基于卫星定位技术的输电线路智能驰度观测系统

韩启云，李 凯，焦 剑，陈 晨，桂和怀

安徽送变电工程有限公司，安徽 合肥 230022

0 引言

近年来，随着我国电力建设的不断推进，各种跨区域的电网建设也逐渐增多，这些电网通常以特高压输电线路为主要结构，且横跨多个复杂地形，施工难度和维护难度都显著提升，如何确保这些区域的电网长期稳定运行是一项难题[1-3]。在电网的运维中，驰度观测是一项重要内容，以往的驰度观测多采用基于光学的技术方法，其受到的限制较多，在降水和雾霾等低能见度的天气条件下，基于光学的驰度观测方法则不再适用。为此，基于卫星定位技术开发新的驰度观测技术方法具有重要意义。

1 系统概述及系统工作原理

1.1 系统概述

基于卫星定位技术的输电线路智能驰度观测系统，其主要包括移动监测模块、信息参考模块、水平张力监测模块、系统数据监测终端四个部分[4]。在实际应用过程中，移动监测模块会基于卫星定位技术对输电线路的驰度进行实时动态监测，工作人员根据监测结果即可分析是否进行施工紧线作业[5]。由于该系统基于卫星定位技术实现，因此对环境能见度并无过高要求，在恶劣天气下仍能够开展相应作业。

1.2 系统工作原理

在该驰度观测系统中，其主要模块均基于计算机技术、数字通信网络技术和卫星定位技术加以实现。在这些先进技术融合应用的情况下，实现对输电线路驰度更为有效的观测，有效克服了传统工作模式下的技术难题，通过应用该驰度观测系统，以往因天气原因难以进行驰度观测的实际困难将得以有效解决。利用卫星定位进行导地线驰度观测时，因基准站所得到的测量数据为其单点定位数据，存在较大误差，因此实际观测时使用一个基准站用于提供卫星定位所需的基准参考数据和两个移动站进行导地线驰度观测。为了确保移动站的天线高程数据具有较高的精确度，采用RTK链接模式，将移动站与基准站建立通信链接。这种方式可达到厘米级定位精度（实测误差范围控制在±20 mm），通过这种方式进行数据采集后，两个移动站的天线高程数据一目了然，通过对这两个数据进行简单的差值计算，即可得到两个移动站的天线高程差值[6-7]。对驰度进行观测时，基准站J安放在铁塔顶端，移动站A安放在导线绝缘子悬挂点正上方；移动站B通过遥控自动行走装置安装在最内侧或最外侧子导线导线上任意一点（取接近导线弧垂点为宜）。

2 中心基站系统软件

中心基站系统软件的主要作用是对采集到的数据进行分析处理，工作人员在系统软件界面上输入相关数据，经分析处理后即可输出结果并展示，实现驰度观测的最终目标。在实际应用过程中，主要需要工作人员输入由观测模块所获得的杆塔坐标和挂点高度差值等数据，数据输入后，该软件即可对数据进行分析处理，处理后即可显示出卫星小车的位置坐标，以及卫星小车和子导线相对位置的示意图，并实时显示出导线驰度模拟情况。在监测终端模块，其主要基于各类传感器加以实现，根据传感器功能上的差异，采用多种封装形式进行封装，以确保其在安装、调试和应用上的便利性。

3 系统供电

当前，架空输电线路的施工作业区域多为地形复杂的野外，这些区域无法使用市电进行供电，如架设专用线路或使用燃油发电机组，则成本过高。为了解决系统的供电难题，工程人员在系统中增设了小型储能站作为系统的电源，储能站采用锂离子蓄电池组[8]。为了确保电源供电的稳定、可靠，在投入使用前，技术人员需要分析系统功耗情况，根据分析结果合理确定电池的供电电压和容量，并增设电源智能管理系统对设备电源进行智能化管理，确保该储能站能够维持智能驰度观测系统的工作需要。经过分析计算可知，该储能站能够确保智能驰度观测系统连续工作24 h。

4 驰度智能计算原理

当两个移动站与基准站建立起RTK链接时，可得到两个移动站的天线高程数据，将两个移动站天线的高程数据作差值计算，即可得到两个移动站的天线高差。驰度计算原理图如图1所示。

图1 驰度计算原理图

设挂点A的天线高程为Ha，经纬度坐标分别为NA、EA；挂点B的天线高程为Hb，经纬度坐标分别为NB、EB；移动站的天线极化点距导线悬挂点的距离为L。根据移动站A、B的经纬度坐标可计算出两个移动站的直线距离S，即据导线A、B悬挂点的距离。小车测量已知量：小车高程HC；小车与杆位中心距离LC。预知量：观测档两悬点高程Ha、Hb。得出如下计算公式：式中：L2为挂点A与挂点B的高程差；L1为小车在挂点A与挂点B连线的投影点与挂点A的高程差；fs为小车处的弧垂。

计算时以A点作为计算参考点。当A、B悬挂点等高时，悬挂点高程与小车高程即小车处导线驰度。如挂点B位置相对更高，则有

此时

由此得出

如挂点A位置相对更高，则利用公式（7）计算，此时

由此得出

根据以上公式不难看出，只需通过两个移动站的坐标值，即可计算出两点之间的直线距离，如果移动站无限趋近挂点时，就是两侧挂点时间数据。

此时移动站所在位置的驰度计算公式为

代入测量所得到的数据即可计算出该位置的驰度值。事实上，该数值与导线上任意一点的驰度都相等。通过得到的计算结果，并对其进行推导，即可分析得到导线驰度的最大值。在实际工作中，通常会取得多组测量数据，为了确保最终计算结果的准确，可在剔除一些明显偏差的数据后，对剩余数据取平均值作为最终计算结果。

5 系统使用方法

5.1 基本数据的准备

输电线路智能驰度观测系统对驰度的解算需要使用驰度观测档的相关参数作为数据计算的基本参数。选择观测档两基杆塔中的任意一基作为数据观测站点，其需要准备的数据如下。

（1）图纸数据。①观测档杆号。②观测档档距（单位：m）。③观测档两悬挂点高程（单位：m）。④观测站杆塔横担半宽（单位：m）。⑤施工基面至挂点距离（单位：m）。⑥导线直径（单位：mm）。

（2）现场测量数据。①观测站杆位中心经、纬度坐标（单位：DM，其中分保留小数点后四位数字）。②观测站参考基础顶面高程（单位：m）。③卫星天线至参考基面距离（单位：m）。

5.2 数据终端软件解算参数的设置

（1）图纸参数的设置。开启系统数据监测终端运行系统数据监测终端的系统软件，点击“数据监测终端软件”中“参数设置”菜单进入“运行参数设置”界面。然后分别在开始杆塔和结束杆塔录入“经纬度坐标”“高程”“呼高”“串长”“横担长”“滑车宽”“横担宽”，再录入档距参数“档距”“比载”“张力”“导线直径”，以及参考站“经纬度”“高程”。参数输入完成后，点击“保存参数”按钮，最后点击“退出”按钮即可。

（2）现场测量数据的设置。按照要求填写完成必要工程参数后点击“提交工程数据”按钮，即完成信息录入工作，在杆塔信息待录入页面出现观测档杆位编号。现场测量数据获取时，将使用系统设备自动进行获取，开启系统数据监测终端、安放卫星信息参考站、启动卫星移动监测站，并将卫星移动监测站置于杆位中心桩上，运行系统数据监测终端的系统软件，待系统指示进入RTK差分状态后，在杆塔数据输入页面中点击“提交工程参数”和“提交基站数据”后可点击“弧垂测量”按钮，进入弧垂等计算、测量参数数字化动态显示页面。数字化动态显示页面可显示导线收紧过程中的实时弧垂值，随小车位置或紧线状态变化时弧垂值实时变化。点击“启动拉力传感器”按钮是测试每根子导线的当前拉力，点击“保存记录”按钮是保存小车当前位置弧垂数据，点击“导出数据”按钮可以把刚刚保存的弧垂记录导出成Excel表格进行展示。

5.3 卫星信息参考站的设置

卫星信息参考站是实现RTK差分，为卫星移动监测站提供卫星定位修正数据信息的基站。卫星信息参考站需安装在铁塔顶端，利用其自身携带的磁铁吸附在铁塔顶端主材上，然后开启电源开关，基站状态指示灯分别点亮即可[9]。

5.4 卫星移动监测站的安装

将移动监测遥控小车放置在被测区段子导线线上，开启遥测小车设备电源，待系统数据监测终端显示已与小车建立通信联系，且小车卫星数据正常后，通过系统数据监测终端上的控制面板遥控小车向观测档中间段前进，根据监测终端显示的遥测小车处于观测档中间时停止小车前进[10-11]。卫星数据发送至数据监测终端后，监测终端软件即可根据差分状态自动解算该观测档的导线驰度，如图2所示，遥控开启小车摄像机即可观测搭载小车以外的子导线驰度。

图2 现场安装图

5.5 导线水平张力监测终端的安装

导线水平张力监测终端用于校核卫星驰度监测解算的驰度数据，数据监测终端根据导线水平张力监测终端反馈的监测数据自动根据导线张力校核当前导线驰度值的准确性，如图3所示。导线水平张力监测终端安装连接顺序为导线卡线器—U型挂环—导线水平张力监测终端—U型挂环—起重滑车/紧线手扳/手拉葫芦。

图3 智能测力装置

5.6 注意事项

（1）设备使用前应将电池进行充电，确保电池电量饱满；（2）严谨碰撞、抛掷系统设备中任何单元设备；（3）系统设备使用完毕后应置于专用设备箱内，妥善保管；（4）电池充电时，应注意通风，切勿置于高温环境下充电；（5）请勿在易燃、易爆环境场所使用。

6 经济效益分析

经现场试验，该套系统可极大地提高施工效率，有效解决了不可预测的大雾天气的影响问题，在张力架线施工时，单区段节约费用计算如下（紧线施工提前7 d完成）。

工人上下班车辆费用：500元/台班×1台班×2台× 7 d=0.7万元。

货运车辆费用：700元/台班×1台班×7 d=0.49万元。

机械设备使用费：2000元/台班×1台班×7台×7 d= 9.8万元。

人工工资：300元/工日×30人×7 d=6.3万元。

综上得知，每个放线区段施工中可节约费用17.29万元。

7 结束语

系统应用了现代传感器测量及卫星定位技术，与计算机通信、单片微型计算机控制、无线数字通信网络等多学科技术领域充分结合，实现了架空输电线路施工过程中导线驰度的实时检测，有效解决了浓雾区段导线驰度观测的难题，为雾区架线施工的顺利完成提供了可靠的技术保障。该系统的成功应用为送电线路工程架线施工的科学指挥提供了有力技术保障，为电网建设的科技创新和施工建设过程更加安全、可靠、高效运行积累了宝贵经验，降低了工程成本的开支。该套系统的使用在输电线路工程施工中取得较大的社会效益和经济效益。