黃紅兵，張 辰，劉俊毅，章 毅，鐘一俊

（國網(wǎng)浙江省電力公司信息通信分公司，杭州 310007）

1 引言

電網(wǎng)承擔著社會發(fā)展和人民生活供用電的重要任務(wù)，政府和社會對供電企業(yè)輸電、配電、供電的可靠性要求越來越高。當前，跨地區(qū)、跨流域的輸電線路在我國已普遍建立，這雖然為民眾的生產(chǎn)、生活帶來了極大的便利，但在一些地形復(fù)雜，采空區(qū)較多的區(qū)域卻很容易出現(xiàn)輸電桿塔傾斜、沉降、位移問題，由此導(dǎo)致的桿塔倒伏、線路拉力與弧垂改變往往會直接影響輸電線路的正常運行[1]。并且，大多數(shù)輸電桿塔地處偏遠，工作環(huán)境惡劣，經(jīng)常會遭受各種人為破壞（如盜竊電力設(shè)施等）或自然災(zāi)害的襲擊（如暴風雨、覆冰等），歷史上也曾多次發(fā)生倒桿斷線的嚴重事故，給國家和電力企業(yè)帶來了重大的經(jīng)濟損失和極其不良的社會影響。

為了避免輸電桿塔的正常運行受到影響，長期以來，電力企業(yè)對桿塔的運行維護主要依賴于人工的定期巡視和檢修，但這種方法工作效率低下，維護成本較高。由于桿塔的傾斜、沉降、位移隱患是一個由量變到質(zhì)變的過程，人工巡視在監(jiān)測結(jié)果上也存在著局限性，易造成對電力桿塔隱患的漏判[2]。輸電桿塔一直處于缺少監(jiān)管維護的狀態(tài)，因此亟需一種高精度的桿塔狀態(tài)信息獲取方式，對桿塔異常情況進行分析，并通過高可靠通信方式將狀態(tài)信息傳送至分析處理平臺[3]。隨著無線通信以及北斗定位技術(shù)的日漸成熟，輸電桿塔的狀態(tài)監(jiān)測課題獲得了新的研究思路和強而有力的技術(shù)支持[4-5]。本文通過研究與輸電桿塔相適應(yīng)的多元分布式北斗定位接收裝置的運行特性，進行系統(tǒng)設(shè)計和精度分析，研制了一種定位接收裝置，可依托定位數(shù)據(jù)完成桿塔傾斜、沉降及移位等異常狀態(tài)監(jiān)測，實現(xiàn)桿塔遠程無人值守和異常狀態(tài)實時預(yù)警。

2 北斗定位技術(shù)

北斗定位技術(shù)是一種基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)實現(xiàn)的定位技術(shù)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國自行研制的全球衛(wèi)星定位與通信系統(tǒng)，可全天候、全天時為各類用戶提供高精度和高可靠的定位、導(dǎo)航、授時服務(wù)[6]。本文在圍繞北斗定位技術(shù)展開研究時，主要以北斗差分定位算法為核心。該算法理論上可有效降低甚至消除各種測量誤差，但為了保證定位結(jié)果的高精度，可能引起定位誤差的星時鐘誤差、衛(wèi)星星歷誤差、電離層延時誤差、對流層延時誤差、接收機多路徑效應(yīng)以及接收機噪聲也需要引起我們的重視[7]。

3 輸電桿塔運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

圖1 桿塔狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

在基于北斗定位技術(shù)展開輸電桿塔運行狀態(tài)監(jiān)測研究時，為了能夠真正利用監(jiān)測預(yù)警的功能來保障輸電桿塔的安全，實際配套設(shè)計了完整的桿塔運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)共由監(jiān)測基準站、監(jiān)測移動站和監(jiān)控中心三部分組成，表1對監(jiān)測系統(tǒng)的各組成部分進行了說明。

表1 桿塔狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)組成

根據(jù)表1，可以較為直觀地了解北斗定位技術(shù)應(yīng)用在桿塔運行狀態(tài)監(jiān)測上的系統(tǒng)部署。圖1對狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)也進行了展示。

4 輸電桿塔運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

4.1 輸電桿塔運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設(shè)計

對于桿塔運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測基準站、監(jiān)測移動站是系統(tǒng)硬件方面的主要組成，圖2展示了監(jiān)測移動站的硬件結(jié)構(gòu)。監(jiān)測移動站由供電系統(tǒng)、微控制器控制系統(tǒng)、北斗定位系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與存儲等硬件模塊組成，能夠真正在北斗定位技術(shù)的支持下服務(wù)于桿塔的運行狀態(tài)監(jiān)測。而對于監(jiān)測基準站來說，其硬件結(jié)構(gòu)與監(jiān)測移動站類似，二者的差異僅在于傾角數(shù)據(jù)的采集部分，為此本文對監(jiān)測基準站的硬件設(shè)計不多做贅述。

圖2 監(jiān)測移動站的硬件結(jié)構(gòu)

（1）電源電路是系統(tǒng)硬件的關(guān)鍵組成部分。為了實現(xiàn)桿塔運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，考慮到鋰電池供電的不穩(wěn)定性，在電源設(shè)計方案中確定了雙電源供電策略。

（2）對STM32F103微控制器這一硬件模塊來說，其本身具備安全、可靠、低功耗、精密等特點，這些特點也使得該微控制器能夠較好地滿足桿塔運行狀態(tài)的監(jiān)測需求。

（3）針對電源控制電路，考慮到北斗與GPRS通信模塊為監(jiān)測系統(tǒng)的主要功耗來源，為了滿足硬件系統(tǒng)對于功耗的較高要求，采用了電池供電設(shè)備以及模塊不工作時關(guān)閉其電源供電的控制方式。

（4）對于射頻模塊，其主要用于實現(xiàn)實時性強、穩(wěn)定性高、通信成本低廉的無線通信功能，在實際應(yīng)用中選用了5.8GHz無線數(shù)傳模塊，該模塊適用于電池供電系統(tǒng)，本身也能夠滿足監(jiān)測系統(tǒng)對于無線通信的數(shù)據(jù)傳輸需求；對于GPRS通信模塊，其主要負責監(jiān)測站與Internet的通信數(shù)據(jù)傳輸。

（5）北斗模塊屬于輸電桿塔運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的核心組件，為了能夠精確監(jiān)測桿塔的方位參數(shù)，在系統(tǒng)設(shè)計之初便選定了北斗載波相位差分技術(shù)，用以實現(xiàn)厘米級的運行狀態(tài)測量。

4.2 輸電桿塔運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計

本節(jié)針對該系統(tǒng)的軟件設(shè)計進行說明，這部分主要分為微處理器應(yīng)用軟件設(shè)計和監(jiān)控中心服務(wù)器軟件設(shè)計兩個方面。

4.2.1 微處理器應(yīng)用軟件設(shè)計

鼻內(nèi)鏡手術(shù)后，術(shù)后護理主要包括填塞護理、健康教育、飲食護理、出院指導(dǎo)。患者鼻腔燒灼創(chuàng)面敷以涂好金霉素眼膏的明膠海綿，囑咐患者明膠海綿可以保護創(chuàng)面，防止鼻腔粘連。明膠海綿可以自行吸收，患者無需將其取出。告知患者出院后需要規(guī)律服藥，控制血壓，根據(jù)心內(nèi)科醫(yī)生的建議積極治療高血壓，預(yù)防并發(fā)癥。保持良好心情，避免心情波幅太大[5]。健康合理飲食，建議低脂低鹽飲食，富含維生素及纖維素清淡易消化的軟食。保持大便通暢，避免用力排便而引起再次出血。戒煙戒酒，不劇烈運動，注意休息[6]。由于老年患者記憶力較差，我們制作了鼻出血出院指導(dǎo)手冊，增強患者的依從性，提高手術(shù)療效。

對于監(jiān)測系統(tǒng)的微處理器應(yīng)用軟件設(shè)計，實際中選擇了Keil MDK開發(fā)環(huán)境來完成具體軟件功能的開發(fā)，這一選擇主要是由于Keil MDK能夠較好滿足M3/M1/M0/M4內(nèi)核微處理器的相關(guān)設(shè)計需求。由于Keil MDK所屬公司提供了較為完整的STM32設(shè)備固件庫，這使得進行軟件設(shè)計時無需編寫驅(qū)動函數(shù)。由此，確定了微處理器應(yīng)用軟件的開發(fā)流程，即：“開始→系統(tǒng)初始化→兩監(jiān)測站接收北斗數(shù)據(jù)→兩監(jiān)測站接收到同一歷元數(shù)據(jù)→采集桿塔傾角數(shù)據(jù)→數(shù)據(jù)打包并交由GPRS模塊轉(zhuǎn)發(fā)”。在確定微處理器應(yīng)用軟件開發(fā)流程后，就可以開展監(jiān)測基準站與移動站的軟件設(shè)計和低功耗設(shè)計。

（1）在監(jiān)測基準站與移動站的軟件設(shè)計中，考慮到監(jiān)測基準站常處于運行狀態(tài)，而監(jiān)測移動站常處于低功耗狀態(tài)，特選用前、后臺程序設(shè)計的方式來進行基準站與移動站的軟件設(shè)計。具體地，選擇各個中斷服務(wù)函數(shù)ISR作為前臺程序，選擇死循環(huán)while作為后臺程序。對于后臺程序進行的數(shù)據(jù)發(fā)送與接收、數(shù)據(jù)采集等功能來說，根據(jù)事件標志位進行對應(yīng)函數(shù)的調(diào)用是相關(guān)功能實現(xiàn)的依據(jù)，而前臺包含的中斷服務(wù)程序等功能的實現(xiàn)則需要得到北斗衛(wèi)星和監(jiān)控中心指令所對應(yīng)的事件標志位的支持。

（2）低功耗設(shè)計主要是為了降低整個監(jiān)測系統(tǒng)的功耗，為了能夠?qū)崿F(xiàn)這一目標，就必須通過硬件與軟件的相互配合來控制電源功能。為了進一步地實現(xiàn)功耗降低，將北斗模塊的3.3V電源控制引腳改為PD.9 IO引腳，并通過軟件讓主控CPU切斷模塊的供電使能引腳，通信引腳帶來的功耗就將降低。此時所有的通信引腳將進入睡眠狀態(tài)，這就形成了桿塔運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的非通信模式，低功耗的目標也自然實現(xiàn)。

4.2.2 監(jiān)控中心服務(wù)器軟件設(shè)計

監(jiān)控中心服務(wù)器軟件設(shè)計是系統(tǒng)軟件設(shè)計的重要組成。實際中選擇C/S架構(gòu)來開展具體設(shè)計，編程語言采用Visual C#，結(jié)合ADO.NET數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)，監(jiān)控中心服務(wù)器軟件便能在各版本W(wǎng)indows操作系統(tǒng)中實現(xiàn)應(yīng)用。在北斗載波相位差分算法定位的支持下，桿塔運行狀態(tài)的監(jiān)測功能也由此真正得以實現(xiàn)。

5 監(jiān)測結(jié)果與分析

為了驗證所研究的輸電桿塔運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的實用性，實際中將研制的實體裝置安裝在±800kV賓金線的3350桿塔上進行測試。在完成現(xiàn)場的調(diào)試控制后，輸電桿塔運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)便開始正式投入使用。監(jiān)測系統(tǒng)運行時，桿塔的水平偏移、垂直偏移和傾斜角度都能夠在監(jiān)控中心的服務(wù)器軟件中直觀展示，下面針對監(jiān)測結(jié)果進行說明。

5.1 數(shù)據(jù)處理中心軟件監(jiān)測點星空圖

“數(shù)據(jù)處理”是GNSS（Global Navigation Satellite System）自動化監(jiān)測系統(tǒng)的核心組成，“數(shù)據(jù)處理”結(jié)果精度的高低關(guān)系到對桿塔穩(wěn)定性的分析準確度，進而會影響到運維管理人員的決策。在本監(jiān)測系統(tǒng)中，“數(shù)據(jù)處理”主要指對監(jiān)測區(qū)域內(nèi)各GNSS原始數(shù)據(jù)的采集控制，用以在數(shù)據(jù)處理的同時完成各GNSS原始數(shù)據(jù)的檢驗、輸入與處理以及設(shè)備故障診斷等功能。

圖3 監(jiān)測點星空圖

圖3為經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到的監(jiān)測點星空圖，由此可以看出當前監(jiān)測點接收到的衛(wèi)星顆數(shù)。接收到的衛(wèi)星數(shù)量越多，定位精度就越高，當接收到的衛(wèi)星顆數(shù)少于4顆時不能定位。系統(tǒng)軟件支持GPSGLONASS聯(lián)合解算、單系統(tǒng)解算和任意組合系統(tǒng)解算，用戶可以通過網(wǎng)絡(luò)遠程配置接收機，系統(tǒng)軟件支持查看站點當前接收的衛(wèi)星數(shù)量等信息。

5.2 位移曲線變化圖

HCMonitor是為滿足自動化監(jiān)測應(yīng)用的需求而研發(fā)的自動化變形監(jiān)測服務(wù)軟件。以HCMonitor為核心的變形監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中的每個GNSS接收機只需要輸出GNSS的原始數(shù)據(jù)和星歷，數(shù)據(jù)會將通過廣域網(wǎng)、局域網(wǎng)絡(luò)、串口和無線設(shè)備等傳到控制中心?？刂浦行牡腍CMonitor軟件將根據(jù)每臺GNSS接收機對應(yīng)的IP地址和端口號，獲得每個監(jiān)測點的原始實時數(shù)據(jù)，從而對這些原始數(shù)據(jù)進行實時差分解算，得到各個監(jiān)測站的坐標，并存入數(shù)據(jù)庫或發(fā)送給客戶端。利用變形分析，可以查看預(yù)警系統(tǒng)為用戶提供的變形分析折線圖，圖4為HCMonitor發(fā)布的位移曲線變化圖，據(jù)此可觀測監(jiān)測點在X/Y/H三個方向的變化趨勢，實現(xiàn)桿塔傾斜、沉降及移位的異常狀態(tài)監(jiān)測。

圖4 位移曲線變化圖

5.3 客戶端軟件實時數(shù)據(jù)界面

客戶端軟件主要用于訪問服務(wù)器數(shù)據(jù)中心，以獲取數(shù)據(jù)中心上的監(jiān)測數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)中心軟件上可以設(shè)置客戶端用戶的使用權(quán)限，可實現(xiàn)分級關(guān)系，同時這一功能又實現(xiàn)了多個工程共享同一數(shù)據(jù)中心的需求。點擊實時數(shù)據(jù)查看，可以觀測各站點實時采集的相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)。如圖5所示，通過客戶端軟件可以查看每一個輸電桿塔監(jiān)測點的X、Y、H軸位移數(shù)據(jù)和站點坐標。另外，還可通過客戶端設(shè)置每個位移點的警戒值，一旦位移超過警戒值就會觸發(fā)報警并告知相關(guān)管理人員。經(jīng)過一段時間的系統(tǒng)投運后發(fā)現(xiàn)，利用監(jiān)測系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)結(jié)果與人工巡檢得到的結(jié)果一致，由此可驗證監(jiān)測裝置的實用性，該系統(tǒng)確實可以作為桿塔狀態(tài)在線監(jiān)測的有效工具。

圖5 客戶端實時數(shù)據(jù)采集

6 結(jié)束語

對輸電桿塔實施監(jiān)控，實時掌握桿塔的各種運行參數(shù)是實現(xiàn)電力設(shè)備狀態(tài)檢修的前提，也是建設(shè)智能電網(wǎng)的一個重要組成部分。本文研究的輸電桿塔運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)采用了北斗定位和高精度GPS測量技術(shù)，可實現(xiàn)桿塔傾斜、沉降和移位等異常狀態(tài)監(jiān)測。該系統(tǒng)建設(shè)完成后可在電網(wǎng)范圍內(nèi)廣泛實際應(yīng)用，能夠全面、準確地提供受災(zāi)桿塔的方位，為運維工作提供有利決策依據(jù)，提高輸電運行維護的工作效率。

[1] 楊自崗，冀宏領(lǐng).220 kV架空輸電線路桿塔傾斜的原因分析及處理[J].中國電力，2016，49：40-43.

[2] 任新新，曹博源，陳濤濤等.具有爬桿功能的輸電線路狀態(tài)監(jiān)測機器人研究與設(shè)計[J].電力學報，2017，32（1）：57-63.

[3] 范寒柏，王濤，陳邵權(quán)等.電力線傳輸桿塔的智能監(jiān)測系統(tǒng)[J].電力系統(tǒng)通信，2012，33（235）：85-88.

[4] 叢犁，杜秋實，竇增等.基于北斗RTK技術(shù)的電力鐵塔變形監(jiān)測技術(shù)研究[J].電力信息與通信技術(shù)，2015，13（12）：24-29.

[5] 歐郁強，張飛，郭小龍等.北斗通信在智能電網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測中的應(yīng)用[J].中國電力，2015，48（12）：39-42.

[6] 劉基余.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的現(xiàn)況與發(fā)展[J].遙測遙控，2013，34（3）：1-8.

[7] 張明，顧曉雪.北斗接收機定位誤差分析[J].電子與封裝，2015，15（9）：40-43.