基于自然灾害下的输电杆塔失稳智能感知技术研究应用

刘志武，罗培焱，成广生

(国网龙岩供电公司，福建 龙岩 364003)

电网安全运行是社会正常运转的重要保障，一旦电网出现事故，将对工农业生产、居民生活造成极大的影响。在各类电网安全事故中，多数和输电线路的倒塔、断线等有关[1-2]。输电杆塔倾斜的原因很多，除了大风、洪水、地质灾害外，施工质量不过关、地基不均匀沉降，甚至是意外冲撞等都可能导致杆塔倾斜[3-6]。由于输电网络覆盖范围极广，而且数量众多的输电杆塔位于城市周边、山地、河流等自然环境更为复杂的区域，靠人力对输电线路及杆塔完成巡检工作效率低下，因此有必要建立成套输电设备的在线监测，重点对与杆塔正常工作关系密切的倾斜、震动、覆冰等工况进行在线监测，为输电线路安全运行提供参考[7-9]。输电杆塔监测的原理是在杆塔及其他附属电力设备上安装传感器来获取杆塔运行工况状态，通过对这些监测量的整合分析，进行输电杆塔的运行工况、潜在故障、安全等级等评估[10-11]。

1 杆塔失稳隐患实例

2019年，龙岩某地因连续降雨发生大面积山体滑坡情况，巡线人员调查发现，该滑坡山体上有龙岩市管辖的220 kV总登线205-206+1三基杆塔，最近杆塔206+1距离山体滑坡点398 m，如图1所示。山体垂直高差大，土质松散，并且龙岩处于雨季，故该三基杆塔存在失稳隐患，由于年底疫情影响，本应进行的线路迁改工程被暂时搁置，为确保线路安全运行，立即加强对该线路段杆塔检测，做好灾害应急处置方案。

图1 山体滑坡实况

2 失稳智能感知技术原理及功能

2.1 窄带物联网技术

窄带物联网NB-IoT构建于蜂窝网络，只消耗约180 kHz的带宽，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，以降低部署成本、实现平滑升级。

NB-IoT具备4大特点：①覆盖广，提供改进的室内覆盖，在同样的频段下，NB-IoT比现有的网络增益20 dB，相当于提升了100倍覆盖区域的能力；②具备支撑连接的能力，NB-IoT的1个扇区能够支持10万个连接，支持低延时敏感度、超低的设备成本、低设备功耗和优化的网络架构；③功耗更低，NB-IoT终端模块的待机时间可长达10年；④ 模块成本更低，充分考虑杆塔维护经济成本。

NB-IoT自身具备的低功耗、广覆盖、低成本、大容量等优势，使其广泛应用于多种垂直行业，如远程抄表、资产跟踪、智能停车、智慧农业等[11-12]。

2.2 输电杆塔状态监测模块技术

基于窄带物联网的输电杆塔倾斜在线监测系统是一种集感知、通信、分析、监测为整体的解决方法。监测终端内置移动物联网通信模块(含物联网芯片)，定位模块采用三模(北斗+GPS+GLONAS)或双模(北斗+GPS)，加速传感单元、地磁传感单元等用于收集通信塔的状态信息和地理信息；移动物联网通信模块(特别是NB-IoT通信模块)负责通过通信运营商基站传送相关信息至远程监测平台或移动应用终端；系统监测数据包括经纬度、横向倾斜角度、顺线倾斜角度、综合倾斜角度、综合倾斜度等，远程监测平台负责对收集到的数据进行处理，同时对远端监测终端的采集策略进行定义和下发。

2.3 主要功能

a.基本功能。能够直观显示横向倾角、纵向倾角、扭曲度变化数值。

b.电子地图功能。能够使用图形和数字直观显示杆塔变化。

c.告警功能。能够使用图形、数字、文字、颜色、图标等形式显示杆塔告警及详细内容。详细告警内容包括横向、纵向、扭曲告警；能够使用短信、微信、APP、邮件等形式对告警进行通知提醒。

d.多种应用场景。具备PC端、微信端、安卓APP、苹果APP等多种应用端软件。

e.远程配置与调试。能够按远程指令修改采集频率、采样时间间隔、 网络适配器地址等参数。

f.数据存储。能循环存储至少30天的杆塔横向、顺线倾斜角度与综合倾斜度、经纬度、工作状态数据。

3 实际应用

3.1 在线监测主要参数

为满足输电杆塔灾害应急处置方案要求，同时考虑该隐患段杆塔实际情况，需要在线监测的参数如表1所示。

表1 主要参数

3.2 设备安装

输电杆塔倾斜在线监测终端设备安装如图2所示。

图2 在线监测终端安装

3.3 增设摄像头

依据该隐患段实际情况，为实时掌握杆塔周围树木滑坡情况，在杆塔上增设摄像头对杆塔周围实时监控，尤其是以滑坡点为中心的四周树木，以便更好地对周围情况进行监控，提前对杆塔失稳预判，如图3所示。

图3 安装摄像头

3.4 制定杆塔隐患汇报机制

利用窄带物联网的低功耗输电杆塔状态监测系统和摄像头，输电管理人员可在后台实时查看杆塔及周围基本情况。输电杆塔交互巡视时，交互人员立即将该杆塔段巡视情况(正常和异常)上报带班人员，带班人员立即上报运维专责；杆塔出现异常时，巡线人员和交互人员直接汇报部门主任，流程如图4所示。基于窄带物联网的输电杆塔倾斜在线监测终端杆塔数据反馈及预警平台情况如图5、图6所示。

图4 隐患杆塔段汇报流程

图5 在线监测终端数据

图6 在线监测预警平台

通过窄带物联网的输电杆塔倾斜在线监测终端系统，直接高效地掌握杆塔数据变化情况，为杆塔运维应对自然灾害突发情况提供决策依据。

4 应用效益

4.1 社会效益

a.及时排除隐患，减少停电次数。利用远程视频装置，可以方便、快速定位杆塔，及早发现杆塔或杆塔周围可能影响线路正常运行的隐患，并予以排查，从而避免或减少停电事故的发生，保障社会经济稳定发展。

b.节约资源、保护环境。在线监测技术一定程度上可以减少灾后重建的投入，减少巡线人员反复去现场的次数，节约资源消耗，对自然生态环境起到一定的保护作用。

c.推动行业进步。系统充分应用了在线监测技术、三维可视化技术、计算机网络技术、数据库技术、空间数据管理技术、海量数据漫游等多种先进技术，新技术的应用将有效推动电力以及相关行业的技术进步。

4.2 工作效益

a.改进工作模式。用远程监控部分代替现场巡线，同时将虚拟环境与现场环境相结合，对线路状况有了更实时、更直观的信息掌握，促进了线路运行管理的信息化。

b.资源有效整合，方便应用拓展。平台整合了在线监测、地理信息、设备台帐、档案资料、运维记录等各种资源，既方便了各种信息的交叉调阅、综合分析，也可以进行各种应用拓展，还可以与其他系统相接，作为信息综合展示平台，避免了系统重复建设。

c.积累历史数据，为后续工程服务。通过在联网工程沿线安装一定数量的在线监测装置，经过一定时期的监测数据积累，可以对沿线典型地区的环境及线路自身情况进行一定的统计和分析，从而使大修技改工作的时间安排更具可操作性。同时，历史数据可以为后续其他输电线路工程的建设提供参考，结合系统中的三维信息、资料信息，使线路尽量避开与事故多发区地形、环境相似的地区，同时选择合适的塔型。

5 结束语

为保证输电线路安全运行，实现线路运行状态的可控、能控、在控，需通过线路巡检、在线监测、试验、科学运维等手段，进行线路状态评价、风险评估、故障诊断，实现线路运行状态化和运维智能化。没有科学的监测手段、分析手段、运维手段将无法获取线路运行的关键状态信息，无法科学调度人力、物力资源进行优化的规划、设计、维护、生产调度。因此安装在线监测装置及智能巡检系统，使用先进智能监测设备，汇集状态信息进行输电线路设备运行状态评估，发现输电网运行隐患并借助巡检系统及时进行信息交互、故障处理是提高输电网安全稳定运行水平的迫切和切实需要，也是发展智能电网的需要，为将来建设坚强的能源互联网提供技术支持。