基于空间定位的导线状态监测系统研究与应用

王佳盟，赵隆，朱文卫，袁鹏

(1. 西安工程大学 电子信息学院，陕西 西安 710048；
2. 广东电网有限责任公司，广东 广州 510600；
3. 陕西倚云惟精新能源科技有限公司，陕西 西安 712000)

输电线路是电力系统的重要组成部分，在外界条件的作用下，特别是近年来极端气候条件的影响下，由线路安全隐患导致的事故频频发生，给其维护工作带来了严峻的挑战[1]。沿海地区为了消除台风对输电线路的威胁，开始逐渐应用新型防风导线[2-3]，尽管这类导线能够减弱风的影响，但仍会存在舞动现象。另一方面，用户用电量激增以及线路负荷不断增大，导致导线温度升高，高温天气进一步引起导线发热，造成导线弧垂增大[4]，带来新的隐患。导线舞动严重时，杆塔塔身晃动，耐张塔变形，金具受损，线路频繁跳闸[5-6]。弧垂过大则会导致导线闪络和断线，甚至令杆塔倒塌。因此，开展舞动和弧垂监测技术研究十分必要。

舞动和弧垂分别表征输电线路的动态响应和静态特性。对于舞动监测，国内最早从2005年就开展了相应的研究工作[7]。早期舞动在线监测采用加速度传感器(如在导线中间布置5～7个加速度传感器，通过无线组网的方式实现数据传输)测量导线振动加速度，通过加速度积分得到舞动幅值，以此衡量导线舞动的严重程度[8]。随着通信技术的发展，原有的全球移动通信系统(global system for mobile communications，GSM)或射频识别技术(radio frequency identification，RFID)不能满足现场应用需求，而采用改进型ZigBee无线网络技术实现传感器之间的通信，能够避免数据丢包现象的发生[9]。然而，使用加速度测量舞动，始终存在导线扭转带来的误差；
因此，一种基于惯性导航技术的方案逐步被应用到输电线路舞动测量中[10]。该方案考虑了导线自激振动和扭转运动引起的舞动，利用加速度、角速度等数据解析出导线的实时姿态，提升了传感器舞动监测方案的精确度。尽管惯性导航技术能够大大降低扭转带来的误差，但由于传感器安装初始误差、积分误差等客观因素存在，长时间运行仍然会造成误差累积。使用视频图像分析的技术，可以从客观角度抓取导线舞动的形态(例如逐帧捕获图像)，通过频谱分析得到具体的舞动幅值[11-12]，但是视频监测存在因安装位置和地形条件不同导致的有时无法观察导线全貌的现象[13]。如果能够获取导线上几个点的绝对空间位置，就可以进一步规避设备安装、理论计算等多方面因素造成的误差。

对于弧垂监测，早期采用的是传感器测量悬挂点偏移角度和偏移距离的方案[14]，利用测量出的二维数据构建导线在空间的理论模型，继而推算出具体的弧垂值。例如基于张力和倾角传感器设计出的输电导线监测系统[15]，根据实时张力和倾角数据，直接通过理论计算得出任意点的弧垂值。但随着实验次数增加，计算值和实际值的误差逐渐增大，单从力学角度分析弧垂已经不能解决实际问题，有学者建议考虑温度对弧垂的影响，重点分析现场长期安装传感器的历史数据，提出合理的减小误差的改进措施[16]。与舞动监测相似，弧垂作为可以直接观测到的现象，可以使用图像观测方法避开传感器自身和理论模型带来的误差，如对远处导线所在平面建立坐标系，利用远程观测或测距设备测量导线弧垂[17-18]；
但这些视频图像技术应用的局限性也很明显，在复杂地貌下无法整体监视输电线路。弧垂监测同样需要一种能够精准获取导线绝对空间位置的方案。

北斗卫星系统(以下简称“北斗系统”)是我国自主研制的系统，在工程监测领域，其短报文通信功能备受青睐。传统无线传输技术由于通信距离和技术限制无法实现远程监控和报警功能，而北斗系统的短报文通信使得在偏远山区部署灾害预警系统成为可能[19]。由于高精度的差分定位特性，它能够在电力设备故障预警上节约大量人力，实时确定类似输电杆塔等大型设备的位移变化[20]。随着智能电网战略的提出，北斗系统在电网运维平台信息采集和实时传输方面发挥着越来越重要的作用[21]。反观导线舞动和弧垂监测方面，传统方法不能即时获取导线空间位置变化量，造成监测误差不确定和累积，而使用北斗系统作为监测通信工具，能够避开各种不利因素的影响。基于此，本文提出利用空间定位中的北斗定位监测输电导线运行状态的方法，从整个监测系统的总体设计出发，分析舞动和弧垂的理论模型，给出系统在硬件和软件上的设计细节，并详细阐述了整个方案。

1.1 系统总体框架

基于北斗系统进行空间定位的输电导线运行状态监测系统由传感器、监测主机和上位机软件组成。其中，传感器安装在输电导线上，中间位置的传感器主要用于测量弧垂，整体用于测量舞动数据，它们将数据通过LoRa网络发送到安装在铁塔侧架上的监测主机，最终数据通过4G网络发送给监控后台，进行集中分析和处理。系统总体结构如图1所示。

图1 北斗系统总体结构

1.2 弧垂计算原理

导线弧垂通常是由数学模型计算得出的。在输电线路监测领域，计算弧垂的方法和工具有许多，但往往无法满足精度要求高场合的需求。在一般情况下，针对单根导线的情况，抛物线和悬链线模型是公认的2种最可靠的数学模型[22-23]，其中最准确的模型是悬链线模型。

图2所示为导线的弧垂悬链线模型，图中fex和fmid分别为输电导线的弧垂极值和中点弧垂。

图2 导线弧垂悬链线模型

通过建立直角坐标系可以得到以下结论：

(1)

式中：x、y分别为导线上某点横、纵坐标位置；
w、h、g为常数，决定模型形状。

图2中一般情况下认为fex和fmid是相等的，所以可以将A、B这2个端点连接起来的直线表示为

(2)

弧垂是指输电线路2个相邻端点的连线与输电导线之间的垂直距离，由直角坐标系中的线段相对位置可以看出，弧垂fr即为yL与y之间的距离，计算如下：

(3)

根据以上分析，通过计算导线上的点与连接导线端点的直线之间的距离，就能得到所需要监测的弧垂值。

1.3 舞动计算原理

舞动是比较复杂的、逐步形成的导线运动，多发生在覆冰导线上[24]。以导线上安装1个传感器为例，如图3所示。假设虚线部分为t1时刻导线的起始位置，实线部分为t2时刻导线受风作用下舞动到达的位置，装置会伴随导线舞动在此时段产生各方向上的位移，而通过对装置北斗定位的三维数据变化能够间接获取t1—t2时间段内导线位移量变化的具体数值，结合导线弧垂数据可以精确计算舞动幅值[25]，计算公式如下：

图3 导线舞动分析模型

(4)

式中：Hmax为导线舞动最大幅值；
fi,max、fi,min分别为舞动最大弧垂和最小弧垂；
n为总数据量。

2.1 北斗定位原理

北斗定位系统由地面控制中心、太空中的卫星和用户端3部分组成[26]。地面中心站主要用来处理卫星的各项运行参数，能够及时调整卫星；
卫星部分由3颗同步卫星组成，其中2颗负责主要工作；
用户端为用户使用的设备，用于接收卫星发送的信号。

北斗定位原理为双星定位，其原理如图4所示。

图4 北斗定位原理示意图

同步轨道上的卫星接收到地面中心站发送的请求信号后，会在空间坐标下分别构造出2个与用户端相接的虚拟球面，球面的交界处即为用户所在的实际位置。卫星将位置数据发送给中心站，地面中心站均配有高精度的电子地图，利用数学算法计算卫星返回的位置数据并迅速确定用户端的绝对空间位置。

2.2 传感器总体设计

整个传感器由电源模块、控制模块和通信模块3部分组成，具体硬件结构如图5所示。电源模块包含互感器、锂电池和调压电路，能够为整个传感器提供电能；
控制模块为STM32L052微处理器；
通信模块包含LoRa模块和北斗模块，其中LoRa模块用于传感器和主机之间的近距离通信，北斗模块用于传感器和卫星之间的远距离通信。

图5 传感器硬件结构

在整个传感器的运行过程中，北斗模块通过与卫星之间通信获取传感器的具体空间位置变化信息，再将位置信息发送给微处理器，微处理器通过传感器的LoRa模块与监测主机的LoRa模块之间的通信将接收到的位置信息发送给监测主机。

2.3 电源模块设计

传感器电源模块分为2部分。第1部分是电流互感器取能模块，由于传感器被安装在高压输电线上，不便于定期更换，经过各种方案筛选，决定使用技术比较成熟的互感取能手段取电，如图6所示。其原理为电磁感应，在高压线路运行中，电流互感器的高压侧流过电流，这时低压侧会感应出电流，由于电流为交流电流，需要经过整流才能为锂电池供电，所以取能模块中存在整流电路。

图6 电流互感器取能原理

第2部分是降压稳压电路模块，具体结构如图7所示。由于无线模块所需的工作电压不同，需要降压处理取能模块收集到的电能才能满足传感器装置内不同模块的供电需求，所以设置了不同的稳压电路，12 V电压经过CJ7805稳压芯片降压为5 V，再由SPX3819M5-L-3-3芯片将5 V降压至3.3 V。5 V稳压电路中芯片的输出端分别并联0.1 μF和100 μF的电容，3.3 V稳压电路中的输出侧也接入200 μF和0.1 μF的电容，目的是过滤杂波，使电压波动保持在一个很小范围之内。

图7 降压稳压模块设计框图

电源模块设计完成后，对传感器模块进行多次上电实验以验证模块的可靠性，现场测试如图8所示。电源模块被放置在传感器壳体内部，通过对输电导线反复加压，传感器内部数据表现良好，可以通过仪器检测到内部还未初始化的通信模块和控制模块供电电压稳定，证实了方案的可行性。

图8 电源模块现场测试

2.4 通信模块设计

传感器通信模块分为LoRa模块和北斗模块2部分。系统选用的LoRa模块是亿佰特公司研发的E32-433T20S2T，其使用的LoRa扩频技术大大提高了模块的灵敏度和抗干扰能力。模块和微处理器通过串口连接，具体表现为RXD引脚和串口的USART_TX引脚连接，TXD引脚和串口的USART_RX引脚连接，2个模块设置相同的波特率，以保证传感器的数据正确传输。LoRa模块的电路部分如图9所示。

图9 LoRa模块电路图

北斗模块为千寻公司推出的UM220-Ⅲ，作为系统的核心部件，其采用的差分定位技术能够实现对导线厘米级别的精确定位，继而解算出有关导线舞动和弧垂的各方向位移数据。经过理论计算，北斗模块使系统的监测误差明显低于GB/T 35697—2017《架空输电线路在线监测装置通用技术规范》规定的监测误差标准。在硬件连接上，其同样通过串口与微处理器连接，如图10所示。

图10 北斗模块电路图

模块在与传感器的连接中很容易出现问题，甚至导致通信失败，因此需要通过串口调试助手软件对模块进行调试，具体步骤为：利用晶体管-晶体管逻辑电路(transistor transistor logic，TTL)转USB的芯片连接电脑和通信模块，在调试软件中输入命令和接收数据，由此判断模块是否正常工作。

3.1 主机总体设计

整个监测主机由显示模块、电源模块、控制模块和通信模块4部分组成，硬件结构如图11所示。显示模块为LCD显示屏，用于显示传感器产生的数据；
通信模块由LoRa模块和4G模块组成，其中LoRa模块用于主机和传感器之间的通信，4G模块用于主机和远端监控中心之间的通信；
控制模块和电源模块的组成与传感器部分基本相同。

图11 主机硬件结构

在监测主机的运行过程中，控制模块会调用LoRa模块接收传感器发送过来的数据，再将各类数据传输给显示模块，之后LCD显示屏将数据以列表的形式分类显示，同时控制模块将这些数据通过4G通信模块发送给监控中心的上位机，供后期数据处理和风险预警。

3.2 电源模块设计

主机与传感器在电源模块上的结构基本相同，但供电部分的设计存在差异。由于监测主机被放置在铁塔的塔架上，互感取能方案无法满足工作要求，考虑到铁塔周围比较空旷，采光性较好，使用太阳能板和蓄电池搭配更能满足长期运行的需求。主机电源模块的设计框图如图12所示。

图12 主机电源模块设计框图

太阳能板通过光电效应将太阳能转换成电能，通过控制器给12 V的蓄电池充电，控制器主要起到控制电压和稳压的作用。输出部分留提供5 V和3.3 V 这2种等级的供电电压，LM2596S-5.0稳压芯片先将12 V电压转换为5 V电压，再采用与传感器模块相同的SPX3819M5-L-3-3芯片将5V电压降至3.3 V，电路输出端同样并联了滤波电容，保证供电电压的稳定性。

3.3 通信模块设计

通信模块包括LoRa模块和4G模块2部分。LoRa模块为传感器模块的配套模块，保证近距离通信的稳定性；
在与监控中心的远距离通信模块选择上，较早的方案都采用GSM、3G等前几代通信技术，通信信号稳定但传输速率较慢，最新的5G通信技术存在功耗较高的问题，最终选用4G模块作为监测主机和监测后台的通信媒介。2个模块均采用了串口通信的原理，保证信号能够有效接收和发送。

LoRa模块与微处理器的连接类似传感器设计部分。4G模块USR-LTE-7S4同样提供串口接口，与微处理器的连接也采用TXD与RXD交叉连接的方式，LINK引脚为输出控制引脚，可以及时了解网络的连接状况，通常连接在微处理器的任意I/O引脚上，处理器可以直接读取电平状态。4G通信模块接线如图13所示。

图13 4G通信模块电路图

上位机软件是整个监测系统中最重要的组成部分，决定着系统内各模块的运行逻辑。从总体设计方案可以看出，数据从传感器模块产生，被发送到监测主机，再进行后续处理。系统整体软件流程如图14所示。

图14 系统整体软件流程

传感器部分程序的执行过程如下：首先进行各模块的初始化工作，包括STM32处理器时钟初始化、I/O初始化、串口初始化和传感器模块初始化等，具体的初始化过程通过调用子函数实现；
初始化结束后，传感器按照设定的延时程序等待一段时间，到达采集时间后进行数据采集工作，之后这些数据经预设的校验程序确认无误后由LoRa模块发送，若数据不完全或者成功发送，传感器会回到等待指令的状态，等待下一轮采集任务。

监测主机部分程序的执行过程如下：先进行各模块初始化工作，主机按照指令等待一段时间，再接收传感器LoRa模块发送过来的数据，若接收有误，会回到等待指令的状态，若接收成功，传感器的定位和计算数据将会被主机的LCD模块分类显示，以便工作人员确认系统的通信和工作状态，这些数据同时会通过4G模块被远程发送给监控后台，供后续故障预警和数据分析。

将该系统实际应用于广东省阳江市某500 kV线路。阳江市地处广东省西南沿海，其500 kV电网是广东省电力网络的重要组成部分，与“西电东送”密切相关，本次监测的目标线路处于粤西地区的重点建设区域。由于该地区河流密布，天然落差大，极易发生各种自然灾害，且常年遭受台风等极端天气的破坏，监测输电线路的舞动和弧垂十分必要。

在施工现场，传感器被逐个安装在铝包钢芯的铝绞导线上，导线型号为JL/LB20A-630/45，安装位置如图15所示。监测主机被固定在安装传感器导线附近的铁塔上，图16所示为主机的通信天线和太阳能板在塔架上的具体安装位置。

图15 传感器实物安装位置

图16 主机部件安装位置

系统在运行过程中，监测主机将传感器数据通过4G网络发送给安装上位机软件的监控中心，工作人员通过查看后台界面来判断线路的具体运行状况，监测系统的后台界面如图17所示。图18所示为2021年10月23日0时至1时监测系统采集的数据，数据点每隔5 min采集1次。从监测结果可以看出，输电线路正常运行时，导线在风的激励下发生位移变化，产生弧垂值改变和轻微舞动现象，这些值都处在安全范围内。在异常情况下，数据曲线发生明显变化，这时就可以通过应急处理快速规避导线安全事故的发生。

图17 监测系统后台

图18 监测数据结果

本文将空间定位技术与传感器技术相结合，通过分析目前输电导线运行状态监测方案遇到的典型问题(例如传感器监测法中导线自身存在的扭转误差、图像监测法中存在的难以观测导线全貌等)，给出利用绝对空间位置定位导线的新型解决方案。通过北斗系统扩展出导线空间位置的精确信息，实时监控输电线路舞动和弧垂各项参数。

从设计方案的理论分析可以看出，在输电导线的在线监测方面，早期采用外在力学分析方法来探究舞动和弧垂现象，但往往忽视线路自身的绝对空间位置这个重要参量。而利用目前日趋成熟的北斗导航系统作为辅助工具，设计新的监测方案，可为解决输电线路运行状态监测问题提供新思路。

本方案利用STM32微处理器的高处理性能、低功耗和多片外资源优势，实现了完整的数据处理和通信流程，又借由互感取能，保证了系统长期运行的稳定性。通过实时远程监测导线运行的多参量数据，可极大提高导线舞动和弧垂的监控和预警能力，在一定程度上防止意外事故的发生。

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