摘要：输电线路通道运行区域环境复杂，经常受采空区、山体滑坡、外力破坏等因素影响，杆塔地基容易变形，导致杆塔倾斜、倒塔断线等严重事故发生，严重时，甚至影响到输电线路的安全稳定运行。研究并利用北斗卫星精确定位技术，替代人工实现全天候、全自动的连续性监测和预警，有助于及时发现并预防杆塔倾斜事故发生，提高输电线路的精益化运维和可靠供电的保障能力。
关键词：北斗定位；杆塔位移；在线监测
前言：近年来，随着电网建设规模不断扩大，使得高压输电线路随之不断增多，尤其一些输电线路运行工况极其复杂，线路杆塔基础经常受采空区、山体滑坡、外力破坏等因素影响，杆塔地基容易变形，导致杆塔倾斜、倒塔断线等严重事故发生，严重时，甚至直接影响到输电线路的安全、稳定、可靠和经济运行。目前，杆塔基础位移或沉降只能通过人工巡视发现，且隐患治理后，无法进行治理效果的跟踪和评估，对于重要线路的特殊区段，仅靠人工进行特维，其实效性、准确性无法与在线监测系统相比。因此，研究并利用北斗卫星精确定位技术，对特殊区段杆塔开展全天候、全自动的连续性监测和预警，有助于及时发现并预防杆塔倾斜事件发生，有利于提高供电企业的应急响应和防灾、减灾能力。
1输电线路运维面临的困难及挑战
近年来，随着电网建设规模不断扩大，使得高压电力设备随之不断增多，大多输电线路所处区域的地质地貌条件极其复杂，经常受自然现象（如风雨雪、泥石流等）以及煤矿开采、工程施工、人为破坏等因素影响，容易造成塔体发生位移、倾斜、裂变，沉降等现象时有发生，严重影响着电网的安全稳定运行，而传统的人工巡视的方法，主要依靠巡视人员定期到达现场进行巡视，巡视周期较长、劳动强度大，而且很多杆塔难于巡视到位，容易出现巡视空档期，一旦杆塔受地质灾害、人为因素及外力破坏等意外情况影响，运维人员无法及时掌握杆塔受影响程度及变化趋势，并及时采取有效的预防措施，持续跟踪并消除安全隐患，这些都将对输电网的安全运行和正常工作造成极大威胁，甚至造成人民财产的巨大损失。
尤其随着供电企业电网规模的不断扩大以及“减员增效”工作的日益推进，电网设备的不断增长与人员逐步减少之间的矛盾更加突出，传统的输电线路运行维护模式在电网、设备、人身风险管控方面面临较大压力，迫切需要借助现代先进的科学技术，替代人工完成重点线路特殊区段的全天候、连续性的实时在线监测和预警，为线路运维人员提供精准、可靠的辅助决策支持，从而提高输电网运维的工作效率和效益，降低电网安全运行风险，同时也减少人工频繁巡视的成本和降低人身安全风险。
2利用北斗定位导航技术开展杆塔倾斜监测的必要性
在精密工程测量中，变形监测是为了监视地表、工程建筑物及设施等变形体的位移状况而进行的长期、连续性的测量工作，GNSS（全球导航卫星系统，Global Navigation Satellite System的简称）与其它许多经典的测量方法均在该领域发挥了重要的作用，但与常规的测量方法相比，GNSS技术具有高精度、高效益、全天候、无需通视等优点，更容易实现变形监测的自动化和实时化，其实用性和经济价值更高。目前，GNSS技术已经广泛应用于城市地面沉降变形监测、大坝变形监测、桥梁变形监测、滑坡监测、高层建筑物变形监测、矿区变形监测等多种变形监测中，并取得了很好的应用效果和效益。
在输电线路杆塔实际监测应用中，通过GNSS接收机对杆塔所处地表进行长期在线监测，GNSS接收机安装后无需手动进行位置移动和人工干预，当地表发生微小位移时，GNSS接收机监测的数据也会进行变化，从而达到监测地表的位移情况，因此，GNSS非常适用于输电线路杆塔倾斜的在线监测。
3GNSS在杆塔倾斜监测中的研究及应用
我局经过大量技术研究和选型，最终选用基于北斗地基增强系统技术，采用高精度北斗定位接收机进行实时坐标数据采集解算，通过先进成熟的信号采集、控制网络通信等技术、电子测量技术、太阳能新能源技术、智能数据分析技术，对铁塔基稳定性、铁塔倾斜、铁塔环境的进行实时监测并及时预警和报警，并建立了配套的输电线路杆塔倾斜在线监测及辅助决策支撑系统。
3.1GNSS系统定位原理及差分解算算法研究
GNSS星座在实际运行的过程中由于受到多种因素的影响，不可避免的会产生运行误差，为满足杆塔倾斜监测毫米级的精度要求，必须同步观测不少于四颗卫星的信号。根据几何理论，通过精确测量地球上的一个站点到三颗卫星之间的距离，就可以依照点到这个三角形的位置来确定，在项目研究过程中，我们以GNSS卫星和用户接收机天线观测之间的距离为基准，通过实时计算并解算3点坐标分量和1个差分GNSS接收机时钟误差，解算用户接受天线的真实位置。下面是根据卫星i(i=1、2、3、4)瞬时位置(Xi，Yi，Zi)、卫星钟差△t及四个伪距ρi来确定用户位置和接收机钟差参数的联立方程表达式：
（图1：差分计算公式）
通过对上式有四个未知量、四个未知方程的解算从而得到用户接受天线的真实位置。
3.2杆塔倾斜在线监测装置研究及应用
杆塔倾斜在线监测装置无缝集成了表面位移监测、倾斜监测、裂缝监测及气象监测等多个传感器，实现了地表位移、地表裂缝、杆塔倾斜、降雨量等特征量的实时在线监测，具备卫星定位数据跟踪、采集、记录、设备完好性监测等功能。该装置负责跟踪GNSS卫星以及各类监测传感器并实时采集数据，数据由数据通讯网络传输至在线监测及辅助决策平台，在线监测及辅助决策模块对数据处理并分析，实时监测塔基的位移情况，一旦监测数据出现异常情况，预警系统立即做出相应的预警反应。杆塔倾斜在线监测装置设计原理图如下：
（图1：杆塔倾斜在线监测装置设计原理图）
3.3在线监测及辅助决策平台研究及应用在线监测及辅助决策平台实时接收杆塔倾斜在线监测装置监测到的数据，并通过3G/4G等无线网络传输到在线监测及辅助决策平台后，平台以时间为X轴，表面位移、铁塔倾斜、边坡位移等观测量为Y轴，绘制时间序列曲线；通过绘制铁塔倾斜与时间的关系曲线对铁塔倾斜的变化进行分析；通过绘制裂缝位移量与时间的关系曲线对该位移变化情况进行分析，从而帮助运维人员及时掌握裂缝的位移变化情况。运维人员可通过对铁塔的综合状态进行分析处理，从而为紧急负荷转移提供决策依据，更科学、准确的制定相应的预防措施。
3.4输电线路运维业务集成应用
在线监测及辅助决策平台利用精确定位、数字地图等技术，实现了输电线路运维业务与杆塔倾斜监测系统的无缝集成和拓展应用，当杆塔发生倾斜事件事，运维管理人员可通过平台，快速查看输电设备历史台账，分析并预测杆塔倾斜及发展趋势，远程协同并可视化指挥应急抢修人员精准定位导航目标位置、快速查找并处理故障，从而提高运维班组应急抢修及事故处置能力。
结论
综上所述，利用GNSS技术，可更加有效的实现输电线路杆塔倾斜监测和预警应用。经过上文分析可知，通过在重要线路的特殊区段，安装杆塔倾斜在线监测装置，全天候、全自动的对软地基、地质灾害频发的输电线路铁塔进行全天候的连续监测，以帮助运维管理人员实时直观的掌握电力铁塔及设备地基表面位移及本体倾斜等状况，在重要线路铁塔发生倒杆断线前及时将预警发至电力调度控制中心，为紧急负荷转移提供决策依据，大幅减少因基础变形导致的倾斜倒塌及引发的电网事故事件，同时也减少人工频繁巡视的成本和降低人身安全风险，对提高输电线路运行管理的时效性和可靠性具有重要意义。
参考文献
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论文作者:王骏,黄继盛,兰飞,徐文宏
论文发表刊物:《电力设备》2019年第17期
论文发表时间:2019/12/19
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