基于北斗定位技术的电力铁塔倒伏监测与预警技术研究与应用
阅读说明：本技术 基于北斗定位技术的电力铁塔倒伏监测与预警技术研究与应用 (Research and application of electric power iron tower lodging monitoring and early warning technology based on Beidou positioning technology ) 是由 张静伟 张川 徐奇 于长禄 任瑞樵 李超 王石岩 彭海超 于 2021-08-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种基于北斗定位技术的电力铁塔倒伏监测与预警技术研究与应用,包括一种基于北斗3的电力铁塔倒伏监测系统,所述系统包括：北斗流动站、北斗基准站、后台服务器；所述北斗流动站和所述北斗基准站之间通过无线电台进行通讯连接,而北斗流动站内置有ARM处理器负责进行计算数据,计算得到的数据通过北斗流动站内的4G模块发送至所述后台服务器,后台服务器用于接收北斗流动站内发送的数据并进行展示；系统能够及早发现铁塔安全事故隐患,通知电力相关人员及时隐患处理,从而避免铁塔倒伏、倾斜、倒塌、线路跳闸、断线等危害事故的发生,这对保障输电网安全可靠运行有着重大意义,可极大降低因故障停电事故所带来的直接和间接经济损失。(The invention discloses a Beidou positioning technology-based research and application of a power iron tower lodging monitoring and early warning technology, which comprises a Beidou 3-based power iron tower lodging monitoring system, wherein the system comprises: the Beidou rover station, the Beidou reference station and the background server are connected with the Beidou rover station; the Beidou rover station and the Beidou reference station are in communication connection through a radio station, an ARM processor is arranged in the Beidou rover station and is responsible for calculating data, the calculated data are sent to the background server through a 4G module in the Beidou rover station, and the background server is used for receiving and displaying the data sent in the Beidou rover station; the system can discover potential safety hazards of the iron tower as early as possible and inform relevant electric power personnel of timely handling of the potential hazards, so that the occurrence of damage accidents such as iron tower lodging, inclination, collapse, line tripping, line breaking and the like is avoided, the system has great significance for guaranteeing safe and reliable operation of a power transmission network, and direct and indirect economic losses caused by power failure accidents due to faults can be greatly reduced.)
技术领域
本发明涉及电力安全监察技术领域，尤其涉及一种基于北斗定位技术的电力铁塔倒伏监测与预警技术研究与应用。
背景技术
现有的电力铁塔安全监测的方法有人工巡检，载人直升机巡检，无人机巡检和基于倾角传感器检测的方式。传统的人工巡检方法的复巡周期较长，一般为每月巡视一次，难以及时发现输电线路存在的安全隐患；载人直升机巡检的方式迅速快捷，单次巡检效率高，但是载人直升机需设置临时的起降点，购买、维护、保养直升机以及驾驶员聘用开支巨大，超低空飞行受国家管制，致使巡检出勤率较低，很难达到电力部门的巡检要求；无人机受续航能力的限制，难以实现大范围的巡检，比较适合于精细巡检和定点巡检，并且无人机需要人员进行控制，导致巡检效率和质量依然主要由人工决定；基于传倾角感器检测方法测量的电力铁塔的倒伏，其测量精度难以达到741规程的测量精度要求，并且倾角传感器只能测量铁塔局部变化，难以反映铁塔的整体变化。
发明内容
本发明提供一种基于北斗定位技术的电力铁塔倒伏监测与预警技术研究与应用，用以解决上述背景中提到的问题。
一种基于北斗定位技术的电力铁塔倒伏监测与预警技术研究与应用，包括一种基于北斗3的电力铁塔倒伏监测系统，所述系统包括：北斗流动站、北斗基准站、后台服务器；所述北斗流动站和所述北斗基准站之间通过无线电台进行通讯连接，而北斗流动站内置有ARM处理器负责进行计算数据，计算得到的数据通过北斗流动站内的4G模块发送至所述后台服务器，后台服务器用于接收北斗流动站内发送的数据并进行展示。
优选地，所述一种基于北斗3的电力铁塔倒伏监测系统运行步骤包括：
(1)所述北斗基准站内两个卫星导航高精度定位信号处理模块通过两个天线分别测量北斗卫星的载波相位和伪距测量值，并将测量值传送给所述北斗流动站内的ARM处理器；
(2)进行对浮点解的计算，利用加权最小二乘法来求解双差整周模糊度候选解的浮点解，不考虑整周模糊度的整数特性，先求得整周模糊度的浮点解，同时可使用载波相位平滑伪距技术；
(3)对模糊度的解算，利用伪距和载波相位观测值建立双差模型，可以解算模糊度；同时使用多种模糊度解算技术以提高模糊度解算速度和成功率，包括：最小二乘算法、单历元基线约束的CLAMBDA算法、多历元的LAMBDA算法；
(4)对模糊度的确认，使用序贯检测算法、Rat io算法、成功率/失败率算法、固定失败率算法对整周模糊度进行确认；
(5)进行基线、定位坐标的计算和滤波，计算出两个天线确定的基线矢量并将其叠加在基准站坐标上即可得到监测点高精度坐标，利用Ka lman滤波器进行多历元的滤波。
优选地，所述最小二乘法为：
GPS双差线性观测方程
L＝Bdx+AN，D (1)
在上述(1)式中,L为双差码伪距和载波相位观测矢量；B为差分GPS定位系数矩阵；dx为坐标未知数改正数向量；N为载波相位双差模糊度,具有整数特性；A为模糊度系数矩阵；D为观测矢量方差阵,引入迭代最小二乘方法,可得到不含坐标未知数改正数向量dx的定位方程:
上述式中I为单位阵，其对应的法方程为：
由方程(3)可解得模糊度浮点解：
方程(2)中不再具有坐标未知数改正数向量,只具有模糊度参数。根据无周跳时前后历元模糊度不变的特性,可对多个历元的法方程(3)进行叠加,或者使用卡尔曼滤波方法,解得模糊度浮点解。
优选地，所述两个天线确定的基线矢量采用单基线解算，先进行数据预处理,剔除观测值中的粗差,即进行周跳的探测与修复，由于待定测站的近似坐标相对于基站的精度较低而影响卫地距及传播时间的计算,须逐次迭代不断提高测站近似坐标精度,以修正卫星信号发射时刻及相应的星历坐标,使整周待定值趋近于整数以获得良好的基线向量成果；
监测点的高精度坐标，基于基准站坐标叠加上基线矢量，载波相位观测值或其差分观测值解算的结果是两个观测点的坐标差，结合基准站相对固定的坐标值可的观测站准确的位置值。
本发明中涉及的一种基于北斗3的电力铁塔倒伏监测系统采用北斗三代定位测量技术对电力铁塔倒伏进行实时监测，采用4G或北斗短报文通信技术将铁塔倒伏数据发送至云监控平台，平台根据铁塔倒伏测量数据，应用智能信息处理技术，对铁塔安全状态进行综合评估与预测。系统能够及早发现铁塔安全事故隐患，通知电力相关人员及时隐患处理，从而避免铁塔倒伏、倾斜、倒塌、线路跳闸、断线等危害事故的发生，这对保障输电网安全可靠运行有着重大意义，可极大降低因故障停电事故所带来的直接和间接经济损失。
附图说明
下面结合附图对本发明的
具体实施方式
作进一步详细的说明。
图1为本发明中一种基于北斗3的电力铁塔倒伏监测系统的运行流程示意图；
图2为本发明中实施例里在输电线路上试点应用和测试的内容研究框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的和优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明作进一步描述；应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非在限制本发明的保护范围。
本发明提供一种基于北斗定位技术的电力铁塔倒伏监测与预警技术研究与应用，本发明中涉及的方案和系统特点在于在前端的设备中集成了整套的算法，不依赖于后台服务器的算力，实现了前端就地边缘计算。
更为重要的是，通过优化算法的编程语言，在前端的低功耗ARM处理器上实现了最终的高精度定位的效果。本身只采用太阳能供电，实现对电力铁塔的厘米级位移的监测，对塔基沉降、杆塔倾斜等趋势及时发出预警。
一、本发明中涉及的算法设计详情如下：
高精度定位技术的原理都是基于载波相位的差分技术，实现该技术的关键点在于求解整周模糊度的值。目前LAMBDA算法是求解模糊度的算法中最有效的方法之一，但其对整周模糊度的浮点解的精度要求比较高，也就是说LAMBDA算法在浮点解精度较高时解算成功率较高，当浮点解精度较低时解算成功率难以达到令人满意的效果。
在本北斗高精度定位系统的实现过程中，模糊度的解算主引擎是单历元基线约束CLAMBDA算法，因为单历元算法在实际运用中可以避免载波相位的周跳检测与修复，对换星也不敏感。虽然单历元解算在实际运用中有着明显的优势，但是由于只用到当前历元的观测值，导致观测方程中的信息相对较少，当浮点解的精度较低时，单历元CLAMBDA算法也很难收敛于正确值，所以，又增加了多历元的LAMBDA算法，通过多历元的积累，达到让用户满意的成功率，所以本项目采用以下算法：
(1)载波相位平滑伪距技术，能够提高伪距测量值精度，再使用加权最小二乘计算浮点解，提高浮点解精度，从而提高模糊度解算的成功率。北斗卫星导航接收机的伪距观测值精度一般为20cm，载波相位观测值精度一般为2mm。伪距观测值没有模糊度，可直接用于定位，载波相位观测值有整周模糊度，无法直接用于定位。但是利用载波相位平滑伪距技术可以将伪距的无模糊度和载波相位的高精度相结合，得到精度更高的伪距观测值，提高定位精度和浮点模糊度精度。
(2)另一方面，使用载波相位平滑伪距技术需要载波相位测量值的连续性，但是由于卫星信号的意外中断、卫星信噪比降低等原因而引起载波相位周数跳变，此时若再使用载波相位平滑伪距会产生人为的偏差。因此载波相位的周跳检测是载波相位平滑伪距之前的一个重要内容。有多种方法探测周跳，包括高次差法(三差法)、相位减伪距法、多项式拟合法、最小二乘周跳检测法等。
(3)带基线约束的单历元CLAMBDA算法。在模糊度搜索过程中加入基线长度约束，可以极大地提高系统的初始化速度、模糊度固定率，如CLAMBDA算法。另外采用单历元可以避免载波相位的周跳检测与修复，对换星也不敏感，每个历元都可以实时得到模糊度解算结果。
(4)多历元无约束LAMBDA算法。单历元的LAMBDA算法只使用单个历元的观测值，其噪声协方差矩阵过大，可能长时间无法收敛到正确值。因此在这种情况下使用多个历元的观测值，可逐步减小观测噪声，提高模糊度解算的成功率。
(5)最小二乘模糊度解算。在连续运行过程中，利用上一历元的先验知识，可以直接估算模糊度，利用该估算值直接进行相对定位，通过判断残差检测载波相位周跳。当两个历元间没有发生周跳时，可实现快速模糊度解算。
(6)序贯模糊度确认算法。收集多个历元的模糊度解算结果、基线结果，使用对比确认模糊度是否正确。
(7)Ratio模糊度确认算法。在模糊度解算时，计算两组模糊度组合，分别是代价函数值最大和次大。计算两者代价函数值的差值、比值，和设定的门限比较，从而确认模糊度是否正确。
(8)成功率/失败率模糊度确认算法。在模糊度解算时，根据模糊度的误差协方差矩阵可以估计LAMBDA搜索结果的成功率和失败率。可通过成功率判断，如当成功率达到某个门限以上时确认模糊度正确；也可通过失败率判断，如当失败率达到某个门限以下时确认该模糊度正确；也可以成功率和失败率同时判断。
(9)固定失败率模糊度确认算法。在模糊度解算时，根据模糊度的误差协方差矩阵以及系统设定的最大错误概率，可以估计其LAMBDA搜索结果的成功率。只有当成功率达到某个门限以上，确认该模糊度正确。
(10)多历元Kalman滤波算法。单个历元计算出的基线、位置结果误差较大，使用Kalman滤波器对多历元进行滤波，可以提高定位精度，实现水平1-2mm、竖直2-3mm的定位计算精度。
二、在输电线路上试点应用和测试
请参阅图2所示，选取某输电线路的多个有倒伏隐患的电力铁塔，在塔基位置布设多套北斗倒伏监测终端，通过“载波相位差分定位技术”解算监测点倒伏信息，上述数据通过无线公网4G发送至远程网络服务器平台，从而实现对每座电力铁塔塔基的倒伏监测和可视化。当检测到异常情况时及时通知有关部门采取措施，以保障电力传输系统的安全可靠运行。
三、安全措施
(1)APN数据专网模式：国家电网公司内部网络中配置APN服务器，现场监测设备使用APN数据专网，由于采用数据专网，服务器与公网Internet隔离，可以有效避免非法入侵。
(2)内网卡SIM卡的唯一性：采用内网卡授权，在网络侧对卡号和APN进行绑定，划定用户可接入系统的范围，只有属于国家电网公司的SIM卡才能访问专用APN网络。
(3)数据加密：可对整个数据传送过程进行加密保护。舞动监测数据按照规约打包后，进一步采用南瑞或普华加密芯片加密后，通过4G方式发送至国家电网公司统一状态监测主站。
(4)网络接入安全鉴定机制：采用防火墙软件，设置网络鉴权和安全防范功能，保障系统安全。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：一种卫星天线相位中心偏差计算方法及装置