近年来，矿山电网输电线路安全问题突出，亟须解决输电线路杆塔实时监控与故障早期预警问题。电力专用信息网络只覆盖到变电所，长距离输电线路区域没有信息传输网络，存在网络与信息盲区，很难采集现场视频流与线路运维数据，回传到电力运维数据中心，监测人员很难及时发现外力破坏，快速定位故障点并及时排除隐患故障。

矿区电网输电线路长且外界环境复杂，在实际输电线路运行工作中存在诸多隐患，部分输电线路处于建筑物密集区、塌陷区、道路树障跨越区等易受外力破坏，造成线路跳闸、倒杆，导致停电事故发生，输电线路安全运行存在诸多危险因素。

针对近年来出现的辖区内地方电网大面积停电、公用通信信息网络中断等情况，急需建设长距离电力应急救援灵活组网通信保障系统。满足矿区电网防外破实时预警、电力杆塔沉降位移实时监测。为避免监测预警信息公网传输的不稳定问题，采用无线自组网通信的方式实时传输，保障杆塔预警、监测数据可及时传输到调度中心。

矿区供电系统日常运维存在问题

（1） 在村庄与工业厂房密集区、环境恶劣区（如塌陷、水浸）、道路树障跨越区、施工现场机械设备集中区域，多电力线路杆塔易发生外力破坏（简称外破） 事件；风筝、塑料袋等异物覆盖输电线路造成短路跳闸；现有人工巡视、分散运维管理的方法，不能及时发现和预防外力破坏，无法快速故障处置，需要对现场实时图像、运行数据与音频信息进行有效采集。

（2） 在灾变条件下，电网应急保障和紧急抢修，急需获取现场视频数据、电力监测运行数据，采用公共网络通信系统很难及时保障到位。

（3） 针对铁塔状态监测，多采用定时定期人工巡查方式，了解铁塔位置及状态参数，缺少有效远程监控预警数据，故障诊断和应急处置效率低、及时性与准确性差。

目前，电力杆塔监控及巡检方式主要包括卫星巡视、无人机巡检、传统图片式视频监控，卫星巡视实时性差、巡视周期长、租赁成本高，不适合规模化推广应用；无人机巡视巡检区域小，并且巡检为周期性数据，不满足实时监测；传统图片式视频监控通过摄像头捕捉杆塔及其周边环境状况，实现输电线路监控，需要通过运营商公共网络进行通信，以上监测方式存在5个方面的问题。

（1） 采用运营商网络进行数据传输，只适用于具备公网传输条件的区域。

（2） 5G未覆盖、4G信号弱化的区域明显受限。

（3） 光伏风能在森林、沙漠等信号未覆盖，应用受限。

（4） 杆塔监控视频实时传输数据流量庞大，通过公网物联卡方式传输，长时间实时运行成本高，基本采用15～30 min 定期抓图形式，为图片式监控，不满足实时预警，缺少有效的监督联动手段。

（5） 存在网络不稳定、安全风险高等问题，在地方大面积停电情况下，还存在断网风险。

矿区电力杆塔监测系统总体设计

针对矿区供电系统日常运维过程中存在的问题，基于北斗+无线自组网+AI 视频监控技术，研究矿区输电线路杆塔状态实时监控、防外破、电力检维修和应急抢修的监测管理系统，为矿区电力杆塔与线路保驾护航。融合应用开发北斗+无线自组网+视频监控技术，研发出电力行业的防外破预警系统和应急通信保障系统。按照系统业务数据流分为物理层、网络层、数据层、应用层4 层，矿区电力杆塔监测系统组成如图1 所示，系统整体设计主要包括4 个部分内容。

图1　矿区电力杆塔监测系统组成

（1） 建设矿区电网防外破实时预警系统，以实时视频数据作为信息支撑，通过自动识别施工机械异物入侵自动告警。告警支持现场告警和后台告警2 种方式，为运维及应急救援提供快速决策依据。

（2） 采用北斗高精度自动化监测方式，实时采集杆塔的沉降、倾斜等位移变化数据，实现电力杆塔24 h 安全监测，自动采集电力杆塔沉降、位移和倾斜变化值，水平监测精度±2.5 mm，高程监测精度为±5 mm。

（3） 基于无线自组网通信技术音视频数据传输，保障视频实时传输，节省物联网流量成本，日常系统维护简单，传输系统容灾能力强；在大面积停电、应急抢修的特定场景下，也可以保障视频的实时传输。

（4） 针对电力巡视、应急抢修期间的长线路通信问题，采用窄带自组网对讲机、智能手持终端等设备，为电力巡检人员、抢修人员提供定位及应急通信保障，同时可以现场监测杆塔状态，满足电力抢修现场与远程指挥中心音视频通信。

矿区电力杆塔监测系统基于北斗+无线自组网技术的矿区电力杆塔监测系统，为输电线路杆塔状态实时监控、电力检维修和应急抢修提供通信支撑服务，为输电线路整体运行提供时空数据，优化了应急抢险处置流程和重点区域防外破预警手段。

整体通过无线自组网组网方式，实现全线路杆塔通信网络覆盖，并将数据上传到监控平台。在矿区沿线杆塔部署无线自组网电台，实现全线路覆盖。各杆塔之间的监控图像通过无线自组网方式回传到变电所，变电所与监控中心平台之间通过原有的电力专网连接，通过组合方式，实现整个电力杆塔线路的通信连接。智能手持终端可以与沿线杆塔的WIFI连接，实现联网查看杆塔状态。

矿区电力杆塔监测系统关键技术

无线自组网通信技术

无线自组网是以FPGA+CPU+AD9361 的硬件架构，从物理层集成构建2 种组网方式，包括窄带传输通道和宽带业务传输通道2 个无线传输通道。窄带传输通道用来传输对讲语音、位置等小业务数据；宽带业务传输通道用来传输视频、北斗原始数据、传感数据等大数据量业务。

无线传输通道在MAC层采用节点聚合技术完成宽带信道融合，实现多链路聚合，在网络层形成聚合云，在单一无线节点中聚合多种异构网络资源，节点在二层实现网络化，统一频点、通道、空间3个维度，提升无线网络的环境适应性和传输能力。

无线自组网通信技术是动态组建的网状网、无主站健壮性网络，基于多节点自主中继，从MAC层开始构建高速动态的通信协议。基于动态时隙分配策略，在有限网络节点信息中进行最优信息传输，节约IP 层网络资源；采用Reroute flow 技术，实现无线发射功率与业务传输速率自适应，动态调节网络节点的发射功率和传输速率。

无线自组网实现终端之间自动中继，提高覆盖效果和传输距离；自组网多节点通过接收信号质量和场强自动判决启动转发，将中继由网络层多跳单点中继，提升为物理层多跳多点中继，网络数据从线状中继提升为网状中继，基于物理层接收信号质量和场强自动判决，并进行多点信号合并，自组网节点聚合如图2 所示。

图2　自组网节点聚合

无线自组网节点纵向实现了不同异构网络平面单节点聚合，横向聚合实现了任意2 个节点IP 层单跳直达，提升了网络性能和效率。窄带自组网射频部分采用扩频通信技术，宽带自组网采用COFDM调制技术，利用MCU决策控制功能整合分配数据，选择通信链路进行数据传输，实现多应用环境的组网传输。

北斗高精度监测技术

北斗高精度变形监测为集结构分析计算、计算机技术、通信技术、网络技术、传感器技术等为一体的综合系统工程。电力杆塔在短时间内未出现很大位移，需通过观测整体微小变形量，构造统计分析模型，预测变形体长期变化趋势，为后续分析决策提供依据。北斗接收终端接收卫星原始数据后，通过协议封装，基于自组网络传输，将数据发送给后端解算引擎，解算引擎对封装后的数据进行解析和处理，主要包括以下6 个方面。

（1） 针对动态相对定位中电离层变化快、残余误差较大的情况，通过改进现有的周跳探测方法提高探测效果，进一步研究利用多频观测值信息探索新的方法。

（2） 从GNSS基本的伪距和载波观测方程出发，推导和建立多频GNSS 动态相对定位的函数模型，并利用大量实测数据分析比较不同条件下双差相对定位模型，获得最佳参考星选择策略。

（3） 利用卡尔曼滤波对双差方程进行求解，获取相对定位结果的实数解。

（4） 针对中长基线距离相对定位解算，采用参数估计方法对对流层延迟误差和电离层延迟误差进行处理。

（5） 结合多频多系统动态定位的特点，研究快速确定模糊度的方法。

（6） 模糊度固定后，基于验后残差检验进行粗差探测与消除，或采取抗差卡尔曼滤波方法，通过调整观测值权矩阵，最终实现降低异常观测值对参数估计的影响。

为分析杆塔形变，获得杆塔监测点高精度位置坐标数据，北斗监测系统数据处理流程如图3所示。

图3　北斗监测数据处理流程

基于北斗高精度监测技术实时采集并分析电力杆塔变形情况，对分析的数据进行存储、分类、提取、统计等处理，提供各类报表、图形，为电力杆塔预警分析提供决策依据和参考，进行及时预警。

网络链路设计部署实施

整条电力线路采用无线自组网通信链路进行数据传输，保障数据实时和可靠上传，杆塔监控专用摄像头通过以太网与无线自组网电台进行连接，各电台间通过无线自组网通信连接，在变电所实现监控视频汇聚，矿区电力杆塔监测系统组网拓扑如图4 所示。

图4　矿区电力杆塔监测系统组网拓扑

在电力巡检和应急抢修过程中，工作人员携带窄带自组网对讲终端，实现全长4 km范围内语音通信覆盖；通过配备智能手持终端，实现对电力监测数据实时应用；智能终端带有北斗定位功能，提供实时位置数据。矿区电力杆塔无线自组网节点属于固定式组网节点，无线链路根据实际通信环境选取最佳无线路由，完成数据最佳传输。

部署实施

以某线路为试点，整条线路约6 km，部署AI视频监控摄像仪实现全线覆盖。全线区域通过相隔部署方式，每个杆塔部署2 个摄像头，采用背靠背方式安装，共计18 台摄像机，包括15 台低功耗一体化摄像仪、2 台球机、1 台测温摄像机，整体部署及覆盖方式见表1。

表1　杆塔路线摄像头安装

测试效果

整条线路采用无线自组网通信链路进行数据传输，保障数据实时和可靠上传，杆塔监控专用摄像头通过以太网与无线自组网电台进行连接，各电台之间通过无线自组网进行通信连接。RSSI 强度为−5～−75 dB，链路实际传输性能可靠，现场的AI 视频图像远程传输如图5 所示，移动侦测图像如图6所示。

图5　远端AI视频监控图像

图6　移动侦测图像

总 结

（1） 在组网传输方面，开发出宽窄带一体化无线自组网，满足电力行业重要区域的专用网络覆盖及复合数据应用，弥补电网输电线路实时监测与灵活组网通信应用的空白；通过整体实施部署应用，全方面实现电力杆塔的安全监测、数据传输，并取得了显著效果。

（2） 在监测方式方面，基于北斗高精度监测技术，实现电力杆塔的自动化监测与预警分析；基于AI 视频图像分析技术，将图像分析和预警模型结合，形成杆塔防外破预警、沉降监测数据预警，弥补了无人机、人工等常规监测的空白。

（3） 在应急保障方式方面，构建远端无线应急通信保障系统，实现数据远端传输和检维修组群通信功能，在应急环境下，支持远端杆塔线路故障诊断和现场紧急通信保障，提供了杆塔线路监测监控的全新解决方案。

策划：李金松 编辑：李雅楠