基于BDS-3/5G的电力铁塔智能监测云端系统研制

周命端，李 静，蒋 炜，李全有，董 杰

(1.北京建筑大学 测绘与城市空间信息学院，北京 102616；2.国网思极位置服务(北京)有限公司，北京 102200；3.国家电网有限公司，北京 100031)

电力铁塔是智能电网系统的重要组成部分，在(超)高压长距离输电线路沿线架空中支撑电力导线地线及其它电力附件发挥着重要的承载作用[1]。电力铁塔的形状一般设计为空间桁架结构，主要杆件多由单根等边角钢或组合角钢焊接构成，它的安全稳定工作状态关系着输送电力是否能够正常运行的可靠性。受天气、风力或外力等复杂环境影响，如果电力铁塔出现变形、倾斜或倒塔等失稳现象，造成塔体结构失效，将直接影响输电线路的正常运行，势必造成供电性能遭受损失，严重时甚至会危及整个电网系统的安全性和稳定性。随着我国经济社会的不断发展，电力输电线路承载的电压等级不断提高，输电线路输送电力的距离也不断延长，(超)高压长距离输电线路工程应运而生，迫使电力输电线路生产工艺流程面临着更高要求，支撑电力输电线路的电力铁塔也朝着结构高耸、档距跨越大和塔体柔度增强等方向发展。电力铁塔受地质灾害冲击荷载、风荷载、电力导线覆冰影响等复杂环境影响变得更为灵敏，复杂环境综合作用下所引起的失稳现象将成为破坏电力铁塔安全的主要因素之一[2]。传统的电力铁塔安全监测主要依靠人工周期巡检方式，即依靠肉眼和一些简易测量工具巡视监测电力铁塔的塔体结构是否存在变形或失稳现象。这种方式比较简单，但也存在如下诸多弊端[3-6]：①对巡检监测人员的专业经验要求高；②巡检周期长，工作效率低，无法实时在线监测；③巡检监测精度低，自动化及智能化程度低；④人工巡检监测，消耗大量人力和物力。随着无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)的蓬勃兴起，WSN技术在各类工程结构变形监测中获得应用。刘宏等人[7]探讨了一种基于WSN的拓扑结构及数据传输方案，并应用于电力铁塔的安全监测与预警系统中；吴键[8]针对大型结构监测探讨了智能无线传感网络应用系统的关键技术和实现方法；Lu Qinghua等人[9]基于WSN技术搭建了一种电力塔实时在线监测系统，验证了系统关键技术及其性能。由于WSN技术存在漂移和累积误差等缺陷，应用于电力铁塔监测装置系统的造价较高且系统布设比较复杂，制约了WSN技术大范围的推广应用。

北斗三号全球卫星导航系统(Beidou Global Satellite Navigation System，BDS-3)是我国自主研发的全球导航卫星系统，可以为全球用户提供定位、导航、授时、测速和短报文通信服务[10]，已于2020年7月31日正式向全球开通，并具有自主性、可控性和安全性等特点。针对我国智能电网系统目前缺乏能够用于监测电力铁塔变形或失稳现象的基于BDS-3的智能监测系统[11-12]，文中考虑到BDS-3系统具有全天候、全天时、精度高等优点，相比WSN技术而言，不受天气、地理环境因素影响，并顾及5G移动通信具有大带宽、低时延、广连接的技术优势[13]，提出一种基于BDS组合5G的电力铁塔智能监测方法，研制一种基于BDS/5G的电力铁塔智能监测云端装置系统(BDS_ETMS)，为智能电网电力铁塔智能监测提供一种高精度云端解决方案，具有重要的参考价值和现实意义。

1 电力铁塔BDS/5G智能监测方法

具备跟踪BDS-3卫星信号的测量型接收机是智能电网系统中电力铁塔在线监测数据采集的一种新型传感器之一。利用载波相位单历元定位方法实现对电力铁塔监测点进行高精度实时动态定位(Real-Time Kinematics, RTK)，其关键点在于单历元快速确定双差整周模糊度，一旦双差整周模糊度参数正确且成功固定，则利用载波相位单历元定位方法在线监测精度可以获得cm级结果[14]。因此，文中提出一种基于BDS载波相位单历元RTK/5G的电力铁塔智能监测方法，对应的智能监测工作原理如图1所示。其中，1台测量型接收机作为基准站，架设于视野开阔的监测现场；另1台测量型接收机作为监测站，固定安装于电力铁塔塔体合适监测点位，用于在线监测电力铁塔输送电力运行过程中的监测点位位置参数，包括三维坐标参数、位置分量精度以及位置精度衰减因子(Position Dilution of Precision，PDOP)值；基准站与监测站的BDS在线监测数据传输依靠5G移动通信装置实现。

图1 智能监测工作原理

1.1 单历元RTK定位模型

由图1所示，假设基准站和电力铁塔的监测站(用下标M表示)在某一观测历元时刻同步跟踪的BDS卫星数为nt，且以同步观测的卫星高度角最大的BDS卫星t作为基准卫星，则针对电力铁塔的监测站与基准站之间形成的空间基线长度处于短基线(≤10～15 km)观测条件下，可以列出nt-1个BDS单历元双差载波相位观测方程，其所对应的误差方程用矩阵形式表示为：

V=B·δXM+K·▽ΔN+▽ΔL.

(1)

由式(1)可知，若采用某一种BDS单历元双差整周模糊度快速解算算法将▽ΔN参数成功确定为已知值，由最小二乘参数估计器(VTPV=min)可以解算电力铁塔监测站的三维坐标参数及精度评定信息。文中建立的BDS载波相位单历元RTK定位模型为：

(2)

(3)

其中，q为CGCS2000坐标系下相应的协因数阵元素。

(4)

1.2 BDS单历元▽ΔN快速确定算法(BDS_FARSE)

针对式(2)中的BDS单历元双差整周模糊度(▽ΔN)快速确定算法的研究，国内外有关专家学者作了众多研究工作，提出了几种典型算法[15-18]。文中以BDS双频观测数据为例，给出一种利用双频相关法(Dual-Frequency Correlation Method，DUFCOM)和直接计算法(Direction Calculation，DC)相组合的BDS单历元双差整周模糊度快速确定算法(BDS Fast Ambiguity Resolution for Single Epoch Scheme，BDS_FARSE)[19-20]。BDS_FARSE算法实现流程如图2所示。

由图2可知，针对“卫星筛选分级处理”策略，文中不顾及BDS GEO,IGSO,MEO卫星类型异同，针对所有可视的BDS卫星，无论是哪种类型的卫星，首先是将高度角最大的BDS卫星t确定为基准卫星；其次，针对基准卫星之外的BDS卫星，按照两两相邻卫星进行卫星方位角差比较，得到卫星方位角差最小的两颗卫星，保留这两颗卫星中卫星高度角小的卫星，然后重复上述过程，直到获得预定数量(一般为6～8颗)BDS卫星确定为I类卫星；最后，将剩余卫星确定为II类卫星。

图2 BDS_FARSE算法实现流程

1.3 5G技术及其高性能目标

监测数据实时快速传输是利用BDS高精度定位方法实现电力铁塔在线监测的关键技术之一。利用5G移动通信技术与BDS单历元定位方法有机融合，构成“5G+BDS”组合技术应用于智能电网将是一种全新的在线智能监测技术。5G是第五代移动通信技术(5thGeneration Mobile Communication Technology)的简称。中国的移动、联通和电信等三大运营商已于2019年11月1日正式上线5G商用套餐。与4G,3G,2G相比，5G技术的性能具有高速率、低时延、泛在网、万物互联和重构安全等显著优势。5G移动通信关键技术主要包括无线传输技术和计算机网络技术。5G关键技术及其高性能目标如图3所示。

图3 5G关键技术及其高性能目标

2 BDS_ETMS装置系统设计与实现

根据BDS载波相位单历元RTK/5G的电力铁塔智能监测方法，文中基于Visual Studio 2010开发平台，利用C#编程语言，设计和开发一种基于BDS载波相位单历元RTK/5G的电力铁塔智能监测软件，并无缝嵌入腾讯云服务器，研制一种基于BDS/5G的电力铁塔智能监测云端装置系统(BDS_ETMS)。

2.1 总体研发思路

BDS_ETMS系统研发总体方案包括系统硬件装备组装和系统软件功能实现。总体开发思路如下。

1)由1台测量型接收机作为基准站，相同品牌的另1台测量型接收机作为电力铁塔监测站，共同构成BDS卫星信号数据采集装置。

2)由2个DTU通信模块(包括2张5G移动或联通手机流量卡)构成监测数据传输装置，其功能是将BDS卫星信号监测数据实时快速传输至具有固定IP的云服务器系统平台，并在云服务器系统平台中建立SQL数据库，并无缝嵌入文中设计和开发一种基于BDS载波相位单历元RTK/5G的电力铁塔在线监测软件，构建BDS_ETMS系统的云服务器端，并建立电力铁塔在线监测的数据处理单元和监测分析单元。

3)在BDS_ETMS系统的云服务器端，利用SQL数据库实时管理电力铁塔监测站的位置参数信息(包括三维坐标参数、位置分量精度和PDOP值)。

4)由云服务器端的监测分析单元通过互联网技术将高精度位置信息实时共享至电力铁塔在线监测客户端，进而实现电力铁塔在线监测的位置参数信息在云服务器端和客户端之间协同共享高精度在线监测结果。

BDS_ETMS系统总体研发工作流程如图4所示。

图4 总体研发工作流程

2.2 系统硬件装备组装

BDS_ETMS系统的硬件装备组装包括：BDS卫星信号数据采集装置、监测数据传输装置、云服务器系统平台(含云服务器)、WiFi网络装置和在线监测客户端。BDS_ETMS系统硬件装备如图5所示。

图5 系统硬件装备

由图5可知：①数据采集装置，如图5(a)所示，由安置于基准站和电力铁塔监测站的BDS测量型接收机组成，接收机包括天线、主机、电池及若干条数据线，天线与主机通过数据线连接，主机与电池通过电源线连接，基准站架设于地势较高且卫星观测视域开阔的实验监测现场，监测站固定安装于电力铁塔组合角钢合适监测部位；②监测数据传输装置，如图5(b)所示，由2个DTU通信模块及供电电池组成，将基准站和监测站的BDS测量型接收机采集的监测数据实时同步无线传输至互联网云服务器系统平台，并利用SQL数据库分类管理监测数据；③云服务器系统平台，如图5(c)所示，包括具有固定IP的腾讯云服务器CVM平台以及由SQL数据库和基于BDS载波相位单历元RTK/5G的电力铁塔在线监测软件构成的云服务器端，其主要作用是为在线监测电力铁塔的数据处理单元和监测分析单元提供云计算平台；④WiFi网络装置，如图5(d)所示，为云服务器系统平台或在线监测客户端提供Internet移动网络，是一种WiFi便携式上网设备(内置移动或联通流量卡)；⑤在线监测客户端，如图5(e)所示，由微型计算机或IPDA构成，为用户实时显绘电力铁塔监测站的位置参数信息。

2.3 系统软件功能实现

根据BDS_ETMS系统总体研发工作流程，基于BDS载波相位单历元RTK/5G的电力铁塔智能监测软件实现需要建立3个功能模块单元：监测数据IO接口单元、数据处理单元和监测分析单元。基于BDS载波相位单历元RTK/5G的电力铁塔在线监测软件实现流程如图6所示。

根据图6给出的监测软件实现流程，本文基于Visual Studio 2010开发平台，利用C#编程语言，设计和开发了一种基于BDS载波相位单历元RTK/5G的电力铁塔在线监测软件(BDS_ETMS)。BDS_ETMS软件主界面设计如图7所示。

图6 监测软件实现流程

图7 BDS_ETMS软件主界面设计

如图7所示，BDS_ETMS软件主界面设计包括“菜单窗口”“监控信息窗口”“站点状态监视窗口”和“站点信息窗口”。其中，“菜单窗口”设置了“工程”“视图”“设置”“管理”“运行”“工具”等主菜单项；“监控信息窗口”设计了“站点跟踪”“卫星状态”“网络状态”“监控分析”和“实时监控”等标签页，“站点跟踪”标签页开发了一种基于Baidu Map的电力铁塔监测站位置在线显绘页面；“站点状态监视窗口”设置了用户名(包括站点名称)、用户类型、登录日期、登录时间和登录状态等信息；“站点信息窗口”包括“基准站”“监控站”和“客户端”等属性信息。

3 系统测试与分析

为验证分析基于BDS/5G的电力铁塔智能监测云端系统的可行性和有效性以及评估系统监测精度，于2021年4月10日在某电力铁塔上部某组合角钢位置固定安装1台某品牌测量型接收机作为监测站(参考坐标为：x=*079.951 m，y=*486.074 m，H=42.080 m，“*”表示省略数字)，并于试验现场附近空旷处架设1台相同品牌的测量型接收机作为基准站，利用文中设计与实现的BDS_ETMS装置系统进行电力铁塔智能监测系统测试分析。其中，接收机采样率均设置为1 Hz，卫星截止高度角均设置为10°，基准站与监测站之间的空间距离约为60 m。

为定量分析BDS_ETMS装置系统智能监测精度，本次试验数据选取30 min共1 800个连续观测历元监测结果进行数值统计与精度评估。

首先，分析电力铁塔监测站用于有效差分定位解算的BDS卫星数和PDOP值随观测历元序列变化趋势情况，图8给出了BDS卫星数和PDOP值的历元序列分析结果。

图8 BDS卫星数和PDOP值的历元序列分析

从图8可以看出，针对30 min共1 800个历元的时间序列分析结果，电力铁塔监测站用于有效差分定位解算的BDS卫星数在7～9颗之间，PDOP值在2.0～4.3之间,其中：PDOP<6[21]的占比为100%，这说明本次实验现场卫星视域观测条件良好。

其次，针对选取30 min共1 800个历元在线监测结果进行数值分析，获得了电力铁塔监测站平面位置动态监测结果(图9)及高程动态监测结果，见图10。

图9 平面位置动态监测结果

图10 高程动态监测结果

图9—图10对所选取的30 min共1 800个历元的在线监测结果进行统计与分析，获得了电力铁塔监测站基于位置信息的数值统计结果。电力铁塔监测站位置数据统计结果见表1所示。

表1 电力铁塔监测站位置数据统计结果 m

从表1可以看出，电力铁塔监测站对所选取的30 min共1 800个历元的在线监测结果在平面x方向上的最大较差值为3.0 cm,平面y方向上的最大较差值为7.1 cm，在高程方向上的最大较差值12.0 cm。

为进一步评估与分析BDS_ETMS云端装置系统在线监测精度，对所选取的30 min共计1 800个历元的在线监测结果从外符合精度(RMS)进行统计分析。RMS统计分析结果见表2所示。其中，RMS计算式为：

表2 RMS统计分析结果 cm

(5)

从表2可以看出，针对电力铁塔监测站所选取的30 min共1 800个历元的在线监测结果，外符合精度(RMS)在x方向上优于1.5 cm，y方向上优于1.0 cm，H方向上优于2.5 cm，平面RMS优于2.0 cm，点位RMS优于3.0 cm，满足电力塔安全监测要求[22]。

4 结束语

针对传统的电力铁塔安全监测依靠人工周期巡检方式存在诸多弊端，文中提出了一种基于BDS组合5G的电力铁塔智能监测方法。基于BDS载波相位单历元实时动态RTK定位模型，给出了一种基于双频相关法(DUFCOM)和直接计算法(DC)组合的BDS单历元双差整周模糊度快速确定算法(BDS_FARSE)实现流程，设计和开发一种基于BDS载波相位单历元RTK/5G的电力铁塔智能监测软件，从系统硬件装备组装和系统软件功能实现两个方面研制了一种基于BDS/5G的电力铁塔智能监测云端装置系统(BDS_ETMS)。系统测试与分析结果表明：BDS_ETMS装置系统智能监测精度在x方向优于1.5 cm，y方向优于1.0 cm，H方向优于2.5 cm，平面RMS优于2.0 cm，点位RMS优于3.0 cm，可以满足电力塔安全监测要求，验证了文中算法及装置系统是可行且有效的，可为智能电网电力铁塔智能监测提供一种高精度云端解决方案。下一阶段将重点考虑布设多个BDS监测点全面分析电力铁塔形变状况，建立电力铁塔智能监测预警模型机制，并从不同电压等级场景下验证BDS_ETMS装置系统的适用性。