一种输电铁塔摇摆姿态监测系统

韩成彬

（上海智方地质灾害研究院有限公司，上海 200000）

0 引 言

输电线路是电网的重要组成部分，承担着输送电能的重要任务。在架设输电线路时，应因地制宜加以建设与优化。目前亟需开发有效技术途径来实时在线监控铁塔的运行状态，及时发现问题，配合相关生产部门尽快解决问题，保障输电线路运行安全。国内相关研究人员已经开发出多种相应的检测系统，但是存在烦琐复杂或智能化程度较低等问题，导致输电铁塔高空摇摆姿态监测效果不太理想[1]。因此，有必要研究更先进的技术来提高输电塔高空摇摆姿态的监测效率[2]。北斗卫星定位技术是我国具有自主知识产权的高新技术，设计了一种基于北斗卫星定位技术的输电塔高空摇摆姿态监测系统[3]。通过该系统，实时在线监测输电塔的高空摇摆姿态，为输电网维护人员提供了可靠的数据支持，保证输电网的正常运行。

1 输电铁塔高空摇摆姿态监测系统

1.1 系统总体结构

为了提高输电铁塔高空摇摆姿态监测效率，设计基于北斗卫星定位技术的输电铁塔高空摇摆姿态监测系统。系统总体结构如图1所示。

图1 系统总体结构

根据图1，采集层、监测层、通信网络层、数据层以及监测终端层共同构成了基于北斗卫星定位技术的输电铁塔高空摇摆姿态监测系统。在输电塔上设置北斗基准点和监测点设备，采集层通过北斗测量天线组采集初始塔位数据，利用二维倾斜传感器对输电塔的姿态信息进行监测，并将采集到的数据传输到监测层[4]。监测层接收采集层采集的基础数据，采用载波相位差分（Real Time Kinematic，RTK）技术实现数据采集预处理，将预处理后的数据利用北斗短消息通信技术通过通信层传输到数据中心层。数据中心层负责存储和接收监控层的监控数据，并反馈给监控终端层。监测终端层根据数据中心层的数据更新监测接口，实现输电塔报警并生成维护策略。

1.2 输电塔姿态信息获取方法

系统监控终端层获取数据中心层反馈的经过处理后的监测数据，根据铁塔基座变化情况使用单点三维姿态监测方法或者双点三维姿态监测方法实现输电铁塔高空摇摆姿态的监测[5]。

（1）当铁塔基座无变化时，可以使用单点三维姿态监测方法。在t0、t0+Δt时刻，第一个监测点的位置坐标信息分别用ta0(xa0，ya0，za0)、tat(xat，yat，zat)描述。对于同一个位置，在两个时刻观测到信息分别用xa0、ya0、za0与xat、yat、zat描述。

铁塔水平偏移量为：

铁塔竖直沉降量为：

监测点的倾斜值为：

监测点的倾斜度为：

式中：H为铁塔地面和观测点的距离。

（2）当铁塔基座有变化时，可以使用双点三维姿态监测方法。用ta0(xa0，ya0，za0)表示在t0时刻第一个监测点的位置坐标信息，tc0(xc0，yc0，zc0)表示在t0时刻第二个监测点的位置坐标信息，tat(xat，yat，zat)表示在t0+Δt时刻第一个监测点的位置坐标信息，tct(xct，yct，zct)表示在t0+Δt时刻第二个监测点新观测的位置坐标信息。

铁塔水平偏移量为：

铁塔竖直沉降量为：

根据国家规定，输电铁塔的形变预警值如表1所示，其中β为铁塔的倾斜度。系统依据表中的取值区间实现输电铁塔高空摇摆姿态危险、正常以及预警3种情况的有效监测[6]。

表1 输电铁塔的形变预警值

1.3 RTK技术

获取观测点的精确三维坐标数据，通过RTK技术实现差分计算[7]。通过该技术实时监测目标动态厘米级定位精度，采用差分方法降低天线相位中心偏移误差，提高计算效率[8,9]。

为了满足输电铁塔监测技术标准，将RTK技术应用在基于北斗卫星定位技术的输电铁塔高空摇摆姿态监测系统中，可以提高定位精度、实时性以及计算效率[10]。RTK数据处理步骤如图2所示。

图2 RTK数据处理步骤

求解星站间相位差值，即：

式中：Qij(t0)表示初始整周模糊；Qij(t-t0)表示初始时间到监测时间的整周变化值；δφij表示观测相位的小数部分。

星站间的距离为：

用θij表示星站间的真实距离，求解该值时需要已知卫星星历与坐标。星站间伪距观测值为：

式中：Vi表示GPS接收机噪声；δMi表示多径效应。

基准站伪距改正数为：

通过基准站伪距改正数修正观测点伪距观测值，具体计算过程为：

当δIkj=δIij且观测点与基准站距离小于30 km时，存在：

将载波相位伪距观测值导入式（12），可以得到：

观测过程内载波相位测量差值为：

则推导出：

为了实现观测点的定位，需要观测相同的4个卫星，明确初始整周未知数。

1.4 检测终端层设计

系统硬件中的监控终端电源模块至关重要，可以确保系统的总体运行，监控终端硬件结构如图3所示。

图3 监控终端硬件结构

监控终端硬件中，ARM是电源模块的核心程序。4G模块接收ARM发出的链路命令，等待移动差分站与通信网络层的通道构建连接后开始工作。接收机BD930接收服务器采集输电铁塔高空摇摆姿态的差分信息并计算，将计算后的高精度定位数据信息传输至ARM模块，实现数据输出。

2 实验分析

以湖北某500 kV输电线路两基铁塔为研究对象，利用研究的监测系统监测研究对象在导线舞动情况下的高空摇摆姿态情况。将系统监测结果与现场实测结果进行对比，监测误差均小于±1.5 mm，监测精度较高。

依据试验的监测数据，统计输电铁塔姿态倾斜角的监测结果，如图4所示。

图4 输电铁塔姿态倾斜角监测结果

通过图4可知，系统监测的X轴、Y轴倾斜角数据均与实测值非常接近，上下波动不大，表明本文所设计的系统可靠性较高。

3 结 论

安全监测预警将提供监测对象整体沉降形变量、倾斜量、形变变化速率及趋势数据，为判断铁塔状态、技术确定补救措施和实施工作提供依据，在灾害出现的第一时间发出预警，应急指挥中心可在灾害尚未造成重大影响前采取果断的应对措施阻断风险。同时，为了提高输电铁塔高空摇摆姿态监测的效率，保障输电网整体平稳运行，将北斗卫星定位技术应用在输电铁塔高空摇摆姿态监测中，同时利用RTK技术获取观测点的精准位置，应用二维倾角传感器监控输电铁塔高空摇摆姿态，提高监测的效率。