考虑水土流失评价指标的特高压输电线路环境监测系统

雷 磊，郑树海，王 劲，吴 健，霍春平，李 毅，郎霄剑

(1.国网陕西省电力公司电力科学研究院，陕西 西安 710100；2.国网(西安)环保技术中心有限公司，陕西 西安 710100；3.国家电网有限公司直流建设分公司，北京 100032；4.国家电网有限公司，北京 100031；5.西安市水利水土保持工作总站，陕西 西安 710018；6.西安理工大学电气工程学院，陕西 西安 710048)

0 引言

电力基础建设、电网规模扩大是国民经济持续发展的有力支撑，也是建设“坚强智能电网”的先行基础条件[1]。特高压作为新基建重点建设对象之一，不仅有效解决远距离电能互济问题，同时为电网互联互通和全能感知能力的优化、数字化应用范围的提升，以及电力物联网的建设奠定了基础[2]。随着环境保护生态意识的增强，以及国家相应法律、规范等的颁布实施，特高压输电线路工程实施中沿线水土流失保护和正常运行后沿线生态恢复工作也成为特高压工程建设和验收的重点考虑因素[3]。特高压输电工程沿线塔基及线路建设，势必破坏原有地形、地貌，对周围植被造成损坏，从而造成沿线施工建设点水土资源流失。如何有效防止特高压输电工程建设过程中水土流失，以及监测线路正常运行后环境恢复情况等问题是输电线路建设过程中的研究重点。

目前，国内相关学者都在积极进行输电线路水土保持方面的研究。文献[4]针对输电线路工程在伏沙地区域的水土流失特征与此区域内造成水土流失的原因进行探究，总结水土的保持治理策略。文献[5]从输电线路工程设计、实施施工、运行管理等方面分析了如何设计水土保持方案及措施。文献[6]从业内准备及相关资料收集、现场调查及实地勘测、水土保持方案的设计等方面对特高压输电线路工程进行了阐述。文献[7]结合水土流失可能引发的各种危害，总结了输电线路水土流失的防范措施，提出该类工程水土保持各环节的主要工作以及应对策略。

上述研究主要从理论层面、实际问题展开论述。鲜有结合物联网技术，对特高压输电线路沿线水土流失进行监测的理论研究和实际应用。为此，本文提出一种考虑水土流失评价指标的特高压输电线路环境监测系统设计方法，用以监测线路沿线水土环境因子实时变化，为特高压输电线路沿线生态恢复给予充足的数据支撑。

1 监测软件系统研究

1.1 软件框架

目前已有一些研究学者对输电线路监测系统软件进行设计，但是监测界面功能性和实用性方面还存在相应不足，不能准确反映特高压输电线路需要监测的环境指标。根据特高压输电线路水土保持的相关技术规定，本文所提出的监测流程示意图(见图1)。从图1可以看出，该流程是通过对特高压输电线路沿线的监测点安装水土流失监测设备，通过硬件设备来实时采集监测点数据，采用无线通信方式将采集数据进行传输，并在上位机终端进行数据接受。通过本文所提出的输电线路水土保持监测系统软件，可以对现场数据进行读取与分析。

图1 监测流程示意图Fig.1 Schematic diagram of the monitoring process

1.2 输电线路水土保持环境影响因子分析

根据水土保持监测的性能指标要求，参照行业标准《GB50434—2008开发建设项目水土流失防治标准》《SL277—2002水土保持监测技术规程》《SL342—2006水土保持监测设施通用技术条件》以及水土保持监测要求等，需要监测输电线路沿线监测点的土壤流失量、降雨量等环境因子。

输电线路沿线的降雨量将直接影响到输电线路沿线水土保持的实际效果，并且面对极端天气的出现，也会直接影响输电水土保持效果。采用无线光敏测钎传感器对监测点水土流失量可以进行实时监测，也可以将监测数据进行实时传送。

1.3 水土流失量测量方法

水土流失量测量是输变电工程水土保持监测项目中的最核心技术内容。利用传统测量法监测水土流失量，存在自动化程度低、测钎坡面在读取数据时人为干扰大及外作业工作量过大等缺陷，这与飞速发展的测试技术现状不相适应。为此，新研制一种光敏测钎方法，实现了水土流失量的测量。

光敏测钎传感器改变了传统有线超声测钎传感器在测量水土流失量时测量延时长、测量误差大、布线繁琐的缺点。尤其在特高压输电工程线路中，大部分监测点位置偏僻，供电方式须采用电池供电。采用无线光敏测钎传感器可以实现一体化自发、自用，利用太阳能进行供电，相比有线超声测钎测量方式更加低碳环保。某特高压输电线路无线光敏测钎现场布设如图2所示。

图2 测纤布设Fig.2 Test fiber layout

无线光敏测钎上面布设有8组光敏传感器，每组16个传感器元件，每个光敏元件代表精度为1 mm。示意图(见图3)。在有光照的情况下，传感器获得高电位，没有光照的情况下为低电位。依据此原理，插入土壤中的测钎由于没有受到光照，光敏传感器处于低电位状态，暴露在外面的光敏传感器部分，由于受到光照处于高电位状态，因而可以准确判断土地表面土壤流失量的变化情况。本监测系统现场设置有9组测钎，可以通过求平均变化值求出，测钎布设区域的土壤流失量变化情况，从而精确反映特高压输电线路在改监测点的土壤流失变化情况。

图3 监测系统软件界面Fig.3 Software interface for monitoring systems

1.4 系统界面显示

本文所设计的某特高压输电工程水土保持在线监测系统软件界面图(见图3)，操作软件美观，功能特点突出，可实现对特高压输电线路水土流失量的监测。

2 系统软件功能介绍

2.1 数据远端接连方式

由于数据需要进行远距离传送，据此本文所设计的方案采用的数据通信方式为借助移动、联通、电信等通信公司进行无线数据传输，以输电线路工程沿线具体的监测点布设地点，以及当地的实际信号强度为条件，择优选择网络信号最好的通信公司。在数据采集点现场，通过路由器进行实地数据的接收和发送。借助某平台的透传云模式，将现场采集的数据进行远距离传送。采用虚拟串口在终端的监测控制中心进行数据传输和控制命令的下达。本文所采用的虚拟串口软件(见图4)。虚拟串口软件可以将网络透传云与终端的监测控制软件连接在一起，实现数据的实时传输。

图4 虚拟串口软件界面Fig.4 Virtual Serial Port Software Interface

2.2 监测软件界面后端展示

本软件的后端界面主要进行底层数据的下载和处理，将数据在后端进行处理后，数据量储存在本地数据存储库中，然后在前端进行数据的展示与数据分析，可以直观地将数据的变化情况反映给监测人员如图5所示。

图5 监测系统后端界面Fig.5 Back-end interface of the monitoring system

后端数据监测主要分为测站配置、系统配置、数据分析、视频监控、数据下载等功能。测站配置主要完成的任务是对特高压输电线路监测点的信息和相对应的虚拟串口数据信息进行配置；系统配置功能主要实现系统时间设置、数据初始化等功能。视频监控功能可以对远程的摄像头进行控制，对于重点突出的监测点，可以在现场安装摄像头来实时观察监测点周围的形态变化，并且对有意义值得观察的视频信息进行储存和远程分析。数据下载功能可以以天或者以月为单位对过去监测的数据进行下载。数据下载功能极大地方便了人工数据整理、记录与统计。

2.3 监测软件界面前端展示

本文所设计的监测软件相较于传统的系统，还设计了相应的前端软件界面，前端界面有助于数据的直观展示，并且更加符合现代互联网发展趋势。本文所设计的软件前端界面如图6所示。

图6 监测软件前端界面Fig.6 Monitoring software front-end interface

本文所设计的前端软件主要有新闻管理、数据分析查看、打开串口、新闻管理等功能，并且在软件的低端加上了相应的链接，可以直接打开与特高压输电线路水土保持相关的网站，可以使软件登录者方便访问相关的网站。打开串口的功能主要虚拟串口的直接调用，方便操作；新闻管理功能可以实现相关新闻的滚动播放，方便操作人员查阅特高压水土保持相关新闻；数据分析界面可以将监测到的数据进行实时分析。

3 自动监测结果及分析

经过对上述软硬件系统的联合调试，可以实现对数据的监测。本文所提的监测方法已经实际应用于某特高压直流输电工程。下面对实际监测到的数据进行分析，如图7～12所示。

图7 某月湿度的变化情况Fig.7 Changes in humidity for a month

图8 某月风速的变化情况Fig.8 Changes in wind speed in a month

图9 某月的风向分布图曲线Fig.9 Wind distribution curve for a month

图10 某月的噪声分布曲线Fig.10 Noise distribution curve for a month

图11 某月PM2.5分布曲线Fig.11 Distribution curves PM2.5 a month

图12 数据表格形式展示Fig.12 Presentation of data tables

通过分析表征输电线路生态环境变化情况，空气中的湿度、温度、风速、降雨量等会影响特高压输电线路水土流失量。通过本文所提的评价方式来综合反应监测站点的水土流失情况，具有实际的应用价值与意义，运行以来，误码率低，监测状况良好。

4 结语

本文提出了考虑环境评价指标的输电线路水土保持监测软件系统的设计方法。相较与传统的人工监测方式，对输电线路水土保持监测工作的智能化和自动化程度都有了显著提高，减少了人力、物力。所提方法是电网互联互通全面感知的初步探索，经过实际的输电线路工程应用，取得可观的监测效果，对特高压输电线路工程沿线水土流失保护与监测提供了一定参考价值。由于各地土壤土质结构差异较大，存在不同的特点，在后续研究中将重点关注如何通过精细化建模来表征土壤流失总体评价指标。