周命端，李 靜，蔣 煒，李全有，董 杰

(1.北京建筑大學(xué) 測繪與城市空間信息學(xué)院，北京 102616；2.國網(wǎng)思極位置服務(wù)(北京)有限公司，北京 102200；3.國家電網(wǎng)有限公司，北京 100031)

電力鐵塔是智能電網(wǎng)系統(tǒng)的重要組成部分，在(超)高壓長距離輸電線路沿線架空中支撐電力導(dǎo)線地線及其它電力附件發(fā)揮著重要的承載作用[1]。電力鐵塔的形狀一般設(shè)計為空間桁架結(jié)構(gòu)，主要桿件多由單根等邊角鋼或組合角鋼焊接構(gòu)成，它的安全穩(wěn)定工作狀態(tài)關(guān)系著輸送電力是否能夠正常運(yùn)行的可靠性。受天氣、風(fēng)力或外力等復(fù)雜環(huán)境影響，如果電力鐵塔出現(xiàn)變形、傾斜或倒塔等失穩(wěn)現(xiàn)象，造成塔體結(jié)構(gòu)失效，將直接影響輸電線路的正常運(yùn)行，勢必造成供電性能遭受損失，嚴(yán)重時甚至?xí)＜罢麄€電網(wǎng)系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。隨著我國經(jīng)濟(jì)社會的不斷發(fā)展，電力輸電線路承載的電壓等級不斷提高，輸電線路輸送電力的距離也不斷延長，(超)高壓長距離輸電線路工程應(yīng)運(yùn)而生，迫使電力輸電線路生產(chǎn)工藝流程面臨著更高要求，支撐電力輸電線路的電力鐵塔也朝著結(jié)構(gòu)高聳、檔距跨越大和塔體柔度增強(qiáng)等方向發(fā)展。電力鐵塔受地質(zhì)災(zāi)害沖擊荷載、風(fēng)荷載、電力導(dǎo)線覆冰影響等復(fù)雜環(huán)境影響變得更為靈敏，復(fù)雜環(huán)境綜合作用下所引起的失穩(wěn)現(xiàn)象將成為破壞電力鐵塔安全的主要因素之一[2]。傳統(tǒng)的電力鐵塔安全監(jiān)測主要依靠人工周期巡檢方式，即依靠肉眼和一些簡易測量工具巡視監(jiān)測電力鐵塔的塔體結(jié)構(gòu)是否存在變形或失穩(wěn)現(xiàn)象。這種方式比較簡單，但也存在如下諸多弊端[3-6]：①對巡檢監(jiān)測人員的專業(yè)經(jīng)驗要求高；②巡檢周期長，工作效率低，無法實時在線監(jiān)測；③巡檢監(jiān)測精度低，自動化及智能化程度低；④人工巡檢監(jiān)測，消耗大量人力和物力。隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)的蓬勃興起，WSN技術(shù)在各類工程結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測中獲得應(yīng)用。劉宏等人[7]探討了一種基于WSN的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)傳輸方案，并應(yīng)用于電力鐵塔的安全監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)中；吳鍵[8]針對大型結(jié)構(gòu)監(jiān)測探討了智能無線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)和實現(xiàn)方法；Lu Qinghua等人[9]基于WSN技術(shù)搭建了一種電力塔實時在線監(jiān)測系統(tǒng)，驗證了系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及其性能。由于WSN技術(shù)存在漂移和累積誤差等缺陷，應(yīng)用于電力鐵塔監(jiān)測裝置系統(tǒng)的造價較高且系統(tǒng)布設(shè)比較復(fù)雜，制約了WSN技術(shù)大范圍的推廣應(yīng)用。

北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Beidou Global Satellite Navigation System，BDS-3)是我國自主研發(fā)的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，可以為全球用戶提供定位、導(dǎo)航、授時、測速和短報文通信服務(wù)[10]，已于2020年7月31日正式向全球開通，并具有自主性、可控性和安全性等特點。針對我國智能電網(wǎng)系統(tǒng)目前缺乏能夠用于監(jiān)測電力鐵塔變形或失穩(wěn)現(xiàn)象的基于BDS-3的智能監(jiān)測系統(tǒng)[11-12]，文中考慮到BDS-3系統(tǒng)具有全天候、全天時、精度高等優(yōu)點，相比WSN技術(shù)而言，不受天氣、地理環(huán)境因素影響，并顧及5G移動通信具有大帶寬、低時延、廣連接的技術(shù)優(yōu)勢[13]，提出一種基于BDS組合5G的電力鐵塔智能監(jiān)測方法，研制一種基于BDS/5G的電力鐵塔智能監(jiān)測云端裝置系統(tǒng)(BDS_ETMS)，為智能電網(wǎng)電力鐵塔智能監(jiān)測提供一種高精度云端解決方案，具有重要的參考價值和現(xiàn)實意義。

1 電力鐵塔BDS/5G智能監(jiān)測方法

具備跟蹤BDS-3衛(wèi)星信號的測量型接收機(jī)是智能電網(wǎng)系統(tǒng)中電力鐵塔在線監(jiān)測數(shù)據(jù)采集的一種新型傳感器之一。利用載波相位單歷元定位方法實現(xiàn)對電力鐵塔監(jiān)測點進(jìn)行高精度實時動態(tài)定位(Real-Time Kinematics, RTK)，其關(guān)鍵點在于單歷元快速確定雙差整周模糊度，一旦雙差整周模糊度參數(shù)正確且成功固定，則利用載波相位單歷元定位方法在線監(jiān)測精度可以獲得cm級結(jié)果[14]。因此，文中提出一種基于BDS載波相位單歷元RTK/5G的電力鐵塔智能監(jiān)測方法，對應(yīng)的智能監(jiān)測工作原理如圖1所示。其中，1臺測量型接收機(jī)作為基準(zhǔn)站，架設(shè)于視野開闊的監(jiān)測現(xiàn)場；另1臺測量型接收機(jī)作為監(jiān)測站，固定安裝于電力鐵塔塔體合適監(jiān)測點位，用于在線監(jiān)測電力鐵塔輸送電力運(yùn)行過程中的監(jiān)測點位位置參數(shù)，包括三維坐標(biāo)參數(shù)、位置分量精度以及位置精度衰減因子(Position Dilution of Precision，PDOP)值；基準(zhǔn)站與監(jiān)測站的BDS在線監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸依靠5G移動通信裝置實現(xiàn)。

圖1 智能監(jiān)測工作原理

1.1 單歷元RTK定位模型

由圖1所示，假設(shè)基準(zhǔn)站和電力鐵塔的監(jiān)測站(用下標(biāo)M表示)在某一觀測歷元時刻同步跟蹤的BDS衛(wèi)星數(shù)為nt，且以同步觀測的衛(wèi)星高度角最大的BDS衛(wèi)星t作為基準(zhǔn)衛(wèi)星，則針對電力鐵塔的監(jiān)測站與基準(zhǔn)站之間形成的空間基線長度處于短基線(≤10～15 km)觀測條件下，可以列出nt-1個BDS單歷元雙差載波相位觀測方程，其所對應(yīng)的誤差方程用矩陣形式表示為：

V=B·δXM+K·▽ΔN+▽ΔL.

(1)

由式(1)可知，若采用某一種BDS單歷元雙差整周模糊度快速解算算法將▽ΔN參數(shù)成功確定為已知值，由最小二乘參數(shù)估計器(VTPV=min)可以解算電力鐵塔監(jiān)測站的三維坐標(biāo)參數(shù)及精度評定信息。文中建立的BDS載波相位單歷元RTK定位模型為：

(2)

(3)

其中，q為CGCS2000坐標(biāo)系下相應(yīng)的協(xié)因數(shù)陣元素。

(4)

1.2 BDS單歷元▽ΔN快速確定算法(BDS_FARSE)

針對式(2)中的BDS單歷元雙差整周模糊度(▽ΔN)快速確定算法的研究，國內(nèi)外有關(guān)專家學(xué)者作了眾多研究工作，提出了幾種典型算法[15-18]。文中以BDS雙頻觀測數(shù)據(jù)為例，給出一種利用雙頻相關(guān)法(Dual-Frequency Correlation Method，DUFCOM)和直接計算法(Direction Calculation，DC)相組合的BDS單歷元雙差整周模糊度快速確定算法(BDS Fast Ambiguity Resolution for Single Epoch Scheme，BDS_FARSE)[19-20]。BDS_FARSE算法實現(xiàn)流程如圖2所示。

由圖2可知，針對“衛(wèi)星篩選分級處理”策略，文中不顧及BDS GEO,IGSO,MEO衛(wèi)星類型異同，針對所有可視的BDS衛(wèi)星，無論是哪種類型的衛(wèi)星，首先是將高度角最大的BDS衛(wèi)星t確定為基準(zhǔn)衛(wèi)星；其次，針對基準(zhǔn)衛(wèi)星之外的BDS衛(wèi)星，按照兩兩相鄰衛(wèi)星進(jìn)行衛(wèi)星方位角差比較，得到衛(wèi)星方位角差最小的兩顆衛(wèi)星，保留這兩顆衛(wèi)星中衛(wèi)星高度角小的衛(wèi)星，然后重復(fù)上述過程，直到獲得預(yù)定數(shù)量(一般為6～8顆)BDS衛(wèi)星確定為I類衛(wèi)星；最后，將剩余衛(wèi)星確定為II類衛(wèi)星。

圖2 BDS_FARSE算法實現(xiàn)流程

1.3 5G技術(shù)及其高性能目標(biāo)

監(jiān)測數(shù)據(jù)實時快速傳輸是利用BDS高精度定位方法實現(xiàn)電力鐵塔在線監(jiān)測的關(guān)鍵技術(shù)之一。利用5G移動通信技術(shù)與BDS單歷元定位方法有機(jī)融合，構(gòu)成“5G+BDS”組合技術(shù)應(yīng)用于智能電網(wǎng)將是一種全新的在線智能監(jiān)測技術(shù)。5G是第五代移動通信技術(shù)(5thGeneration Mobile Communication Technology)的簡稱。中國的移動、聯(lián)通和電信等三大運(yùn)營商已于2019年11月1日正式上線5G商用套餐。與4G,3G,2G相比，5G技術(shù)的性能具有高速率、低時延、泛在網(wǎng)、萬物互聯(lián)和重構(gòu)安全等顯著優(yōu)勢。5G移動通信關(guān)鍵技術(shù)主要包括無線傳輸技術(shù)和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。5G關(guān)鍵技術(shù)及其高性能目標(biāo)如圖3所示。

圖3 5G關(guān)鍵技術(shù)及其高性能目標(biāo)

2 BDS_ETMS裝置系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

根據(jù)BDS載波相位單歷元RTK/5G的電力鐵塔智能監(jiān)測方法，文中基于Visual Studio 2010開發(fā)平臺，利用C#編程語言，設(shè)計和開發(fā)一種基于BDS載波相位單歷元RTK/5G的電力鐵塔智能監(jiān)測軟件，并無縫嵌入騰訊云服務(wù)器，研制一種基于BDS/5G的電力鐵塔智能監(jiān)測云端裝置系統(tǒng)(BDS_ETMS)。

2.1 總體研發(fā)思路

BDS_ETMS系統(tǒng)研發(fā)總體方案包括系統(tǒng)硬件裝備組裝和系統(tǒng)軟件功能實現(xiàn)?？傮w開發(fā)思路如下。

1)由1臺測量型接收機(jī)作為基準(zhǔn)站，相同品牌的另1臺測量型接收機(jī)作為電力鐵塔監(jiān)測站，共同構(gòu)成BDS衛(wèi)星信號數(shù)據(jù)采集裝置。

2)由2個DTU通信模塊(包括2張5G移動或聯(lián)通手機(jī)流量卡)構(gòu)成監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸裝置，其功能是將BDS衛(wèi)星信號監(jiān)測數(shù)據(jù)實時快速傳輸至具有固定IP的云服務(wù)器系統(tǒng)平臺，并在云服務(wù)器系統(tǒng)平臺中建立SQL數(shù)據(jù)庫，并無縫嵌入文中設(shè)計和開發(fā)一種基于BDS載波相位單歷元RTK/5G的電力鐵塔在線監(jiān)測軟件，構(gòu)建BDS_ETMS系統(tǒng)的云服務(wù)器端，并建立電力鐵塔在線監(jiān)測的數(shù)據(jù)處理單元和監(jiān)測分析單元。

3)在BDS_ETMS系統(tǒng)的云服務(wù)器端，利用SQL數(shù)據(jù)庫實時管理電力鐵塔監(jiān)測站的位置參數(shù)信息(包括三維坐標(biāo)參數(shù)、位置分量精度和PDOP值)。

4)由云服務(wù)器端的監(jiān)測分析單元通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將高精度位置信息實時共享至電力鐵塔在線監(jiān)測客戶端，進(jìn)而實現(xiàn)電力鐵塔在線監(jiān)測的位置參數(shù)信息在云服務(wù)器端和客戶端之間協(xié)同共享高精度在線監(jiān)測結(jié)果。

BDS_ETMS系統(tǒng)總體研發(fā)工作流程如圖4所示。

圖4 總體研發(fā)工作流程

2.2 系統(tǒng)硬件裝備組裝

BDS_ETMS系統(tǒng)的硬件裝備組裝包括：BDS衛(wèi)星信號數(shù)據(jù)采集裝置、監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸裝置、云服務(wù)器系統(tǒng)平臺(含云服務(wù)器)、WiFi網(wǎng)絡(luò)裝置和在線監(jiān)測客戶端。BDS_ETMS系統(tǒng)硬件裝備如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)硬件裝備

由圖5可知：①數(shù)據(jù)采集裝置，如圖5(a)所示，由安置于基準(zhǔn)站和電力鐵塔監(jiān)測站的BDS測量型接收機(jī)組成，接收機(jī)包括天線、主機(jī)、電池及若干條數(shù)據(jù)線，天線與主機(jī)通過數(shù)據(jù)線連接，主機(jī)與電池通過電源線連接，基準(zhǔn)站架設(shè)于地勢較高且衛(wèi)星觀測視域開闊的實驗監(jiān)測現(xiàn)場，監(jiān)測站固定安裝于電力鐵塔組合角鋼合適監(jiān)測部位；②監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸裝置，如圖5(b)所示，由2個DTU通信模塊及供電電池組成，將基準(zhǔn)站和監(jiān)測站的BDS測量型接收機(jī)采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)實時同步無線傳輸至互聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)器系統(tǒng)平臺，并利用SQL數(shù)據(jù)庫分類管理監(jiān)測數(shù)據(jù)；③云服務(wù)器系統(tǒng)平臺，如圖5(c)所示，包括具有固定IP的騰訊云服務(wù)器CVM平臺以及由SQL數(shù)據(jù)庫和基于BDS載波相位單歷元RTK/5G的電力鐵塔在線監(jiān)測軟件構(gòu)成的云服務(wù)器端，其主要作用是為在線監(jiān)測電力鐵塔的數(shù)據(jù)處理單元和監(jiān)測分析單元提供云計算平臺；④WiFi網(wǎng)絡(luò)裝置，如圖5(d)所示，為云服務(wù)器系統(tǒng)平臺或在線監(jiān)測客戶端提供Internet移動網(wǎng)絡(luò)，是一種WiFi便攜式上網(wǎng)設(shè)備(內(nèi)置移動或聯(lián)通流量卡)；⑤在線監(jiān)測客戶端，如圖5(e)所示，由微型計算機(jī)或IPDA構(gòu)成，為用戶實時顯繪電力鐵塔監(jiān)測站的位置參數(shù)信息。

2.3 系統(tǒng)軟件功能實現(xiàn)

根據(jù)BDS_ETMS系統(tǒng)總體研發(fā)工作流程，基于BDS載波相位單歷元RTK/5G的電力鐵塔智能監(jiān)測軟件實現(xiàn)需要建立3個功能模塊單元：監(jiān)測數(shù)據(jù)IO接口單元、數(shù)據(jù)處理單元和監(jiān)測分析單元?；贐DS載波相位單歷元RTK/5G的電力鐵塔在線監(jiān)測軟件實現(xiàn)流程如圖6所示。

根據(jù)圖6給出的監(jiān)測軟件實現(xiàn)流程，本文基于Visual Studio 2010開發(fā)平臺，利用C#編程語言，設(shè)計和開發(fā)了一種基于BDS載波相位單歷元RTK/5G的電力鐵塔在線監(jiān)測軟件(BDS_ETMS)。BDS_ETMS軟件主界面設(shè)計如圖7所示。

圖6 監(jiān)測軟件實現(xiàn)流程

圖7 BDS_ETMS軟件主界面設(shè)計

如圖7所示，BDS_ETMS軟件主界面設(shè)計包括“菜單窗口”“監(jiān)控信息窗口”“站點狀態(tài)監(jiān)視窗口”和“站點信息窗口”。其中，“菜單窗口”設(shè)置了“工程”“視圖”“設(shè)置”“管理”“運(yùn)行”“工具”等主菜單項；“監(jiān)控信息窗口”設(shè)計了“站點跟蹤”“衛(wèi)星狀態(tài)”“網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)”“監(jiān)控分析”和“實時監(jiān)控”等標(biāo)簽頁，“站點跟蹤”標(biāo)簽頁開發(fā)了一種基于Baidu Map的電力鐵塔監(jiān)測站位置在線顯繪頁面；“站點狀態(tài)監(jiān)視窗口”設(shè)置了用戶名(包括站點名稱)、用戶類型、登錄日期、登錄時間和登錄狀態(tài)等信息；“站點信息窗口”包括“基準(zhǔn)站”“監(jiān)控站”和“客戶端”等屬性信息。

3 系統(tǒng)測試與分析

為驗證分析基于BDS/5G的電力鐵塔智能監(jiān)測云端系統(tǒng)的可行性和有效性以及評估系統(tǒng)監(jiān)測精度，于2021年4月10日在某電力鐵塔上部某組合角鋼位置固定安裝1臺某品牌測量型接收機(jī)作為監(jiān)測站(參考坐標(biāo)為：x=*079.951 m，y=*486.074 m，H=42.080 m，“*”表示省略數(shù)字)，并于試驗現(xiàn)場附近空曠處架設(shè)1臺相同品牌的測量型接收機(jī)作為基準(zhǔn)站，利用文中設(shè)計與實現(xiàn)的BDS_ETMS裝置系統(tǒng)進(jìn)行電力鐵塔智能監(jiān)測系統(tǒng)測試分析。其中，接收機(jī)采樣率均設(shè)置為1 Hz，衛(wèi)星截止高度角均設(shè)置為10°，基準(zhǔn)站與監(jiān)測站之間的空間距離約為60 m。

為定量分析BDS_ETMS裝置系統(tǒng)智能監(jiān)測精度，本次試驗數(shù)據(jù)選取30 min共1 800個連續(xù)觀測歷元監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行數(shù)值統(tǒng)計與精度評估。

首先，分析電力鐵塔監(jiān)測站用于有效差分定位解算的BDS衛(wèi)星數(shù)和PDOP值隨觀測歷元序列變化趨勢情況，圖8給出了BDS衛(wèi)星數(shù)和PDOP值的歷元序列分析結(jié)果。

圖8 BDS衛(wèi)星數(shù)和PDOP值的歷元序列分析

從圖8可以看出，針對30 min共1 800個歷元的時間序列分析結(jié)果，電力鐵塔監(jiān)測站用于有效差分定位解算的BDS衛(wèi)星數(shù)在7～9顆之間，PDOP值在2.0～4.3之間,其中：PDOP<6[21]的占比為100%，這說明本次實驗現(xiàn)場衛(wèi)星視域觀測條件良好。

其次，針對選取30 min共1 800個歷元在線監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行數(shù)值分析，獲得了電力鐵塔監(jiān)測站平面位置動態(tài)監(jiān)測結(jié)果(圖9)及高程動態(tài)監(jiān)測結(jié)果，見圖10。

圖9 平面位置動態(tài)監(jiān)測結(jié)果

圖10 高程動態(tài)監(jiān)測結(jié)果

圖9—圖10對所選取的30 min共1 800個歷元的在線監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計與分析，獲得了電力鐵塔監(jiān)測站基于位置信息的數(shù)值統(tǒng)計結(jié)果。電力鐵塔監(jiān)測站位置數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果見表1所示。

表1 電力鐵塔監(jiān)測站位置數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果 m

從表1可以看出，電力鐵塔監(jiān)測站對所選取的30 min共1 800個歷元的在線監(jiān)測結(jié)果在平面x方向上的最大較差值為3.0 cm,平面y方向上的最大較差值為7.1 cm，在高程方向上的最大較差值12.0 cm。

為進(jìn)一步評估與分析BDS_ETMS云端裝置系統(tǒng)在線監(jiān)測精度，對所選取的30 min共計1 800個歷元的在線監(jiān)測結(jié)果從外符合精度(RMS)進(jìn)行統(tǒng)計分析。RMS統(tǒng)計分析結(jié)果見表2所示。其中，RMS計算式為：

表2 RMS統(tǒng)計分析結(jié)果 cm

(5)

從表2可以看出，針對電力鐵塔監(jiān)測站所選取的30 min共1 800個歷元的在線監(jiān)測結(jié)果，外符合精度(RMS)在x方向上優(yōu)于1.5 cm，y方向上優(yōu)于1.0 cm，H方向上優(yōu)于2.5 cm，平面RMS優(yōu)于2.0 cm，點位RMS優(yōu)于3.0 cm，滿足電力塔安全監(jiān)測要求[22]。

4 結(jié)束語

針對傳統(tǒng)的電力鐵塔安全監(jiān)測依靠人工周期巡檢方式存在諸多弊端，文中提出了一種基于BDS組合5G的電力鐵塔智能監(jiān)測方法?；贐DS載波相位單歷元實時動態(tài)RTK定位模型，給出了一種基于雙頻相關(guān)法(DUFCOM)和直接計算法(DC)組合的BDS單歷元雙差整周模糊度快速確定算法(BDS_FARSE)實現(xiàn)流程，設(shè)計和開發(fā)一種基于BDS載波相位單歷元RTK/5G的電力鐵塔智能監(jiān)測軟件，從系統(tǒng)硬件裝備組裝和系統(tǒng)軟件功能實現(xiàn)兩個方面研制了一種基于BDS/5G的電力鐵塔智能監(jiān)測云端裝置系統(tǒng)(BDS_ETMS)。系統(tǒng)測試與分析結(jié)果表明：BDS_ETMS裝置系統(tǒng)智能監(jiān)測精度在x方向優(yōu)于1.5 cm，y方向優(yōu)于1.0 cm，H方向優(yōu)于2.5 cm，平面RMS優(yōu)于2.0 cm，點位RMS優(yōu)于3.0 cm，可以滿足電力塔安全監(jiān)測要求，驗證了文中算法及裝置系統(tǒng)是可行且有效的，可為智能電網(wǎng)電力鐵塔智能監(jiān)測提供一種高精度云端解決方案。下一階段將重點考慮布設(shè)多個BDS監(jiān)測點全面分析電力鐵塔形變狀況，建立電力鐵塔智能監(jiān)測預(yù)警模型機(jī)制，并從不同電壓等級場景下驗證BDS_ETMS裝置系統(tǒng)的適用性。