基于北斗定位的杆塔沉降倾斜监测装置研究

王煜霆，孙 华，康凯龙

（国网江苏省电力有限公司苏州市吴江区供电分公司，江苏 苏州 215200）

1.引言

由于自然灾害和地质因素的影响，输电杆塔可能出现倾斜、沉降、位移等问题，由此会导致杆塔不稳定，严重时甚至会引起电力中断。本项目研制基于北斗定位的杆塔设备沉降倾斜监测装置，实现对外力破坏、地基沉降等因素造成位置偏差的高精度监测。利用北斗载波相位差分技术对输电杆塔精确定位，监测输电杆塔顺线方向与横向方向的倾斜角度值、沉降量，提高对输电杆塔沉降倾斜等严重风险点的预警能力，保障电网运行安全。

2.基本原理

2.1 系统架构

图1为系统组成及其拓扑结构，由监测装置、北斗基准站、公网基站三部分组成。监测装置通过北斗终端，获取杆塔水平垂直位移和倾斜角度数据，其中北斗基准站用于高精度定位校核，公网基站用来进行通信信号的传输。

图 1 系统拓扑图

2.2 装置设计

装置的三维设计如图2所示。

其中，太阳能光伏板安装在装置两侧，使其能与阳光充分接触，便于太阳能吸收和转化；北斗天线安装在装置的正上方，便于传输和接收信号。

2.3 工作原理

输电杆塔状态监测系统的硬件主要由监测装置和北斗基准站组成，监测装置由供电模块、微控制器模块、北斗定位系统、通信电路模块、数据采集与存储部件组成。监测装置安装在输电杆塔上，选择高能电池和太阳能光伏板共同为监测装置供电，保证装置供电的可靠性。

北斗定位系统包括北斗天线和北斗板卡，定位效果直接关系到整个系统的性能。在围绕北斗定位技术展开研究时，主要以北斗载波相位差分定位技术为核心。当北斗接收机工作时，接收从基准站发来的观测信息以及基准站自身的位置信息，再依据自身的观测信息进行定位，从而提高定位的准确度。

系统接收装置发出的差分信息，叠加接收机自身观测到的位置坐标，通过计算求解出接收机天线的位置。由于系统接收到的差分信息为RTCM格式，所以需要对差分信息进行解码后再求解。根据监测装置和基准站的载波相位观测值，可以列出载波相位双差观测方差：

式中λ为载波波长，为载波相位双差值，下标r为监测装置，b为北斗基准站，i和j分别代表两颗不同的卫星，为双差几何距离， 表示双差整周模糊度；εφ是载波相位观测误差。将上式线性化后，即：

该式中，l、m、n分别为线性化后三个坐标分量的系数，dX、dY、dZ分别为基线向量的增量，L为常数项。假设有M颗运行卫星，1号卫星作参考，在忽略观测噪声的情况下，列出矩阵方程式：

当求解出双差整周模糊度后，就可以计算出基线向量的增量dX、dY、dZ，基线向量可依据牛顿迭代法进行求解。

监测装置进行观测得到的坐标为大地系坐标，需要经过两次坐标变换转换为站心坐标系下进行计算。第一次转换是将大地系坐标转换为直角系坐标，假设(L，B，H)为大地系坐标，(X，Y，Z)为直角系坐标，则转换公式如下：

其中，N为基准椭球体的圆曲率半径，e为椭球偏心率。接下来的计算需要将直角系坐标转换为计算所需的站心系坐标，直接进行两者之间的转换是没有意义的，因此采用如下方法：取某点坐标(X0，Y0，Z0)，再取直角坐标系下的一个向量OP，则向量OP在站心坐标系下的坐标可以表示为：

将观测到的位置坐标带入以上转换公式可计算出相对水平和垂直位移量△x、△y；则杆塔倾度为α为：

3.实验测试

选取某新建输电杆塔进行装置测试，随机选取一个时间段进行分析，将输电杆塔的姿态改变信息绘制成曲线，下图为输电杆塔水平移动距离和倾斜角度的变化情况，由于测试时间较短，测试数据主要由风扰形成。

图 3 水平位移变化

图 4 倾斜角变化

监测装置运行以来，考虑到输电杆塔安装环境情况以及实际天气情况，在数据传输的稳定性、工作可靠性、监测数据的精度等方面均符合设计需求，装置能够实现预期功能。

4.结语

杆塔沉降倾斜监测装置主要采用北斗载波相位观测技术，通过差分定位和倾斜角数据的计算，对输电杆塔沉降、位移、倾斜等异常状态进行实时监测，提升了输电杆塔沉降倾斜等异常状态的预警能力，有力支撑电力系统运行的安全稳定运行。