北斗高精定位在输电杆塔边坡监视上的研究与应用

来源:《电气技术》,刘永琦、詹志英   1月前   

输电杆塔边坡滑坡会造成输电杆塔结构失稳。为了提高输电系统监视的自动化程度和响应效率,云南电网公司迪庆供电局的研究人员刘永琦、詹志英,搭建了一个基于北斗高精定位技术的输电杆塔边坡在线监测系统。


该系统数据采集终端配置发电与储能模块,实现能量自给;数据传输网络采用无线专网,保障数据安全;位置解算平台通过地面基站校准,实现毫米级偏移量监测。作者还通过高边坡输电杆塔应用实例验证了系统的可靠性,为输电杆塔边坡监测实施提供了借鉴。



输电杆塔结构稳定是保证电力系统能量传输的基础。输电杆塔基础的位移与沉降可能使杆塔结构在较强外力作用下发生形变、倾斜乃至倾覆。尤其当输电杆塔基础位于高边坡位置时,由于边坡垂直落差大,容易发生沉降、滑坡等情况。


输电线路地理跨度大,当其跨越高原、山地等区域时,部分输电杆塔基础将位于边坡附近。在高差作用下,边坡有可能在重力作用下发生沉降和位移。地震、采矿、道路施工等外力作用会破坏边坡本身的稳定性,引发边坡滑坡。强降雨等极端天气也会对边坡结构产生冲刷和润滑作用,促进山体滑坡。



当探测到边坡发生结构失稳的早期征兆时,可以通过锚固、支护等方式对边坡结构进行加强。研究表明,通过及早发现边坡沉降并采取治理措施,可以显著降低由于边坡垮塌造成的损失。因此很有必要对输电杆塔边坡监测技术展开研究。


北斗系统作为我国自主研发的导航卫星定位系统,其安全性较高。基于北斗系统的电力系统应用已有大量研究。将北斗导航卫星定位技术应用于输电线路边坡监视,为提升输电线路安全提供了新的思路。


本文对应用北斗高精定位技术对输电杆塔边坡监视进行研究,设计了能量自给的数据采集系统,无线专网数据传输系统和数据分析展示平台,并通过高边坡输电杆塔实施实例对系统效果进行说明,以期为输电杆塔边坡监测实施提供借鉴。


01

基于地面基站的北斗高精度定位技术


利用北斗定位技术可以对输电杆塔结构稳定性情况进行实时监测。有学者提出了一种利用北斗系统定位实现输电杆塔在线监测的构想,基于GPS和北斗卫星定位系统设计了接收机终端,但其使用的北斗基础定位服务只能达到10m的定位精度,远不能满足输电杆塔边坡稳定情况准确监测的需求。


有学者采用在输电杆塔旁边设置实时动态(real-time kinematic, RTK)基站的方式对输电杆塔基础位移进行监测,实现了对杆塔毫米级形变量的监测,并通过工程实例验证了该系统的实施效果,但这种方法对每个监测点需要单独设置定位基站,在限制应用条件的同时也提高了系统应用成本。


北斗高精度后处理算法以地面基站提供的校准数据为基础,对北斗接收机进行数据处理,实时解算出监测点毫米级的三维坐标。通过分析各监测点实时的三维坐标,并与初始坐标进行比对,从而获得该监测点倾斜和沉降变化量。


北斗高精度后处理技术将北斗卫星定位数据的精度提高至平面1mm以内、高程2mm以内,能够实现输电杆塔边坡滑坡情况的极早期预警。其利用已有地面基站提供的校准数据为电力杆塔边坡监视提供位置校准服务,极大地降低了电力行业应用北斗高精定位技术的成本。


北斗地面辅助定位基站系统于2016年5月18日正式投入运营。至今全国共有2 700多个工作基站。截至目前,厘米级定位服务可以覆盖全国20个省市。具体到南方电网运营范围,已经实现了毫米级服务全域覆盖。研究基于地面基站的北斗高精度定位技术在电力行业的应用具有很大的现实意义。


02

系统总体设计


输电杆塔边坡监测系统通过安装在边坡上的数据采集终端得到边坡位置偏移量信息,以无线专网的形式上传至专有服务器,并由专有服务器的数据处理平台对偏移量信息进行分析和展示。系统总体构架如图1所示。


图1 系统总体架构


系统感知层包括基站和数据采集终端。基站为参考基准,用以提升定位精度。数据采集终端通过配置北斗接收机、数据传输模块、供能模块,实现边坡卫星定位数据的采集和上传。


系统数据传输层采用有线专网与无线专网相结合的方式。基站采用有线专网的方式进行数据传输。数据采集终端采用无线专网的方式实现数据上传。


系统应用控制层实现位置解算服务,并将处理得到的数据以可视化界面的方式呈现给用户。其位置解算服务通过地面基站修正数据采集终端测量数据达到毫米级定位。可视化界面形成边坡位置信息量的三维-时间图展示给用户。


03

数据采集终端


3.1 北斗接收机

北斗接收机获取导航卫星的定位信息,包括星历数据和观测数据。


系统采用静态/快速接收机,其特点为适用于解算静态位置量信息。接收机包括测量天线和数据处理终端两部分,如图2所示。测量天线选取扼流圈天线,用以减小在定位过程中由于信号传输多径效应引起的测量误差。数据处理终端提供了天线接口与外部接口,实现与导航卫星通信数据的解算服务。


图2 北斗接收机


在实际应用场景中,测量天线被安装在开阔位置,以便于与卫星通信,数据处理终端被安装在控制箱中。


3.2 数据传输模块

数据采集终端采用无线专网的通信方案。通过专线接入点名称(access point name, APN)的方式实现专网通信,保障数据安全。


相对于有线网络,无线专网的布置相对方便。尤其在输电系统领域,输电杆塔位置偏僻,有线通信网络接入往往难以实施。无线通信模块在调试完成后,在4G信号覆盖区域即可使用。


通过向通信运营商申请指定APN的方式访问专用APN使用权。通过使用通信运营商的专网用户身份识别(subscriber identity module, SIM)卡来访问该APN。其他用户不允许访问该APN。该SIM不可以访问其他网络。通过这种方式保障了数据传输通道的专用性,进而保障数据安全。


系统配置4G智能网关作为数据传输模块。其通过RS 485总线接收北斗接收机的定位数据,并通过专线APN实现端对端的通信。经过实际应用检验,在5Mbit/s带宽环境下,可以实现10s 1次的北斗定位数据传输。


3.3 供能模块

数据采集终端以能量自给的方式进行能量供应。在输电线路所在地区配置低压线路的方式成本较高,而北斗接收机和数据传输模块能耗较大,单纯采用蓄电池的方案难以满足数据采集模块电能需求。因此,设计一种配置发电模块,并能够实现能量自给的数据采集终端供能系统就显得很有必要。


系统选取太阳能电池板作为装置电源。输电杆塔通常处于开阔地带,采光条件良好,适用太阳能电池板。光伏电池板被安装于数据采集终端顶部,根据所处纬度以最大接受阳光角度选择朝向。配置太阳能控制器,以定电压方式跟踪太阳能电池输出P-V特性曲线的最大功率点。


系统装配蓄电池作为储能。受地球自转和天气变化影响,太阳能电池板发电出力具有波动性与间歇性,而装置运行需要稳定的电力供应。因此,需要配备蓄电池储存光照条件良好时的太阳能电池板出力,并在夜晚、阴雨天等情况下为装置提供持续的电力供应。蓄电池充电方式包括初始充电、均衡充电、浮充3种。蓄电池首次投入使用时,进行初始充电;当蓄电池正常充电时,采用均衡充电;当蓄电池充电完成时,进行浮充。


太阳能控制器对蓄电池荷电状态(state of charge, SOC)进行实时监测与管理。当蓄电池SOC>0.9时,蓄电池充电完成,并进行浮充;当蓄电池0.9≥SOC≥ 0.2时,蓄电池正常充电,进行均衡充电;当蓄电池SOC<0.2时,蓄电池进入缺电状态,断开负载电源,待蓄电池恢复正常电量后投入负载。系统供能模块如图3所示。


图3 供能模块


3.4  数据采集终端安装

将数据采集终端独立安装于边坡上。由于输电杆塔基础埋深较大,自身结构强度存在冗余,基础位置与边坡之间存在距离,当边坡出现轻微滑坡时,难以对输电杆塔本身造成影响,因此,将数据采集终端独立安装于输电杆塔靠边坡侧有利于边坡滑坡的监测。


由水泥基座将数据采集终端固定在输电杆塔附近边坡。整体结构建立在钢构架上。将北斗接收机的测量天线安装在钢构架顶端,以便于接收导航卫星的定位信号。将太阳能电池板安装在钢构架两侧。在钢构架一侧固定控制箱。控制箱中包括太阳能控制器、蓄电池组、数据处理终端和4G智能网关。控制箱结构如图4所示。


图4 控制箱结构


控制箱原理如图5所示。太阳能电池板输出的电能经太阳能控制器输出为24V电源供给数据处理终端、4G智能网关以及蓄电池组。数据处理终端通过导航卫星天线得到北斗定位伪距信息,并通过4G智能网关实现与后台的信息交互。


04

数据处理平台


数据处理平台包括位置解算平台、数据分析平台、展示平台。


4.1 位置解算平台

位置解算平台对北斗接收机数据进行预处理、基线向量解算、网平差处理。解算可以得到的北斗接收机的高精静态定位数据。当北斗接收机与基站距离小于10km时,可以实现毫米级的定位精度。目前地面参考基站已成网运行,对于南方电网运营区域均可实现毫米级的定位精度。经测算,装置的定位精度可以达到水平±2mm+1ppm,高程±5mm+ 1ppm。


1)数据预处理包括对偏差量较大的数据进行初筛和剔除,将原始数据进行标准化加工。


图5 控制箱原理图


2)基线向量解算步骤如下所述。

(1)系统自检。

检查控制参数、观测数据、星历数据、起算坐标等参数设置。

(2)提取原始数据中的星历数据,并进行读取。

(3)提取原始数据中的观测数据,包括观测时刻、观测时记录的定位坐标、伪距以及载波相位数据,并进行读取。

(4)进行三差解算。

建立涵盖接收机间差值、导航卫星间差值、历元间差值的三差观测方程。

(5)周跳修复。

通过载波相位求差法对发生周跳的历元进行探测,并采用拟合法修正发生周跳的  历元。

(6)进行双差浮点解算。

(7)求解整周模糊度。

(8)双差固定解算。

根据求解得到的整周模糊度进行双差固定解算。


3)网平差处理:对整个监测网络进行独立基线网平差,得到最终坐标。


4.2 数据分析平台

数据分析平台获取各监测点实时的三维坐标,并与初始坐标进行比对,从而获得该边坡监测点的位移变化量。 


对测量点有如下关系:



4.3 展示平台

展示平台根据差异化的业务需求对输电杆塔边坡位移数据进行分类展示。其功能包括展示预警信息、历史比对信息,选定区域信息、选定线路信息。


数据处理平台整体结构与数据流程如图6所示。


图6 数据处理平台整体结构与数据流程 


05

系统实施与应用


选取处于高边坡地带的110kV桃吕线16#杆塔作为工程实施对象。输电杆塔北侧边坡坡度较大,坡度超过70°。前期已采用布幔进行遮盖防止水土流失,但仍存在较大边坡滑坡风险。


设备管理单位前期采用定期巡视的方式对边坡情况进行人工检查。这种方式存在巡检周期长,交通不便的缺点。并且随着降水季节的到来,在边坡滑坡风险增大的同时,人工巡检难度和巡检风险也在增加。


根据设备管理单位需求在输电杆塔边坡安装数据采集终端,对输电杆塔边坡滑坡情况进行在线监测。实施效果如图7所示。


通过数据处理平台可以得到输电杆塔边坡监测点的三维测量数据。数据测量结果如图8所示。根据测量数据可知,输电杆塔边坡监测点位置波动较大,且波动量呈增长趋势。经现场查看,该杆塔运行风险较大,协调基建单位对杆塔基础采取了加固措施。


图7  数据采集终端的安装位置


06

结论


本文采用输电杆塔边坡监测方法,利用北斗高精定位系统实现了输电杆塔边坡三维方向上的毫米级形变量的在线监测。通过在高边坡杆塔的实施案例,验证了方法的有效性。与传统人工巡视输电杆塔边坡的形式相比,在降低人力开支的同时,提高了监测的实时性,为搭建输电杆塔边坡在线监测系统提供了借鉴。


图8  数据测量结果 


采用在输电杆塔边坡选取测量点进行边坡监测的方法,可以在一定程度上反映边坡的稳定情况,但受制于测量点数量及选取位置,所得到的边坡信息仍显片面。在下一步的研究与实践中,还需增加对土壤含水量等数据的监测,以更为全面地进行边坡状态评估。


本文编自2021年第1期《电气技术》

论文标题为“北斗高精定位在输电杆塔边坡监视上的研究与应用”

作者为刘永琦、詹志英