架空输电线路施工实时动态监测系统设计与实现

2022-11-03王军龙韩启云焦凯刘云飞

河南科技 2022年19期

王军龙韩启云焦剑，李凯刘云飞

（1.国网安徽省电力有限公司宣城供电公司，安徽宣城 242000；2.安徽送变电工程有限公司，安徽合肥 230022）

0 引言

架空输电线路张力放线是线路施工中设备投入多、技术含量高、安全风险大的作业过程。放线施工时，现场指挥人员要实时掌握导线展放过程中的动态工况［1］。在导线展放过程中，采用人员现场观测信号的方式对被跨越物安全距离进行监控，但要投入大量的人力资源，监测结果还会受人为及地理环境因素的影响，存在着较大的安全风险。为了能及时掌握张力放线施工过程的动态工况，从而开发出适用于架空输电线路导线展放施工的架空输电线路施工实时动态监测系统［2］。

1 系统总体思路

1.1 原理概述

架空输电线路张力放线智能监测系统（见图1）是集传感器测量、无线数字通信、计算机通信等为一体的综合监测系统。通过对荷载可测式放线滑车、智能走板、无线数字通信网络、手持终端、中心基站进行研发，并利用无线数字通信技术来组建局域无线通信网络，从而在架空输电线路张力放线施工过程中实现对走板姿态及位置、子导线张力、上扬杆位、重要的跨越距离等动态工况的实时监测。

图1 系统应用施工布置网络图

1.2 系统组成

该系统由弧垂观测装置、中心基站、荷载可测式放线滑车、智能放线走板、通信中继电台和手持终端组成。智能放线走板内嵌子导线受力监测单元、GPS走板定位单元和走板倾斜状态传感器，荷载可测式放线滑车内嵌力学传感器。

1.3 作业指挥

当指挥人员离开中心基站后，其通过手持终端可及时掌握导线展放过程中的重要信息，放线区段可设置2～3个流动应急处理小组，每个应急处理小组通过配备的手持终端来掌握放线区段内的动态情况，可实现快速响应指挥人员发出的指令，使应急处理具有针对性，从而提高张力放线的施工效率。

2 系统研究实施

2.1 传感器选型与应用研究

选择合适的水平倾角传感器、受力传感器、GPS单元传感器等。根据选好的传感器，对智能走板和荷载可测式放线滑车进行定制。

2.2 无线数传网络研究

利用无线通信技术和5G技术，可自行组建一个兼容性稳定、具有远程通信能力的无线数据传输网络。

2.3 数据处理软件及中心基站研究

在该系统中，数据处理软件处于主导地位，其通过向采集终端发送数据回传指令，并接收采集终端发送的数据，在后台对数据进行运算处理。数据处理软件对采集指令、手持终端运行参数、手持终端显示数据进行发送和采集终端数据的接收及运算处理，是整个系统运行的核心［3］。

2.4 手持终端研究

手持终端为手腕式便携数据终端，手持终端在接收到中心基站发来的数据信息后，由数据处理器对数据进行分组处理和显示，为应急处理人员提供当前放线区段内的重要信息。

2.5 系统集成与试验

对系统所有分部完成调试后，首先在室内进行模拟试验，然后在实际线路上进行试验，并邀请国内相关专家进行现场观摩、评价和指导，其可对产品提出改进意见［4］。

3 中心基站研制

通过运行系统软件，中心基站可实现与智能走板、荷载可测式放线滑车、手持终端的数据交换，其是整个系统的核心。系统软件具有较强的数据处理能力、友好的界面输入输出功能。施工前，可将放线段的断面数据（档距、杆位高程、呼高、重要跨越等）录入到中心基站的系统软件中，施工过程中根据监测数据（动态显示走板的位置、高度、速度、姿态及子导线受力、放线滑车所受荷载等）进行运算处理，并实时绘制出放线档内的导线断面模拟图。同时，根据滑车荷载、牵张力等信息，来实时显示放线区段内导线与各跨越物的垂直距离，并判断当前施工区段作业状况是否安全，同时其具有自动报警、指示危险位置及通信故障报警功能。通过无线网络将相关信息发送到各手持终端，手持终端能与中心基站同步显示相关信息［5］。

系统中心基站是系统运行的最高指挥监测单元，中心基站（见图2）由数据处理单元（以工控计算机为核心）、无线通信单元、供电单元、输入单元、报警单元组成。在工控计算机上运行系统软件，通过无线通信单元及中继电台来循环发送指令，对各监测点的数据进行采集，运算处理后以图像的方式将结果显示出来，并通过无线通信单元将结果发送到手持终端上。中心基站在整个系统中处于核心的主导地位，通过运行专用的系统监测软件使整个系统能够正常运行。

图2 中心基站系统原理图

4 走板研制

智能放线走板对走板的姿态、行走速度、相对地面高度、子导线的受力情况等进行实时监测，并根据中心基站的指令反馈来进行测量。智能走板（见图3）由GPS定位单元、倾角传感器、力学传感器、数据处理单元、无线通信单元和供电单元组成。在放线过程中，智能走板可对走板在放线区段中的位置、走板在水平面内的姿态、子导线的受力进行实时监测［6］。

图3 智能走板电路系统图

5 荷载可测式放线滑车研制

荷载可测式放线滑车（见图4）可根据中心基站发出的指令来实时监测其所受荷载大小，并将测量到的数据反馈给基站。荷载可测式放线滑车可对重要杆位滑车的受力、转角塔滑车的预倾斜等进行监测，通过在常规滑车内嵌入力学传感器和倾角传感器，由数据采集中继台负责采集相关数据，并将数据上传到中心基站。荷载可测式放线滑车的使用、悬挂方式和普通的放线滑车相同，这为重要杆位滑车受力测控、走板过转角塔预倾斜角度与滑车预倾斜角度是否匹配提供了依据。其通过无线通信网络将测量到的数据传到中心基站，数据经中心基站处理后可供施工人员查阅［7］。

图4 荷载可测式放线滑车系统原理图

6 通信中继电台研制

通信中继电台主要对沿途信号进行转延续。由于送电线路导线展放数据监测终端分布点的数量较多，区段较长，且地形复杂，而智能走板是移动数据监测终端。为保证系统数据能够有效传输，根据平断面图信息，将通信中继电台合理地安放在不同的铁塔上，从而保证信号能够良好畅通，使系统能够稳定运行。中继电台（见图5）由无线通信单元、数据管理单元、电台工作信息指示单元、供电单元组成，其为系统网络的覆盖提供延续服务［8］。

图5 通信中继电台系统原理图

7 数据手持监测终端研制

手持终端（见图6）可实时接收中心基站发来的信息，可查看走板位置、高度、速度、姿态、子导线受力和放线滑车所受荷载等信息，并能显示走板所在放线档内的断面模拟图，还可显示放线区段内导线与各跨越物的垂直距离，其还具有提示未接收到中心基站数据的功能，指挥人员可通过手持终端及时掌握导线展放过程中的重要信息［9］。

图6 数据手持监测终端原理图

无线数据手持终端为便携式手持设备，其可接收中心基站发出的监测数据广播信号，并可在液晶显示屏上显示走板所在的图形界面，以数据的形式来显示整个放线区段内滑车的受力情况，包括实时走板位置、走板高程信息、子导线受力、走板倾斜状况、走板所在放线档内导线/牵引绳弧垂示意图、导线或牵引绳对重要跨越物高度数据、系统运行状态、本机电池电量信息参数［10］。

8 效益分析

架空输电线路施工实时动态监测系统以减少施工人员数量、降低施工成本、提高施工效率为目标，可提高架空输电线路张力放线过程中的安全管理和质量管理水平，为实现架空输电线路张力放线施工现场的数字化、可视化施工提供强有力的技术保障，为电网建设的科技创新和施工建设过程更加安全、可靠和高效地运行积累宝贵经验。在减少施工人员力量投入的同时，提高施工效率。以500 kV工程按照每区段3相、区段长6.0 km、节约人员投入15人为例，可计算出在每个放线区段施工中平均节约工期约为1 d，每个放线区段施工中可节余费用5万元［11］。