基于CORS的输电塔监测系统

2019-10-08罗啸宇卢秀慧邓为东谢文平

军民两用技术与产品 2019年9期

罗啸宇卢秀慧邓为东谢文平

（1.广东电网有限责任公司电力科学研究院，广州 510080；2.北京航天光华电子技术有限公司，北京 100854）

长期以来，在外力干扰或恶劣自然环境的影响下，沿海一带易发生台风等极端天气的地区，输电塔基易产生形变、沉降、倾斜及位移，进而造成相应杆塔位置和角度的改变，带来倒塔、断线及跳闸等灾害。为此，有必要针对重点关注的线路输电塔，使用定位精度达到厘米级的卫星定位服务参考站（Continuously Operating Reference Stations，CORS）技术、传感器技术、网络通信技术等先进技术开展对输电塔的变形监测，实现输电塔的实时监测监控和危险评估，供运维部门决策。

以计算机技术、数据通信技术、现代互联网（LAN/WAN）技术及全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）定位技术为基础的CORS系统由连续运行参考站、数据通信链路、数据中心和用户终端组成。CORS系统通过在一个区域内建立一个或多个连续运行的参考站，并与监控中心组成网络，为用户提供不同的全球定位系统（Global Positioning System，GPS）原始数据及载波相位差分技术（Real-time Kinematic，RTK）改正数、状态信息，用户只需一台GPS接收机即可实现高精度、实时的导航定位。

本文采用基于CORS系统的位移监测技术，将GNSS接收机安装到被监测物上进行输电塔位移监测，将经过检验的GNSS观测值主动、实时地发送给用户，满足不同层次的用户需求，有效解决了观测点与被测体因距离近而导致测试结果无效及不便实时监测的问题。

1 系统结构

系统包含硬件系统及软件系统两部分：硬件由主监测设备和辅助监测设备组成。主监测设备也就是基于 CORS的位移监测设备，主要用于监测塔顶的实时动态变形的长期静态变形；辅助设备主要包括风速仪、加速度传感器、倾角传感器，用于测量风速、塔身加速度、塔身倾斜角度等参数。监测数据通过4G模块传输到服务器进行显示和处理。设备采用太阳能供电系统进行供电，保障设备长时间野外作业。软件主要用于数据分析、处理、存储及对外提供文本、图形化等方式的数据信息显示。系统结构如图1所示。

图1 系统结构图

2 硬件设计与实现

硬件系统框图如图2所示。

2.1 GNSS定位系统

定位系统主要由GNSS接收机和天线组成，用于接收北斗导航信号。针对输电杆塔周围多路径、电磁波干扰严重的应用环境，本文选取带多路径抑制功能的天线。

图2 硬件系统框图

输电塔位移监测分为静态监测及动态监测，静态监测采用静态后处理模型，动态监测采用实时动态处理模型。动态监测终端设备安装于输电塔顶部，GNSS天线接收定位卫星原始数据来定位该点的地理位置，GNSS接收机利用原始数据解算出具体地理位置数据，通过4G通信模块把初步定位数据发送至远程CORS服务系统上，GNSS接收机接收CORS服务器返回的VRS差分修正数，并利用网络RTK技术进行定位解算。采用网络RTK技术，扩大了作业半径，使得作业精度均等，从而得出塔顶的实时位置坐标信息。静态监测终端设备安装于输电塔塔基，GNSS接收机将原始数据通过4G网络发送给中心站，中心站利用原始数据进行解算，得出基础的位移信息。在CORS网络覆盖范围内，确保了定位精度及测绘系统的统一。

2.2 传感器模块

压电式加速度传感器是一种机电换能器，用于测量物体的振动加速度，具有测量范围广、质量轻、体积小、频响范围广、抗干扰能力强及测量精度高等优势。本文选用基于压电晶体的压电效应工作的高分辨率、高精度的压电式加速度传感器（ULT2031S），安装于输电塔顶部及塔中位置，用于测量两2个高度4个方向的加速度变化量，测量范围为±2g，分辨率为5×10-5g，频率响应范围为0.25Hz。

倾角传感器经常用于系统的水平角度变化测量，理论基础是牛顿第二定律。本文选用集成化较高的倾角传感器模块（WTU125-L30V），安装于输电塔顶部，用于测量输电塔的倾斜角度，测量范围为±30°，测量灵敏度为10＂。

超声风速风向传感器的工作原理是利用超声波时差法来实现对风速的测量，通过超声波在空气中传播的时差来计算风速和风向，有效地克服了机械式风速风向仪易磨损的缺陷。本文选用基于超声波原理的风速风向一体传感器（HS-FSSB01），将其安装于输电塔塔身距地10m左右的位置，用于测量输电塔周边的风速风向，测量风速为0~60m/s，测量精度为±0.3m/s，风向测量范围为0°~359°，测量精度为±3°。

温湿度计选用温湿度一体化的传感器（RSWS-N01-8），安装于输电塔塔身位置，用于测量输电塔周边温湿度，测量范围为-40~50℃，温度测量精度为±0.5℃，湿度测量范围为5%RH~100%RH，湿度测量精度为±2%RH。

2.3 4G模块

4G标准具有通信速度快、网络频谱宽、通信方式灵活、兼容性好及智能性高等优势。4G通信技术工作频率高，受电磁干扰影响小，适用于在高压环境下的远程通信。

监测站与服务器之间的通信通过4G模块实现，数据业务下行速率最高可以达到 100Mbit/s，上行速率最高可以达到50Mbit/s，本文选用有人科技的全网通模块G785，该模块为工业级设计产品，符合电力现场的温度电压需求，具有防雷击设计，RS485接口防浪涌1kV，RS485接口电源隔离，防止电力环境如电弧等对设备的损害，适合本系统所处的应用环境。

2.4 太阳能供电系统

目前，输电线路在线监测系统的供电方式以太阳能和蓄电池联合供能的太阳能供电系统为主，太阳能光伏发电不受地理环境等因素的影响，负载通过太阳能控制器获取太阳能电池板的电能。当供电系统产生的能量充足时，多余的能量储存在蓄电池中；当产生的能量不足时，不足的部分则由蓄电池提供。供电系统主要由太阳能电池板、蓄电池及控制器组成。

本文选用TSWB-LYP200 AHA型号电池，电池容量为200A·h，质量为7.9kg，尺寸为361mm×55.5mm×256mm。为满足系统24V供电电压需求，后端电压转换选用VRB4824LD-30WR3电源处理模块。太阳能电池板选用4串型号为GS-SP-50W的太阳能电池板，输出电压为64V，总功率为200W，总质量为3.5kg，单块板尺寸为1060mm×272mm×5mm。

3 软件设计与实现

服务器软件为浏览器/服务器模式（Browser/Server，B/S）、客户机/服务器模式（Client/Server，C/S）嵌套结构，C/S软件主要用于数据分析、处理及存储。“.NET Framework”中提供的Socket通信具备完整的异步/同步接收/处理能力。本文的数据处理采用异步Socket通信技术、多线程编程技术，不必阻塞性地等待消息或者返回值。B/S软件主要用于对外提供文本、图形化等方式的数据信息显示，采用My SQL数据库，使用模型–视图–控制器（Model View Controller，MVC）框架，Model层使用Java，View层使用Java Script，Controller层使用Java，服务器配置Java EE环境，服务器容器采用Tomcat。服务器软件流程图如图3所示。

图3 服务器软件流程图

3.1 数据处理

网络环境下的Socket应用，采用TCP/IP协议，分为监听客户端连接请求线程、接收客户端数据线程、解析客户端数据线程、存储客户端数据线程及调度线程等5个核心线程。监听客户端连接请求线程采用Socket的异步方法；接收客户端数据线程接收到数据包后存入包队列，供解析客户端数据线程调用，最后调用存储客户端数据线程，实现了数据包的接收、解析、存储分开处理的功能，优化了服务器处理高并发场景的能力；调度线程用来处理数据包队列异常、关闭等操作。

系统采样周期为10Hz，即每秒存储10条数据，系统需24h不间断运行，每天每套设备采集监测数据量为24×60×60×10=864000条，两套设备每年监测的数据量为864000×365×2=630720000条。

3.2 数据存储

本系统每天产生80万行数据，写入和查询数据的比例为4:1，涉及所有历史数据的读取，随着系统规模的不断增加，数据量和并发量不断增加，有高并发量等特点，海量数据的存储和访问是整个监测系统的关键技术。为了确保系统的稳定性和扩展性，本文采用垂直拆分和水平拆分相结合的数据切分技术来提高网站性能，分流数据库并发压力，使数据库表更具条理性。数据库由数据表组成，每个数据表代表不同的业务类型，通过不同的业务类型对数据库进行垂直拆分，分成不同的数据库，垂直拆分降低了单点机器的负载。垂直拆分后遇到单机负载过重时，采用水平拆分，分成不同数据表，水平拆分提高了数据读写操作的效率，尤其是写操作的效率。

假设database表中有1000万条数据，每插入一条新的数据后，数据库会针对这张表重新建立索引，在1000万行数据中索引会占用大量的内存。数据库的拆分一般遵循某种特定的规则，常见的拆分方式包括：基于某个整数类型字段的指定数目取模，基于某个时间类型字段的指定时间范围，基于某个字符类型字段的Hash 值。本文采用对ID主键Hash取模的切分规则，将数据平均分布到一个数据库的不同表中，例如，将database分为database_001，database_002，…，database_100共计100个子表，100个子表水平拼合后，又重新组成一个完整的database表，每个子表里包含10万行数据。插入一条数据后，数据库在这10万行数据中重新建立索引，消耗的时间及占用的内存将下降一个数量级，提高了数据库的操作效率，节省了内存。

同时，本文采用数据库存储预编译过程，启动服务器后将存储过程加载到高速缓存中，再次调用无需通过编译，提高了执行效率。

3.3 数据备份

庞大的数据量使数据库的维护和备份变得尤为重要，为了避免数据的丢失，在服务器的备份和恢复中，采用数据冷备与热备相结合的方式，定时将每月数据导为文件，以文件二维表的形式保存，虽然维护度低，但有较高的安全度。工作磁盘运行时，备用磁盘同时待命，当工作磁盘发生读写故障时，自动启动备用磁盘，备用磁盘将立即代替故障磁盘进入工作状态，这样既提高了维护度，也保证了安全性。