2I为MCC至卫星S2入站链路设备时延；Dc1为光速；dc1为第一颗卫星S1至MCC的距离；D1u为第一颗卫星S1至用户的距离；du1为由用户机返回第一颗卫星S1的距离；du2为用户返回卫星S2的距离；dc2为用户返回MCC时，卫星S2至MCC的距离。

信号在设备中的时延可以精确测定，所以对信号的接收与发射的时差为已知。信号经卫星出站再经用户入站的转发时刻在几百毫秒级，考虑卫星的运动，在图2中卫星S1的位置相对拉开了。将各级距离用坐标表示如下：

式中，上标表示卫星号；下标c表示MCC；下标u表示用户站。

准确描述用户机到坐标原点的距离为：

式中，S3表示距离；r表示夹角；hcosθ表示大地高。r为用户机在参考椭球面上的投影到坐标原点的距离；h为用户机所在点的大地高；cosθ为用户机所在点的矢径与参考椭球法线的夹角。

关系式如下：

以上给出了用户相应卫星S1的询问信号，并向两颗卫星发送应答信号的情况。

同样可以给出用户相应卫星S2的询问信号，并向两颗卫星发送应答信号的表达式，只不过将卫星S1的标号与卫星S2的标号互相调换而已。

为了将用户的发射信号控制到合适的水平，即将既能满足MCC测量及解调需要，又能使CDMA系统用户间干扰为最小，用户可接收两颗卫星的询问信号进行时差测量，按最低功率响应其中一颗卫星的询问信号。此时，只能有一颗卫星的返回信号构成测距方程。同样，可以恢复出可供定位的方程组。式（1）、式（2）、式（4）构成用户定位求解方程。

基于式（1）、式（2）、式（4）进行线性化后，得：

式中，上标s1表示卫星号； 下标u表示用户站；下标x表示纬度；下标y表示经度；下标t表示传输延时。

为在t3时刻卫星S1对x轴的方向余弦，其他类推；δx为用户机所在位置的经度；δy为用户机所在位置的纬度；δts1为按其上下标为设备的传输时延；F为以参数C1为参变量的表达式。根据式（6）可解用户机的坐标，经化简为

2 项目研究内容和实施方案

2.1 研究基于北斗三代系统的精确定位技术

采用北斗三代定位测量技术对电力铁塔倒伏进行实时监测，用4G或北斗短报文通信技术将铁塔倒伏数据发送至云监控平台，平台根据铁塔倒伏测量数据，应用智能信息处理技术，对铁塔安全状态进行综合评估与预测。该系统能够及早发现铁塔安全事故隐患，通知电力相关人员及时处理隐患，以免铁塔倒伏、倾斜、倒塌、断线等危害事故的发生，确保电网安全可靠运行，降低因故障停电事故带来的经济损失。基于北斗三代系统的高精度定位是利用北斗监测点（流动站）和北斗基准站（参考站）分别接收北斗卫星信号，采用载波相位差分技术解算两个天线之间的基线向量，结合基准站的已知坐标，计算出北斗监测点的高精度坐标。

2.2 研制电力铁塔塔倒伏监测的北斗终端

（1）使用测量型卫星天线，接收北斗系统卫星信号，天线的相位中心直接影响最终监测结果，因此需要对天线的相位中心进行对准和标定。

（2）研究利用卫星导航模块获取载波相位测量值。高精度定位技术使用载波相位双差观测方程，并采用相应算法解算双天线构成的基线位置。

（3）高精度定位算法需要大量的计算，包括矩阵运算、浮点运算。而嵌入式处理器计算性能、内存等资源有限，需要优化算法使其运行在ARM嵌入式处理器上。

（4）研究监测点高压传输线下抗干扰设计，包括节点布置策略、屏蔽技术及探测周跳和修复工作等。

（5）研究北斗精确定位模块及终端，包括天线模块、接收机模块、供电模块三位一体[5]；监测点供电子系统优化；保护机箱小型化等内容，提高设备普适性满足不同类型杆塔安装要求。

2.3 在输电线路上试点应用和测试

选取某输电线路的多个有倒伏隐患的电力铁塔，在塔基位置布设多套北斗倒伏监测终端，通过“载波相位差分定位技术”解算监测点倒伏信息，上述数据通过无线公网4G发送至远程网络服务器平台，从而实现对每座电力铁塔塔基的倒伏监测和可视化。当检测到异常情况时及时通知有关部门采取措施，以保障电力传输系统的安全可靠运行。

2.4 安全措施

（1）APN数据专网模式：国家电网公司内部网络中配置APN服务器，现场监测设备使用APN数据专网，由于采用数据专网，服务器与公网Internet隔离，可以有效避免非法入侵。

（2）内网卡SIM卡的唯一性：采用内网卡授权，在网络侧对卡号和APN进行绑定，划定用户可接入系统的范围，只有属于国家电网公司的SIM卡才能访问专用APN网络。

（3）数据加密：可对整个数据传送过程进行加密保护。舞动监测数据按照规约打包后，进一步采用南瑞或普华加密芯片加密后，通过4G方式发送至国家电网公司统一状态监测主站[6]。

（4）网络接入安全鉴定机制：采用防火墙软件，设置网络鉴权和安全防范功能，保障系统安全。

3 结 论

北斗系统经过若干年的发展，目前技术相当成熟，随着北斗三代系统建设的开展，系统整体性能还将有质的飞跃，但北斗技术在电力系统监测中的应用基础还比较薄弱。在智能电网中推广应用北斗系统，将该技术在电力行业领域的应用趋于针对化、成熟化，具有非常可观的应用前景和深远的战略意义。