為提高礦區電網安全穩定運行性能，做好電網遠程維護與電力搶修期間的安全調度，針對電網防外破、電力桿塔實時監測與通信傳輸問題，研究了北斗+無線自組網技術的電力桿塔監測融合應用，研發了電網電力桿塔遠程實時監測與自動預警系統，可實現電網防外破實時預警、電力桿塔沉降與傾斜位移實時監測、檢修人員的野外應急通信保障。研究結果表明監測系統可及時有效地進行電網與桿塔健康狀況預警，降低電網電力線路的故障率，保障用電安全，有效保障電網安全穩定性能。

文章來源：《智能礦山》2025年第1期理事單位特刊“學術園地”專欄

第一作者：孫宗罡，高級工程師，現任山東華聚能源股份有限公司副總工程師，主要從事自動化與信息化融合、數字化與業務融合企業深度變革轉型方面的研究。E-mail：sunzg@ykenergy.com

作者單位：山東華聚能源股份有限公司；北斗天地股份有限公司

引用格式：孫宗罡，李志華，劉亞，等. 基于北斗+無線自組網技術的礦區電力桿塔監測系統[J].智能礦山，2025，6(1)：107-112.

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近年來，礦山電網輸電線路安全問題突出，亟須解決輸電線路桿塔實時監控與故障早期預警問題。電力專用信息網絡只覆蓋到變電所，長距離輸電線路區域沒有信息傳輸網絡，存在網絡與信息盲區，很難采集現場視頻流與線路運維數據，回傳到電力運維數據中心，監測人員很難及時發現外力破壞，快速定位故障點并及時排除隱患故障。

礦區電網輸電線路長且外界環境復雜，在實際輸電線路運行工作中存在諸多隱患，部分輸電線路處于建筑物密集區、塌陷區、道路樹障跨越區等易受外力破壞，造成線路跳閘、倒桿，導致停電事故發生，輸電線路安全運行存在諸多危險因素。

針對近年來出現的轄區內地方電網大面積停電、公用通信信息網絡中斷等情況，急需建設長距離電力應急救援靈活組網通信保障系統。滿足礦區電網防外破實時預警、電力桿塔沉降位移實時監測。為避免監測預警信息公網傳輸的不穩定問題，采用無線自組網通信的方式實時傳輸，保障桿塔預警、監測數據可及時傳輸到調度中心。

礦區供電系統日常運維存在問題

（1）在村莊與工業廠房密集區、環境惡劣區

（如塌陷、水浸）、道路樹障跨越區、施工現場機械設備集中區域，多電力線路桿塔易發生外力破壞（簡稱外破）事件；風箏、塑料袋等異物覆蓋輸電線路造成短路跳閘；現有人工巡視、分散運維管理的方法，不能及時發現和預防外力破壞，無法快速故障處置，需要對現場實時圖像、運行數據與音頻信息進行有效采集。

（2）在災變條件下，電網應急保障和緊急搶修，急需獲取現場視頻數據、電力監測運行數據，采用公共網絡通信系統很難及時保障到位。

（3）針對鐵塔狀態監測，多采用定時定期人工巡查方式，了解鐵塔位置及狀態參數，缺少有效遠程監控預警數據，故障診斷和應急處置效率低、及時性與準確性差。

目前，電力桿塔監控及巡檢方式主要包括衛星巡視、無人機巡檢、傳統圖片式視頻監控，衛星巡視實時性差、巡視周期長、租賃成本高，不適合規模化推廣應用；無人機巡視巡檢區域小，并且巡檢為周期性數據，不滿足實時監測；傳統圖片式視頻監控通過攝像頭捕捉桿塔及其周邊環境狀況，實現輸電線路監控，需要通過運營商公共網絡進行通信，以上監測方式存在5個方面的問題。

（1）采用運營商網絡進行數據傳輸，只適用于具備公網傳輸條件的區域。

（2）5G未覆蓋、4G信號弱化的區域明顯受限。

（3）光伏風能在森林、沙漠等信號未覆蓋，應用受限。

（4）桿塔監控視頻實時傳輸數據流量龐大，通過公網物聯卡方式傳輸，長時間實時運行成本高，基本采用15～30min定期抓圖形式，為圖片式監控，不滿足實時預警，缺少有效的監督聯動手段。

（5）存在網絡不穩定、安全風險高等問題，在地方大面積停電情況下，還存在斷網風險。

礦區電力桿塔監測系統總體設計

針對礦區供電系統日常運維過程中存在的問題，基于北斗+無線自組網+AI視頻監控技術，研究礦區輸電線路桿塔狀態實時監控、防外破、電力檢維修和應急搶修的監測管理系統，為礦區電力桿塔與線路保駕護航。融合應用開發北斗+無線自組網+視頻監控技術，研發出電力行業的防外破預警系統和應急通信保障系統。按照系統業務數據流分為物理層、網絡層、數據層、應用層4層，礦區電力桿塔監測系統組成如圖1所示，系統整體設計主要包括4個部分內容。

圖1 礦區電力桿塔監測系統組成

（1）建設礦區電網防外破實時預警系統，以實時視頻數據作為信息支撐，通過自動識別施工機械異物入侵自動告警。告警支持現場告警和后臺告警2種方式，為運維及應急救援提供快速決策依據。

（2）采用北斗高精度自動化監測方式，實時采集桿塔的沉降、傾斜等位移變化數據，實現電力桿塔24h安全監測，自動采集電力桿塔沉降、位移和傾斜變化值，水平監測精度±2.5mm，高程監測精度為±5mm。

（3）基于無線自組網通信技術音視頻數據傳輸，保障視頻實時傳輸，節省物聯網流量成本，日常系統維護簡單，傳輸系統容災能力強；在大面積停電、應急搶修的特定場景下，也可以保障視頻的實時傳輸。

（4）針對電力巡視、應急搶修期間的長線路通信問題，采用窄帶自組網對講機、智能手持終端等設備，為電力巡檢人員、搶修人員提供定位及應急通信保障，同時可以現場監測桿塔狀態，滿足電力搶修現場與遠程指揮中心音視頻通信。

礦區電力桿塔監測系統基于北斗+無線自組網技術的礦區電力桿塔監測系統，為輸電線路桿塔狀態實時監控、電力檢維修和應急搶修提供通信支撐服務，為輸電線路整體運行提供時空數據，優化了應急搶險處置流程和重點區域防外破預警手段。

整體通過無線自組網組網方式，實現全線路桿塔通信網絡覆蓋，并將數據上傳到監控平臺。在礦區沿線桿塔部署無線自組網電臺，實現全線路覆蓋。各桿塔之間的監控圖像通過無線自組網方式回傳到變電所，變電所與監控中心平臺之間通過原有的電力專網連接，通過組合方式，實現整個電力桿塔線路的通信連接。智能手持終端可以與沿線桿塔的WIFI連接，實現聯網查看桿塔狀態。

礦區電力桿塔監測系統關鍵技術

3.1 無線自組網通信技術

無線自組網是以FPGA+CPU+AD9361的硬件架構，從物理層集成構建2種組網方式，包括窄帶傳輸通道和寬帶業務傳輸通道2個無線傳輸通道。窄帶傳輸通道用來傳輸對講語音、位置等小業務數據；寬帶業務傳輸通道用來傳輸視頻、北斗原始數據、傳感數據等大數據量業務。

無線傳輸通道在MAC層采用節點聚合技術完成寬帶信道融合，實現多鏈路聚合，在網絡層形成聚合云，在單一無線節點中聚合多種異構網絡資源，節點在二層實現網絡化，統一頻點、通道、空間3個維度，提升無線網絡的環境適應性和傳輸能力。

無線自組網通信技術是動態組建的網狀網、無主站健壯性網絡，基于多節點自主中繼，從MAC層開始構建高速動態的通信協議。基于動態時隙分配策略，在有限網絡節點信息中進行最優信息傳輸，節約IP層網絡資源；采用Rerouteflow技術，實現無線發射功率與業務傳輸速率自適應，動態調節網絡節點的發射功率和傳輸速率。

無線自組網實現終端之間自動中繼，提高覆蓋效果和傳輸距離；自組網多節點通過接收信號質量和場強自動判決啟動轉發，將中繼由網絡層多跳單點中繼，提升為物理層多跳多點中繼，網絡數據從線狀中繼提升為網狀中繼，基于物理層接收信號質量和場強自動判決，并進行多點信號合并，自組網節點聚合如圖2所示。

圖2 自組網節點聚合

無線自組網節點縱向實現了不同異構網絡平面單節點聚合，橫向聚合實現了任意2個節點IP層單跳直達，提升了網絡性能和效率。窄帶自組網射頻部分采用擴頻通信技術，寬帶自組網采用COFDM調制技術，利用MCU決策控制功能整合分配數據，選擇通信鏈路進行數據傳輸，實現多應用環境的組網傳輸。

3.2 北斗高精度監測技術

北斗高精度變形監測為集結構分析計算、計算機技術、通信技術、網絡技術、傳感器技術等為一體的綜合系統工程。電力桿塔在短時間內未出現很大位移，需通過觀測整體微小變形量，構造統計分析模型，預測變形體長期變化趨勢，為后續分析決策提供依據。北斗接收終端接收衛星原始數據后，通過協議封裝，基于自組網絡傳輸，將數據發送給后端解算引擎，解算引擎對封裝后的數據進行解析和處理，主要包括以下6個方面。

（1）針對動態相對定位中電離層變化快、殘余誤差較大的情況，通過改進現有的周跳探測方法提高探測效果，進一步研究利用多頻觀測值信息探索新的方法。

（2）從GNSS基本的偽距和載波觀測方程出發，推導和建立多頻GNSS動態相對定位的函數模型，并利用大量實測數據分析比較不同條件下雙差相對定位模型，獲得最佳參考星選擇策略。

（3）利用卡爾曼濾波對雙差方程進行求解，獲取相對定位結果的實數解。

（4）針對中長基線距離相對定位解算，采用參數估計方法對對流層延遲誤差和電離層延遲誤差進行處理。

（5）結合多頻多系統動態定位的特點，研究快速確定模糊度的方法。

（6）模糊度固定后，基于驗后殘差檢驗進行粗差探測與消除，或采取抗差卡爾曼濾波方法，通過調整觀測值權矩陣，最終實現降低異常觀測值對參數估計的影響。

為分析桿塔形變，獲得桿塔監測點高精度位置坐標數據，北斗監測系統數據處理流程如圖3所示。

圖3 北斗監測數據處理流程

基于北斗高精度監測技術實時采集并分析電力桿塔變形情況，對分析的數據進行存儲、分類、提取、統計等處理，提供各類報表、圖形，為電力桿塔預警分析提供決策依據和參考，進行及時預警。

網絡鏈路設計部署實施

整條電力線路采用無線自組網通信鏈路進行數據傳輸，保障數據實時和可靠上傳，桿塔監控專用攝像頭通過以太網與無線自組網電臺進行連接，各電臺間通過無線自組網通信連接，在變電所實現監控視頻匯聚，礦區電力桿塔監測系統組網拓撲如圖4所示。

圖4 礦區電力桿塔監測系統組網拓撲

在電力巡檢和應急搶修過程中，工作人員攜帶窄帶自組網對講終端，實現全長4km范圍內語音通信覆蓋；通過配備智能手持終端，實現對電力監測數據實時應用；智能終端帶有北斗定位功能，提供實時位置數據。礦區電力桿塔無線自組網節點屬于固定式組網節點，無線鏈路根據實際通信環境選取最佳無線路由，完成數據最佳傳輸。

4.1 部署實施

以某線路為試點，整條線路約6km，部署AI視頻監控攝像儀實現全線覆蓋。全線區域通過相隔部署方式，每個桿塔部署2個攝像頭，采用背靠背方式安裝，共計18臺攝像機，包括15臺低功耗一體化攝像儀、2臺球機、1臺測溫攝像機，整體部署及覆蓋方式見表1。

表1 桿塔路線攝像頭安裝

4.2 測試效果

整條線路采用無線自組網通信鏈路進行數據傳輸，保障數據實時和可靠上傳，桿塔監控專用攝像頭通過以太網與無線自組網電臺進行連接，各電臺之間通過無線自組網進行通信連接。RSSI強度為-5～-75dB，鏈路實際傳輸性能可靠，現場的AI視頻圖像遠程傳輸如圖5所示，移動偵測圖像如圖6所示。

圖5 遠端AI視頻監控圖像

圖6 移動偵測圖像

總結

（1）在組網傳輸方面，開發出寬窄帶一體化無線自組網，滿足電力行業重要區域的專用網絡覆蓋及復合數據應用，彌補電網輸電線路實時監測與靈活組網通信應用的空白；通過整體實施部署應用，全方面實現電力桿塔的安全監測、數據傳輸，并取得了顯著效果。

（2）在監測方式方面，基于北斗高精度監測技術，實現電力桿塔的自動化監測與預警分析；基于AI視頻圖像分析技術，將圖像分析和預警模型結合，形成桿塔防外破預警、沉降監測數據預警，彌補了無人機、人工等常規監測的空白。

（3）在應急保障方式方面，構建遠端無線應急通信保障系統，實現數據遠端傳輸和檢維修組群通信功能，在應急環境下，支持遠端桿塔線路故障診斷和現場緊急通信保障，提供了桿塔線路監測監控的全新解決方案。

END

編輯丨李莎

審核丨趙瑞

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《智能礦山》

Journal of Intelligent Mine

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主編：王國法院士

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