基于北斗差分定位的变压器杆塔监测预警系统研究

张 薇

(太原广播电视大学,山西 太原 030024)

0 引言

近年来，国家经济建设加快脚步，电力作为其发展的支柱产业也走在了发展前沿.我国幅员辽阔，地形多变，输电线路在西北西南等地广人稀的地区往往需要经受更加严峻的考验.这些地区矿区分布密集，地下采空区较多，加之天气恶劣，变压器杆塔承重较重，重心又偏高，变压器杆塔就会随着地质变化出现一些不可预估的损坏，从而影响供电线路的正常运行，造成生产生活不便，严重的还会产生安全事故[1].监测山体移动，特别是变压器杆塔倾斜、平移，采取相应预警措施是变压器故障预防重点，需着重研究，不断完善.目前针对变压器故障和输电线路监测的方法主要有：变压器油中溶解气体的方法，通过监测局部放电使油、纸或油和纸分解产生的甲烷等气体实现故障监测；局部放电的监测方法，大致分为超声检测法、光测法、化学检测法、脉冲电流法、射频检测法、超高频局部放电检测法；变压器绕组温度在线监测方法，可分为直接法、热模拟和间接测量法[2].以上这些研究方法皆侧重于变压器内部故障监测，对于外界外力作用引起的变压器机械故障并未涉及，且并未形成监测和预警系统.

北斗系统定位包括动态绝对定位和静态绝对定位，静态绝对定位的精度，约可达到米级，而动态绝对定位的精度仅为10～40 m.北斗系统相对定位，也叫差分北斗定位，它的出现提高了标准北斗定位的精度，目前已广泛应用于大地测量、精密工程测量、地球动力学等方向的研究和精密导航.差分北斗定位是一个测站对两个目标的观测量、两个测站对一个目标的观测量或一个测站对一个目标的两次观测量之间进行求差，可以实现消除公共误差和公共参数的效果.北斗差分定位系统的工作原理即为通过站点间数据连通对比不同站点发出的数据或同一测站两次不同数据并计算出校正后的数据完成的[3].

基于此，本文设计了一种基于北斗伪距差分定位的变压器杆塔线路监测预警系统，系统基准站与移动站数据来自卫星星历数据，数据处理采用北斗伪距差分技术，监测站与基准站数据传输采用射频方式，移动站与管理中心用GPRS通讯方式.数据接收与传输方式合理，采用伪距差分的变压器杆塔定位新型算法，使得杆塔倾斜与高程变化、平行与垂直移动等状况监测准确，满足了系统设计要求，达到了预期效果.

1 系统总体设计

图1 监测预警系统框图

设计的监测预警系统主要由三部分构成：系统基准站、系统移动站和监控中心.系统基准站由微控制器、北斗定位板卡、北斗定位天线、射频通信模块、电池、太阳能控制器、太阳能光伏板等组成，它的工作职责在于向其辐射范围内的系统移动站点提供地理坐标.系统移动站由微控制器、北斗定位板卡、北斗定位天线、倾角传感器、射频通讯模块、GPRS通讯模块、电池、太阳能控制器、太阳能光伏板等组成，移动站的主要工作职责除了接收基准站发出的地理坐标，同样也需要储存本站点所处坐标，之后根据不同站点提供多个地理坐标信息结合北斗差分定位算法解算出更精确的位置坐标，将数据通过GPRS网络的公网动态IP+DNS解析方式接入总监控中心.后台总监控中心主要负责将系统移动站上传的数据进行存储，并根据存储数据库中的数据信息进行分析，从而起到监测的作用，监控中心往往还配有打印机作为输出硬件，对监测到的数据输出打印.监测预警系统如图1所示.

2 系统各部分设计

2.1 北斗差分定位原理

以上提到的系统基准站需要选择安置在地质稳定的已知坐标点上，基准站和移动站的北斗接收机接收来自卫星的定位信号，基准站测得伪距与该接收机解算的卫星星历信息作差，可以得到北斗接收机的伪距修正值.将此修正值发回到监控中心储存在计算机中，通过软件进行差分定位解算[4].

系统基准站到卫星i的理论距离为：

(1)

伪距为：

(2)

公式(2)与公式(1)作差，差值即为接收机伪距的改正值，将该值储存在控制中心的计算机中，利用软件实时处理和修正移动站的伪距观测值，定位结算出的位置精度可达到10 cm.

2.2 系统基准站

为了保障系统基准站的工作，设计其能源供给来自太阳能供电系统，其装置结构如图2所示.

图2 基准站结构图

图2给出了系统基准站工作的硬件结构，从图中也能看出基准站的基本工作流程：太阳能光伏板吸收太阳能，能源在控制器中转换并储存至锂电池以提供整个系统的电流输入;数据的采集输入部分由北斗定位系统来完成，北斗定位天线主要负责提供本站点所处位置配合北斗定位板卡换算出具体地理位置信息并提供给基准站控制单元;系统的控制单元主要采用32位微处理器架构，选用ARM9处理器配合复位电路、程序自动写入等环节共同组成数据处理单元；经控制单元分析处理后的数据最终由射频模块与周围移动站进行数据交换，传输频段使用工业免费频段(433 MHz)将数据分享至系统移动站，来往数据经过北斗差分定位解算最终得到精度较高的位置坐标信息[5].

2.3 系统移动站

系统移动站的组成结构和基准站的组成结构类似，大致也可分为能源供给板块、数据采集板块、数据分析处理板块和数据传输板块四大板块.

图3 移动站结构图

能源供给板块的组成及工作原理和系统基准站的相同，相较于系统基准站，移动站所处的地质环境可能更为恶劣，稳定性也更差，固定的能源供给是不可靠的，因此同样采用太阳能供电系统为移动站的正常工作提供能源；数据采集板块构成和工作原理采用北斗定位天线绝对位置信息并结合北斗定位卡相对位置收集本站点位置的具体信息并打包传输给数据分析处理板块，以进行下一步的分析过程.数据分析处理板块作为站点的控制系统采用基于ARM9的32位微处理器架构,另外在数据处理单元中加入了倾角传感器、RTC电路和JTAG电路等状态自检电路，对系统移动站状态实时监控结合北斗定位系统传输回的数据进行数据分析.分析后的数据通过数据传输模块实现和基准站之间的数据互通，系统移动站的数据传输模块除了射频传输功能还加入了GPRS通讯电路，定位信息的处理同样应用北斗差分定位解算.系统移动站结构如图3所示.

2.4 监控中心服务器

变压器杆塔监测预警服务器软件系统总体方案如图4所示.系统设计共六个板块，主要功能板块五个和一个“更多”板块.系统设置了两种种不同登录身份，分别为系统管理员、系统操作员，其中系统管理员登录后主要拥有“系统设置”、“系统管理”和“更多”三个板块的操作权限，而系统操作员登录后主要进行“网络服务”、“设备管理”和“数据中心”等实际工作板块使用权限[8].

图4 系统总体方案框图

服务器软件采用Visual C#作为编程语言，数据库在Visual Studio Net 2010 平台上搭建，使软件具有客户机/服务器体系结构、图形化用户界面.软件对运行的操作系统环境局限性不大，装载此软件可选用Windows Server系列操作系统，也可选用Windows 7及Windows 8等操作系统[9].

3 结论

本文针对电力工程输电线路架设过程中，变压器杆塔所处地质环境复杂，矿区采空区地貌和岩石断裂地质山体水平和垂直方向移动较大，给变压器杆塔带来塌陷和倾斜的影响，进而造成变压器机械损坏，变压器的损坏会直接导致输电网断电，影响辐射区生产生活用电，带来经济损失和生活不便，严重的还会带来安全事故的发生.因此，设计一种基于北斗系统差分定位算法的变压器杆塔监测预警系统，通过系统内基准站和移动站差分运算，将移动站的定位级别提高到厘米级别，并将数据传输回监控中心进行储存和分析，成功对移动站变压器杆塔的水平和垂直两个方向实现监测和预警，对电力工程建设中变压器的故障和输电线路起到了很好的监测和预警作用.