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摘要：杆塔倾斜属于典型的隐形故障，在杆塔倾斜现象发生的发展初期，巡线人员很难用肉眼观察到其微小变化。当其发生沉降时，输电线路已处于危险状态。特别是在台风等自然灾害发生时，需要快速统计杆塔倒杆、倾斜数量，用于应急救灾的计划安排。鉴于此，本文研发了一种杆塔倾斜监测及统计装置可以发现杆塔变形和倾斜，并找出其发生、发展的特点，及时掌握倾斜杆塔的变化，预见其发展程度，及时采取相应措施，确保线路的安全运行。
关键词：无线传感器;输电杆塔;在线监测;系统设计
0引言
输电杆塔发生倾斜的原因，通常有恶劣气候（如台风、龙卷风等）、矿石开采、工程施工以及其他外力破坏等。对于我国珠江三角洲地区来说，这里地势平坦，每年都有数个台风登陆，是龙卷风易发区。而广东龙卷风最为多发的佛山地区，因为台风、龙卷风等导致的线路断线倒杆塔、故障跳闸等事件时有发生。
2015年10月受台风“彩虹”影响，禅城、顺德等多处发生停电。佛山市电网受影响停电客户共94253户，负荷损失146.7MW。风灾共造成佛山电网5个110kV变电站失压，全市共45.1KM 10kV及以上供电线路受损，133回10kV及以上线路跳闸：1基220kV铁塔倒塌，188支10kV电杆（塔）断杆，倒杆，倾斜，4台配变受损。
本次杆塔倾斜状态监测装置的成功研发，从技术层面上可以在灾害发生时或灾害发生后迅速定位倒杆塔，为灾后快速复电提供最时效的倒塔定位信息。大范围推广后，必将对我们今后的灾后快速复电工作大有帮助。
1基于无线传感器的输电杆塔倾斜在线监测系统总体设计
本研究中开发的监测装置采用电容微型摆锤原理，在地球重力的作用下，通过对装置中的电容量向量进行分析和转换最终得到输电杆塔的倾斜角度。装置总体组成部分有：①系统内核，数字输出型双轴倾角无线传感器×1;②转换器，高精度16bit A/D转换器×1;③其他传感器，高精度数字传感器。其中，高精度数字传感器的主要作用，是保证不同温度下的装置运行精度。倾斜监测原理见图1。
其中，Ur和Us分别表示摆锤的左极板电压和右极板电压。一旦传感器出现倾斜，传感器中的Ur和Us会产生一定的规律变化，计算传感器斜角（a）的公式为：
对于输电杆塔来说，需要计算的倾斜角主要有横向倾斜角和纵向倾斜角两种，传感器通过计算杆塔在直角坐标系中的倾斜量，将分析结果储存到装置中的存储器中。杆塔综合倾斜角（α）的计算方法为：
其中，α1、α2分别表示杆塔的横向倾斜角和纵向倾斜角。
本次设计的基于无线传感器的输电杆塔倾斜在线监测系统主要包括杆塔倾斜监测模块、GPRS通信模块和后台管理系统三部分。整体设计框架见图2。
本次系统中的杆塔倾斜监测模块主要由倾角传感器、主板、供电装置和数据处理装置以及TSM无线模块构成。这些装置被紧密固定于杆塔上，对杆塔的倾斜状况进行实时监测。系统中的GPRS模块主要由主板、温度传感器、供电装置和GPRS模块构成。这些装置主要作用为远程传输数据和接收主站控制指令。主站管理系统创新性地采用主机+手机的管理方式，增强了数据管理和风险处理的灵活性。
2杆塔倾斜监测装置设计
2.1防电磁干扰设计
电磁干扰主要影响系统中的供电模块，因此在本系统中，对供电芯片模块加装了抗干扰单元。如图3所示，抗干扰单元主要包括四方面：①自恢复保险丝，图中F1;②并联的压敏电阻，图中VDR1;③并联陶瓷放电管，图中RV2;④防反二极管，图中D10;瞬态抑制二极管，图中D9。
2.2GPRS通信模块设计
本次系统设计，笔者选用了整体式的西门子MC55 GSM/GPRS通信模块，该模块技术成熟、设计紧凑、体积较小，且在系统低功耗状态下能够实现3mA电流运行，非常适合无线式信号传输。在接线方式的上，系统GPRS通信模块两侧分别与DSP芯片和SIM卡卡座电路相连，实现监测模块与后台管理系统的无线通信。
2.3控制流程设计
系统控制流程图见图4所示。开始运行之前，首先要对系统的PSW值、中断向量入口地址进行初始化和设置，对系统的主时钟、RSS时钟、GPIO、定时器等设备进行初始化，通电进入数据采集状态，然后进入系统测量模式，读取采集频率为8Hz状態下的数据实时数据。通过对采集数据进行计算，得到杆塔的综合倾斜数据。最后将所得数据通过GPRS模块上传。
3主站管理系统设计
3.1结构设计
本次系统设计中，输电杆塔倾斜监测系统由一个中心主站和若干个监测子站组成。中心主站与各个子站之间通过GPRS连接。一旦发生杆塔倾斜事故，各个监测子站可以立即通过IP地址分析，将事故数据发送到中心主站系统，中心主站系统通过对实时数据进行分析、计算和处理呈现给工作人员，从而提醒线路运维人员对线路运行状况予以关注并采取相应处置措施
3.2软件平台设计
本次主站管理系统主要采用三层架构统一开发的模式。三层架构主要为：①数据层，主要作用是封装访问倾斜监测设备的通信接口，并针对设备和数据的处理方法提供参考意见;②业务逻辑层，主要作用是根据不同的工作环节对反馈回的各种数据进行逻辑分析和处理;③应用表示层，主要是直观显示数据并实现人机交互。具体来说，三层架构的主要功能如下。
数据层：能够提供数据实时处理和访问功能，可以查询各个监测区任一杆塔的状态数据，如终端设备状态、杆塔倾斜状态、电池剩余电量等。
业务逻辑层：业务逻辑层的具体功能包括三方面。第一，能够判断用户是否具有对该系统的访问权限;第二，能够根据用户信息，判断用户是否具有站点管理的权限;第三，将不同的工作流程进行逻辑处理，通过分析，将统计结果呈现到应用展示环节。 应用表示层：应用表示层的功能主要是指令交互和数据呈现。用户可以通过APP、浏览器对数据进行远程操控和查询。
4应用案例及效果
4.1应用案例
本文以佛山禅城供电局为例，将每一个输电塔定位一个通信节点，在每一个输电塔上安装1到3个监测装置，系统的组网方案如图5所示。监测装置将收集到的数据通过GPRS传送到监控中心。
通过对数据的实时监控，装置对输电杆塔的受力、变形情况进行了呈现。工作人员能够根据数据准确分析出影响杆塔倾斜状况的危险因素，并积极制定施工方案对杆塔进行优化。
4.2应用效果
本次研发出的系统具有集成度高、安装简单的特点，工作人员不需要进行培训就可以对装置进行正常安装。且该装置监测精度较高，已经在佛山部分地区进行了实际应用。结果表明，该装置能够准确反映输电杆塔的倾斜、变形和扭动情况，感应灵敏且数据传送及时。此外，该装置对于杆塔施工过程中的杆塔受力以及变形情况也有很好的监测效果，在对杆塔进行安装或修缮时，该装置能够帮助工作人员及时发现危险因素，保证工作安全进行。
5结语
本文针对传统输电线路运维管理工作的不足，提出了开发新的输电杆塔的构想，研发了一套杆塔倾斜状态监测装置，能够实现杆塔倾斜状态的在线监测。该装置能够通过GPRS进行无线实时通信，将监测区域内的若干输电杆塔倾斜情况进行处理。系统精度高，能够進行双向倾斜角度（延线路方向和垂直于线路方向）实时监测，且杆塔倾斜状态监测装置无需专业工具即可安装，简单地与杆塔固定后，就可以监测杆塔的倾斜状态。克服了传统的巡线检修依靠人工、拼时间、凭经验的运维检修模式，在实际运营过程中效果优秀。
参考文献
[1] 刘云备，蔡来良. 基于TLS 的高压线塔倾斜度监测[J].测绘工程，2016，25（8）：65-69.
[2] 张云鹏.三维激光扫描数据同名特征点提取研究[D].徐州：中国矿业大学，2014（8）.
[3] 何丽，李嘉，郑德华.基于栅格的点云数据的边界探测方法[J].测绘工程，2013，22（3）：69-72.
[4] 周柯宏，张烨，舒佳.输电线路杆塔倾斜度在线监测系统[J].广东电力.2013，26（7）：57-61.
[5] 吴跃斌.基于高精度传感技术的输电杆塔倾斜监测系统研究和应用[J].自动化与仪器仪表，2018（9）：46-52.
关键词：无线传感器;输电杆塔;在线监测;系统设计
0引言
输电杆塔发生倾斜的原因，通常有恶劣气候（如台风、龙卷风等）、矿石开采、工程施工以及其他外力破坏等。对于我国珠江三角洲地区来说，这里地势平坦，每年都有数个台风登陆，是龙卷风易发区。而广东龙卷风最为多发的佛山地区，因为台风、龙卷风等导致的线路断线倒杆塔、故障跳闸等事件时有发生。
2015年10月受台风“彩虹”影响，禅城、顺德等多处发生停电。佛山市电网受影响停电客户共94253户，负荷损失146.7MW。风灾共造成佛山电网5个110kV变电站失压，全市共45.1KM 10kV及以上供电线路受损，133回10kV及以上线路跳闸：1基220kV铁塔倒塌，188支10kV电杆（塔）断杆，倒杆，倾斜，4台配变受损。
本次杆塔倾斜状态监测装置的成功研发，从技术层面上可以在灾害发生时或灾害发生后迅速定位倒杆塔，为灾后快速复电提供最时效的倒塔定位信息。大范围推广后，必将对我们今后的灾后快速复电工作大有帮助。
1基于无线传感器的输电杆塔倾斜在线监测系统总体设计
本研究中开发的监测装置采用电容微型摆锤原理，在地球重力的作用下，通过对装置中的电容量向量进行分析和转换最终得到输电杆塔的倾斜角度。装置总体组成部分有：①系统内核，数字输出型双轴倾角无线传感器×1;②转换器，高精度16bit A/D转换器×1;③其他传感器，高精度数字传感器。其中，高精度数字传感器的主要作用，是保证不同温度下的装置运行精度。倾斜监测原理见图1。
其中，Ur和Us分别表示摆锤的左极板电压和右极板电压。一旦传感器出现倾斜，传感器中的Ur和Us会产生一定的规律变化，计算传感器斜角（a）的公式为：
对于输电杆塔来说，需要计算的倾斜角主要有横向倾斜角和纵向倾斜角两种，传感器通过计算杆塔在直角坐标系中的倾斜量，将分析结果储存到装置中的存储器中。杆塔综合倾斜角（α）的计算方法为：
其中，α1、α2分别表示杆塔的横向倾斜角和纵向倾斜角。
本次设计的基于无线传感器的输电杆塔倾斜在线监测系统主要包括杆塔倾斜监测模块、GPRS通信模块和后台管理系统三部分。整体设计框架见图2。
本次系统中的杆塔倾斜监测模块主要由倾角传感器、主板、供电装置和数据处理装置以及TSM无线模块构成。这些装置被紧密固定于杆塔上，对杆塔的倾斜状况进行实时监测。系统中的GPRS模块主要由主板、温度传感器、供电装置和GPRS模块构成。这些装置主要作用为远程传输数据和接收主站控制指令。主站管理系统创新性地采用主机+手机的管理方式，增强了数据管理和风险处理的灵活性。
2杆塔倾斜监测装置设计
2.1防电磁干扰设计
电磁干扰主要影响系统中的供电模块，因此在本系统中，对供电芯片模块加装了抗干扰单元。如图3所示，抗干扰单元主要包括四方面：①自恢复保险丝，图中F1;②并联的压敏电阻，图中VDR1;③并联陶瓷放电管，图中RV2;④防反二极管，图中D10;瞬态抑制二极管，图中D9。
2.2GPRS通信模块设计
本次系统设计，笔者选用了整体式的西门子MC55 GSM/GPRS通信模块，该模块技术成熟、设计紧凑、体积较小，且在系统低功耗状态下能够实现3mA电流运行，非常适合无线式信号传输。在接线方式的上，系统GPRS通信模块两侧分别与DSP芯片和SIM卡卡座电路相连，实现监测模块与后台管理系统的无线通信。
2.3控制流程设计
系统控制流程图见图4所示。开始运行之前，首先要对系统的PSW值、中断向量入口地址进行初始化和设置，对系统的主时钟、RSS时钟、GPIO、定时器等设备进行初始化，通电进入数据采集状态，然后进入系统测量模式，读取采集频率为8Hz状態下的数据实时数据。通过对采集数据进行计算，得到杆塔的综合倾斜数据。最后将所得数据通过GPRS模块上传。
3主站管理系统设计
3.1结构设计
本次系统设计中，输电杆塔倾斜监测系统由一个中心主站和若干个监测子站组成。中心主站与各个子站之间通过GPRS连接。一旦发生杆塔倾斜事故，各个监测子站可以立即通过IP地址分析，将事故数据发送到中心主站系统，中心主站系统通过对实时数据进行分析、计算和处理呈现给工作人员，从而提醒线路运维人员对线路运行状况予以关注并采取相应处置措施
3.2软件平台设计
本次主站管理系统主要采用三层架构统一开发的模式。三层架构主要为：①数据层，主要作用是封装访问倾斜监测设备的通信接口，并针对设备和数据的处理方法提供参考意见;②业务逻辑层，主要作用是根据不同的工作环节对反馈回的各种数据进行逻辑分析和处理;③应用表示层，主要是直观显示数据并实现人机交互。具体来说，三层架构的主要功能如下。
数据层：能够提供数据实时处理和访问功能，可以查询各个监测区任一杆塔的状态数据，如终端设备状态、杆塔倾斜状态、电池剩余电量等。
业务逻辑层：业务逻辑层的具体功能包括三方面。第一，能够判断用户是否具有对该系统的访问权限;第二，能够根据用户信息，判断用户是否具有站点管理的权限;第三，将不同的工作流程进行逻辑处理，通过分析，将统计结果呈现到应用展示环节。 应用表示层：应用表示层的功能主要是指令交互和数据呈现。用户可以通过APP、浏览器对数据进行远程操控和查询。
4应用案例及效果
4.1应用案例
本文以佛山禅城供电局为例，将每一个输电塔定位一个通信节点，在每一个输电塔上安装1到3个监测装置，系统的组网方案如图5所示。监测装置将收集到的数据通过GPRS传送到监控中心。
通过对数据的实时监控，装置对输电杆塔的受力、变形情况进行了呈现。工作人员能够根据数据准确分析出影响杆塔倾斜状况的危险因素，并积极制定施工方案对杆塔进行优化。
4.2应用效果
本次研发出的系统具有集成度高、安装简单的特点，工作人员不需要进行培训就可以对装置进行正常安装。且该装置监测精度较高，已经在佛山部分地区进行了实际应用。结果表明，该装置能够准确反映输电杆塔的倾斜、变形和扭动情况，感应灵敏且数据传送及时。此外，该装置对于杆塔施工过程中的杆塔受力以及变形情况也有很好的监测效果，在对杆塔进行安装或修缮时，该装置能够帮助工作人员及时发现危险因素，保证工作安全进行。
5结语
本文针对传统输电线路运维管理工作的不足，提出了开发新的输电杆塔的构想，研发了一套杆塔倾斜状态监测装置，能够实现杆塔倾斜状态的在线监测。该装置能够通过GPRS进行无线实时通信，将监测区域内的若干输电杆塔倾斜情况进行处理。系统精度高，能够進行双向倾斜角度（延线路方向和垂直于线路方向）实时监测，且杆塔倾斜状态监测装置无需专业工具即可安装，简单地与杆塔固定后，就可以监测杆塔的倾斜状态。克服了传统的巡线检修依靠人工、拼时间、凭经验的运维检修模式，在实际运营过程中效果优秀。
参考文献
[1] 刘云备，蔡来良. 基于TLS 的高压线塔倾斜度监测[J].测绘工程，2016，25（8）：65-69.
[2] 张云鹏.三维激光扫描数据同名特征点提取研究[D].徐州：中国矿业大学，2014（8）.
[3] 何丽，李嘉，郑德华.基于栅格的点云数据的边界探测方法[J].测绘工程，2013，22（3）：69-72.
[4] 周柯宏，张烨，舒佳.输电线路杆塔倾斜度在线监测系统[J].广东电力.2013，26（7）：57-61.
[5] 吴跃斌.基于高精度传感技术的输电杆塔倾斜监测系统研究和应用[J].自动化与仪器仪表，2018（9）：46-52.