Construction and Application of Monitoring and Pre-warning System for Geological Hazards of
Transmission Line Based on BDS System
张孜豪① ZHANG Zi-hao；汪玉成① WANG Yu-cheng；徐伟军② XU Wei-jun；
陆岫昶② LU Xiu-chang；严世鑫① YAN Shi-xin
（①国网信通产业集团安徽继远软件有限公司，合肥 230088；②贵州电网有限责任公司，贵阳 550002）
（①State Grid Information ＆ Telecommunication Group Anhui Jiyuan Software Co.，Ltd.，Hefei 230088，China；
②Guizhou Power Grid Corporation，Guiyang 550002，China）
摘要：随着我国电网规模的进一步扩大，传统地以人力资源投入为主的线路运检模式对电网公司运检质量和效率的提升形成制约，难以适应我国电网发展要求，迫切需要加快运检信息化建设，推动运检业务向自动化、智能化发展。利用我国自主研发北斗卫星导航系统和地质灾害监测预警技术，可用来监测输电线路杆塔周边环境的变化情况，文章探讨了系统建设各阶段和应用过程的重点事项，实现对地质隐患监测点全天时、全天候、高精度的实时形变监测，为防灾减灾决策提供科学依据，为地质灾害防治质量、效率和管理水平提高奠定基础。
Abstract: With the further expansion of the scale of power grid, the traditional line operation-maintenance mode focused on the investment in human resource is forming a constraint in the enhancement of the operation-maintenance quality and efficiency of power grid corps, which is difficult to adapt to the development demands of the power grid in China. Therefore, it is urgent to accelerate the informatization construction of the operation and maintenance, and drive the business to develop towards automation and intelligence. In this paper, the BDS (Beidou Navigation Satellite) system independently developed by China and geological hazard monitoring, pre-warning technologies are applied, targeted to the potential geological hazard sites surrounding transmission towers, and discuss the working contents in each stage of system construction as well as key items in the application process, so as to achieve the real-time deformation monitoring of all day, all weather, and high precision for the monitored sites, thus to provide a scientific basis for hazard prevention and mitigation decision-making, and also lay the foundation for the enhancement in the quality, efficiency and management level of geological hazard prevention and control.
关键词：输电线路；北斗卫星导航系统；地质灾害监测；实时形变监测；评估决策
Key words: transmission line；BDS system；geological hazard monitoring；real-time deformation monitoring；evaluation decision
中图分类号：TM75；TN967.1 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2019）22-0210-05
0 引言
为更好地促进智能电网的不断发展，并逐渐摆脱电网运行对全球定位系统（Global Positioning System，GPS）的依赖性，从2010年开始，电网公司采用并大力推进我国自主创新技术的北斗卫星导航系统，内容涵盖了北斗的授时、授频、定位及短报文等各个方面。通过在电力行业的不断地实践和探索，北斗系统已形成多场景应用和示范性案例[1-3]，提供了包括输、变、配、用等领域专业化应用，形成一系列北斗终端产品、软件支撑平台及配套技术服务。
我国地理环境复杂，地质灾害分布广，并且发生频繁，是世界上地质灾害较为严重的国家之一。由于电网输电线路长、跨越区域大，多位于地势险峻的偏远山区，极易受到地质灾害的影响[4]，导致输电线路杆塔倾斜、倒塌、滑移等事故时有发生，带来巨大的经济损失。据统计，影响输电线路运行的地质灾害主要有崩塌、滑坡、泥石流、采空塌陷、岩溶塌陷、地裂缝、洪涝灾害和冻胀共8种，仅2016年电网公司省网线路杆塔基础浸水、滑坡1619基。输电线路所处地质环境复杂，目前仅仅依靠人工巡检的方式无法完全掌握不同隐患类型的运行风险[5-7]，依据经验判断难以保证准确性。诸如山岭、河道等巡检工作难度较大的地区，缺乏科学系统的应对方法，巡检成本高且效率低，无法对突发事故进行实时监管和提前预警，这对输电线路的安全稳定运行存在带来很大的隐患[8]。
本文从输电线路所面临的实际问题出发，并结合现有研究基础，提出基于北斗系统的输电线路地质灾害监测预警系统，在剖析该系统的系统架构原理的基础上，系统性地阐述了该系统在实际中的应用情况及应用成效，以证明基于北斗系统的输电线路地质灾害监测预警系统是稳定可靠的。
1 系统架构
1.1 系统应用架构
基于北斗系统的输电线路地质灾害监测预警系统，集成输电线路地质灾害监测、预警、权限管理等功能于一体，并与智能管控平台互联，实现电网公司总部、省公司、检修运维单位三级应用，管理人员通过信息内网进行访问查询，巡检人员可通过远程访问进行现场情况查询，实现多维度数据融合下的输电杆塔状态评估，为防灾减灾决策提供科学依据。详细的系统架构如图1所示。
该系统由站点子系统、通讯子系统、数据中心和用户子系统组成，其中站点子系统包括自建的北斗监测站和现有的北斗地基增强系统。在待监测杆塔周边建设北斗地面监测站，采用基于北斗系统的高精度位移监测的GNSS卫星数据接收机，应用了包括北斗高精度天线技术、北斗系统融合捕获与跟踪算法技术单力元解算、多网融合通信等一系列高新技术，实时采集基于北斗卫星的站点位置数据，采用数据加密传输通道（APN网络）将数据上传至各网省公司子站数据库，数据库将接收到的信息进行储存，并同时将数据推送至电网公司总部的主站系统，为后续实现数据天气预报、地质环境扫描等功能奠定基础，共同实现信息展示发布和信息管理等功能。
系统信息平台统一管理各站点的设备状态信息，并通过解算引擎、解算调度等，采用载波相位差分技术（RTK）中的双差模型[9]消除部分因卫星时钟和接收机产生的误差，并削弱卫星星历误差的影响，在监测站与基准站相距较近的情况下，可忽略对流层和电离层折射误差的影响[10]，利用基准站的载波相位观测值及修正值，与监测站的卫星载波相位信号组成相位差分观测值[11]，根据构建的解算模型[12-14]和数据后处理技术，得出静态毫米级、动态厘米级的高精度差分定位结果。
1.2 系统功能框架
系统功能框架如图2所示，主要涵盖5层内容：
1.2.1 基础设施
作为整个监测预警系统正常运行的前端基础支撑，前端站点采用宽频带双频GNSS测量天线，在保证信号准确接收的同时，消除多路径效应等干扰。站点设备对杆塔周边地质信息进行采集，接收机内部的加密芯片对传输的数据进行安全加密，采用APN无线通信网络或者北斗短报文通信的方式，将数据传送至后台系统。而北斗地基增强系统的基准站接受卫星导航信号后，经由卫星、广播、移动通信等手段实时播发给应用终端，实现定位服务。
1.2.2 功能组件
作为系统功能实现的基础组件，通信模块保障了信息交互的稳定性和准确性，协调服务模块保障了资源信息的可配置性，日志收集保障了历史信息的可查阅性，负载均衡保障了站点信息的可调度性，数据库保障了数据的安全存储，大规模分布式存储保障了数据安全与及时性。功能组件之间的协调配合确保了系统结构的连续性。
1.2.3 核心模块
北斗高精度解算模块作为整个系统的核心模块，综合利用最小二乘解算算法和扩展卡尔曼滤波解算模型等，对前端回传的原始数据进行预处理，得出接收机钟差和伪距单点定位，同步完成周跳探测和修复之后，通过计算浮点解坐标、估计对流层参数，再选择合适的模糊度固定算法，进行基线解算，得出高精度的定位结果。北斗站点网关对北斗站点数据接入实现统一管理控制，先进的解算引擎和精准的解算调度综合保障系统的核心功能的实现，同时系统以API接口提供高效访问，完成对系统与其他应用软件之间的信息互联和数据统一管控。
1.2.4 管理监控
以解算数据为基础，以单个站点信息为基本载体，实现对站点运行情况统一管理与运维，并提供站点实时信息和历史信息查询，保证系统平台的高效化运行和数据统一性。
1.2.5 评估决策
根据现场杆塔地质灾害类型，综合利用高精度位移数据及其他融合信息，采用机器学习和大数据技术进行深度挖掘分析，分析和预测监测站所在区域的形变趋势，在系统平台上对现场地质环境变化情况进行实时展示，并在后台进行趋势分析，对可能出现的灾害进行预测告警，采取派发工单等形式通知用户，对故障点所处位置进行反馈，为人员和车辆的导航提供准确的导航信息，为线路检修评估决策提供科学的依据。
2 系统建设方案
基于北斗系统的输电线路地质灾害监测预警系统可直接提供监测点三维坐标及其绝对或相对变化量，实现7×24h不间断监测，并在不同的天气或环境条件下准实时反映电力铁塔沉降区域形变情况，基准站和监测站通过数据通讯网络实时发送到控制中心，无需通视，这使得布设监测站时更为灵活、自由，有效解决了传统的监测方法工作量大、监测周期长、监测时间和点位无法统一等难题，大力推进“北斗+电网”应用模式的深化发展。下面将对该系统的建设方案进行阐述，建设过程各阶段如表1所示。
2.1 踏勘选点
该系统在解算过程中，最重要的就是确保解算数据的连续性和无误码率。而在实际应用中，因站点所处环境的不同和周边电磁环境的干扰，数据质量不可避免的会受到影响。例如，站点通信中断会导致数据产生丢包，无法保证数据连续性；卫星接收频点附近波段存在较强的电磁干扰，或者站点存在多径效应等情况，对信号数据产生影响，增加误码率。因此，在勘测阶段需遵循以下几点原则：
①视野开阔，视场内障碍物的高度不宜超过15°；
②远离大功率无线电发射源（如电视台，电台，微波站等），其距离不小于200m；
③远离微波无线电传送通道，其距离不得小于50m；
④尽量靠近数据传输网络，或附近无线通讯信号稳定可靠。
现场踏勘测试图如图3所示。
2.1.1 技术设备
踏勘所需技术设备如表2所示。
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2.1.2 现场测试
①通信信号测试。
踏勘人员在到达现场之后，目测周围环境是否存在遮挡，测试现场通信网络的信号质量、系统带宽和通信稳定性，要求网络整体可靠性不小于98%。
②电磁环境测试。
踏勘人员在完成通信环境测试之后，利用频谱仪测试现场的电磁环境[15]，测试1.25 GHz和1.575 GHz频段（扫频宽度100MHz）是否存在电磁干扰[16]，重点观察是否存在高次谐波[17]、载波信号等，并要求测试期间不得有超过-40dBm干扰信号。符合要求的现场测试频谱图如图4所示。
③卫星信号测试。
在完成电磁环境测试之后，根据现场地质专家的分析和指引，重点确定待监测环境中易发生地质灾害的区域，进行初步点位定点选择，并搭建现场测试环境，测试卫星信号质量[18]，进行数据采集分析。测试期间卫星数量和信号载噪比需无大跳变，对原始数据进行TEQC分析，查看其原始数据质量情况，主要为四项指标：MP1、MP2、完好观测值比例、周跳比[19-20]是否符合建站技术标准。
2.2 站点设计及站点建设
通过前期勘测，当卫星数据的完好性或者通信网络的实时性得不到保障之后，对现场影响因素进行分析，通过强化卫星线缆的屏蔽功能和通讯功能等方法，同步进行站点设备前端和后台软硬件的升级和优化，解决现场故障。
当完成站点设备的优化改造之后，开始进行站点系统整体化设计。监测站可实现卫星定位数据实时跟踪、采集、记录、设备完好性监测等功能，结构上分为总体框架部分、功能部分和电源部分。GNSS天线安装在监测站钢管杆顶端，接收机机箱固定在钢管杆上，通信天线固定在设备箱外部铁板上。功能部分主要由接收机机箱（内含接收机、通讯设备、电源控制等）、天线等组成。电源部分采用蓄电池+太阳能板的光储供电方式，为保证蓄电池的长效性，一般采用地埋的方式进行储存。典型北斗监测站系统建设情况如图5所示。依据站点设计图，完成站点基础土建和部件安装的工作后，开始对设备箱内的设备（如图6所示）进行运行调试。
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站点主要设备包括GNSS卫星接收机，光伏逆变器和供电控制模块。其中供电控制模块负责检测太阳能板发电情况和蓄电池的电量剩余情况。若太阳能板输出电压正常，采用太阳能板供电方式，反之则采用蓄电池供电。待设备箱内供电正常，接收机即可开始工作，现场利用笔记本电脑登录进入接收机网络，对接收机APN网络传输通道进行账户密码、数据传输加密方式和接收点IP地址端口等参数进行配置。待验证通过之后，与子站后台系统侧技术人员确认该设备是否正常上线和数据上传。
2.3 运行维护
站点系统成功上线并开始数据上传后，子站系统每日都会对数据质量进行分析和统计。若出现某站点数据单日丢包率较高或连接中断、站点数据质量较差无法达到解算精度要求等故障情况，子站解算平台将会进行告警该站点的异常信息，派发工单指引用户去现场进行站点维护。对于正常上线的站点，解算平台通过绘制实施站点形变曲线图和形变量曲线图，综合利用大数据及机器学习等技术，对该站点的形变趋势进行预测。
3 系统应用情况
3.1 监测预警效果
2016 年10月以来，国网公司开展输电线路地质灾害卫星遥感监测评估预警体系建设试点工作，已取得阶段性成果，采用北斗卫星监测技术实现对重点塔位地表形变的实时监测，监测精度达到实时动态厘米级，静态后处理毫米级的要求。同步开展针对特高压线路、重要输电通道及特殊地质条件的精细化局域监测预警技术研究，建立地质灾害基础数据管理、预警信息发布和灾情上报机制，极大的提升架空输电线路地质灾害风险管控能力。图7-图9为某网省站点8月份的站点形变曲线图。
3.2 站点运行质量
以华北地区20余座输电线路北斗监测站为例，近两个半月（6月18日-9月4日）运行数据统计情况如表3所示，通过表中统计数据，除个别站点存在较多的故障次数之外，整体运行平稳。
4 结语
基于北斗系统的输电线路地质灾害监测预警系统结合了北斗系统的多项优点，适应当前输电线路所处的地质环境，实现了对地质灾害隐患的输电线路杆塔的实时监测和提前预警，为输电线路地质灾害监测提供了一条全新的解决方案，同时也为线路检修单位后期深化应用提供技术参考。目前，利用北斗卫星对输电线路杆塔进行地质灾害监测预警还处于起步阶段，可能会受到多个方面的影响，应用范围和技术形式还不够完善，因此仍需通过不断的研究，提高基于北斗系统的输电线路地质灾害监测预警系统的监测水平，使其获得更好的监测效果，进一步推动企业信息化、运检智能化水平提升，同时也是为了“北斗+电网”的智能电网发展模式进行了积极的探索和应用。
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