基于北斗定位技术的杆塔倾斜实时监测系统的研究与应用

张海斌

（晋能控装备制造集团有限公司供电分公司 山西 大同 037003）

关键字：北斗定位；杆塔沉降；倾斜监测；摄像头

0 引言

由于煤矿开采，出现很多采空塌陷区，而输电线路地处野外，受外界环境影响巨大，特别是输电线路杆塔受采空塌陷影响非常严重，国内曾发生过由于地基沉降引起的杆塔倾斜，扭曲变形，主材撕裂等事故，严重影响了输电线路的安全运行。长平矿芦家峪风井和成庄矿矸井附近沉陷较为严重，严重影响煤矿供电安全，在传统的监测方法中，例如使用经纬仪、全站仪、水平管等，组织人员定期测量杆塔情况不失为有效的办法，但是确实缺乏了实时性。

随着北斗精确定位技术的发展，基于智能电网的建设以及市场需求，设计基于北斗卫星的输电杆塔在线监测系统［1］，高精度倾角传感器对杆塔横向纵向倾斜度倾斜角进行角度测量，北斗模块可以实现沉降位移的精密测量，同时联动高清摄像头对现场情况进行抓拍图像，数据通过无线网络传输至服务器，运维人员即可在电脑、手机访问倾斜数据。为保证电力电路的安全运行，提供了有效的帮助。

1 系统组成及原理

本项目主要涉及图像压缩领域、远距离数据通信传输领域、传感探测和实时数据处理领域、电子供电技术领域等；拟解决的高压输电线路图像监控技术、4G无线公网数据传输技术、北斗卫星测量技术、传感器探测技术、太阳能及蓄电池供电技术、信号处理及诊断技术、报警阀值评价标准、应用系统及业务模块管理技术、系统在高磁高压下抗干扰技术等关键技术问题。

系统由三大部分组成，分别是：北斗沉降监测系统、杆塔倾斜监测系统、图像监测系统。前端装置采集各项地质沉降位移数据、倾角数据、图像数据等，将数据进行汇总后，通过4G 无线传输的方式传至监控平台。系统组成图如图1所示。

图1 本系统结构图

系统由前端系统、传输网络、后台系统等三级网络组成，前端系统实现图像采集、沉降位移采集、倾斜采集等功能，最后将前端各类信息，通过传输网络4G 远传至后端系统，实现数据处理、客户端监控、移动端监控等功能。

本系统沉降传感器精度可达毫米级，沉降传感器报警值可设置，测量误差应小于±5 cm；倾角传感器精度为1°，倾角报警值为±5°（可设置）。

具体原理为，前端系统通过北斗通信实时采集杆塔沉降位移数据，通过倾角传感器采集角度数据，当所采集的位移量和倾角量大于报警阀值时，联动图像采集，然后把图像及沉降位移、倾角数据进行数字化压缩编码，最后利用4G无线网络传输模块将图片及现场数据以IP 包的方式发送到数据存储服务器。数据存储服务器和监控客户端分别是装有远程监控服务端软件和客户端软件的PC机，客户端主动通过服务器中转来浏览监控图像和设置监控参数。

监控中心通过图像及数据监控客户端实时浏览观测各监控点的现场情况，维护监控人员通过从现场发送来的杆塔沉降位移、倾角、图片等数据进行分析比对，如出现异常的预警信息，即立刻做出相应的应急处理，以确保高压线路的安全运行。

2 北斗系统设计

利用北斗高精度定位技术对输电杆塔进行定位。该项技术是基于北斗相对定位原理。北斗相对定位原理：在一条或多条基线的两端分别安装两台（或多台）接收机，接收机用于同时观测同一个北斗卫星，通过北斗卫星确定基线的相对位置。并且在定位时对观测量求差提高极限精度，以便消除接收机钟差、卫星钟差及削弱电离层和对流层折射带来的影响，抵消整周模糊度参数等，使基线精度提高，如图2所示［2］。

图2 北斗定位原理框图

在需要定位的铁塔上布置北斗监测天线，结合国家北斗地基增强站的数据，然后通过加密的通信传输网络把解算所需要的载波相位数据、星历等数据同时发送到数据中心，数据中心获得每个监测点和基站的在线实时数据，通过北斗系统的数据处理对基站、定位点的距离进行计算，获取铁塔实时的三维坐标位置。同时将计算得到的数据传给主机，最终通过4G网络发送到后台系统。

3 倾斜子系统设计

本子系统由监测主机、供电系统、杆塔倾角传感器组成。工作原理如下，监测主机收集传感器杆塔倾斜数据，监测主机对传感器的采集方式为RS485，供电方式可以是锂电池或者太阳能取电，然后分析处理后，通过RS485传至监测主机，最后将数据通过4G发送到后端系统［3］。模块组成如下图3所示。

图3 杆塔倾斜监测模块工作流程图

对于无人坚守的铁塔，当发生倾斜、沉落和偏移时，无法第一时间通知管理人员派遣维修人员在最短的时间内恢复。所以获得输电铁塔的实时数据非常重要。但输电铁塔大部分都在野外，利用传统的人工巡线方式费时费力还不能第一时间获取数据。

4 图像监测子系统设计

图像监测系统，具体智能图像识别功能，主要针对输电线路的防外破塔基、恶劣的冰灾天气、施工现场塔吊、车辆穿越架空线路等监控而设计的系统。可以有效监视外力破坏和影响，如塔吊、超高建筑（小于安全距离）等；在严酷天气等特殊情况下，代替人工巡视对输电线路进行巡检；可以监视林区高树成长对高压输变电线路的威胁；最终将安全事故扼杀于摇篮中。

具体原理为，采用一体化结构设计，前端系统负责图像数据采集与异常识别，当触发告警时，主机联动图像拍照，主机然后把图像及外力破坏数据进行数字化压缩编码，最后通过4G网络的传输模块可以把现场的数据及图片等信息发送到数据存储服务器。作为数据存储服务器、监控客户端，均装有远程监控服务端软件、客户端软件，均处于互联网络中，当远程图像、数据采集器无固定的IP地址时，客户端通过服务器中转去主动浏览铁塔图像和设置参数［4］。

5 后台管理平台

后端平台子系统的设计：工控机、网络接入设备、中心处理器等。控制中心的所有设计开发主要是在Windows 操作系统基础上集中利用软件的设计开发［5］。后端平台子系统组成图如图4所示。

图4 后端平台子系统组成图

在本次设计中核心是数据处理技术、建模处理。其中包括数据建模管理平台、智能管理操作平台、报警管理操作平台等。

随着微信应用的普及，以前在PC 机上实现的功能，基本都要求在微信上实现，对通道可视化监控系统，要求在微信上实现对前端设备的控制，如控制终端进行沉降位移数据、倾角数据管理，图像抓取等功能。

功能定义如下：

（1）图文消息推送：将设备定时抓拍和手动抓拍的图片推送至微信客户端；

（2）设备管理：状态查询、远程抓拍、综合数据管理、图片浏览、设备定位、抓拍时间表设置，小视频录制时间表设置等功能；

（3）综合数据展示：沉降位移数据、倾角数据等状态数据；

（4）报警管理：报警统计、报警等级设置；

（5）权限管理：添加、修改、删除微信用户信息，并给微信用户绑定设备资源（平台上的功能）；

（6）图片推送，可以定时或者手动抓拍图片(间隔时间＜60 s,时间可设置)

6 应用情况及效果分析

（1）应用情况

在供电公司安装一套北斗基准设备，同时进行了两套现场设备的试验，分别安装于长平矿芦家峪风井和成庄矿矸井附近沉陷较为严重的杆塔上，安装完成后，经过现场试验验证本系统采集到的数据可靠，传输准确。可实现对杆塔塔身倾斜倾角、每个杆塔塔角的沉降情况进行远程实时监测，同时可对每个杆塔塔角、前后线路等位置进行定时图片拍摄，在发生倾斜或沉降时会短信通知到巡线人员，实现了“远程智能巡线”，减少了人工巡检次数，提高了工作效率。本系统自从2020年4月份安装以来，到现在运行良好。

（2）应用效果分析

设备在现场安装之前，在地面做了沉降试验，事先先把在地面时数据归零，图5 为天线在地面测得的数据，实际误差不超过2.1 mm，图6为天线在地面上抬高了17.5 cm，实际系统里三次的数据均在2 cm 误差之内，图7 为天线在地面提高了14.2 cm，实际系统里采集到的数据均在3 cm之内，可见沉降测量较为准确。

图5 流动站设备在地面测试和系统对比图

图6 流动站设备在地面测试和系统对比图

图7 流动站设备在地面测试和系统对比

图8为本系统在成庄矸井附近的杆塔线路上安装后的使用效果图，从图中我们可以看到，该监测点自从8月5号左右开始有了明显的沉降，沉降幅度为1.5 cm左右。从数据浮动程度来看，本系统测量误差为±2 cm，符合本项目对系统指标的要求。

图8 本系统安装后使用效果

图9和图10为本系统在长平芦家峪附近的曲芦线上安装后的使用效果图，从图中我们可以看到，本监测点从5 月份到9 月份基本没发生沉降。表1 为通过人工测量的芦家峪曲芦线138号测量数据。从监测曲线和测量数据发现，两者几乎没有大区别，本系统测量较为准确。

图9 本系统安装后使用效果图

表1 芦家峪曲芦线138号测量数据