创新水土保持监测技术 助力电网绿色建设

　　1月3日，国网陕西省电力有限公司电力科学研究院化学与环保技术室主管雷磊利用基于超声、光敏测量技术的水土保持在线监测系统，完成了2022年雅中—江西±800千伏特高压直流工程14个水土保持在线监测点的监测数据统计工作，并将监测报告发送给相关单位。

　　基于超声、光敏测量技术的水土保持在线监测系统是由国网陕西电力自主研发的。此前，该系统已用于青海—河南±800千伏特高压直流输电工程和张北—雄安1000千伏特高压交流输变电工程水土保持监测工作，助力这两项工程创建“国家水土保持示范工程”。

　　电网大规模建设对生态环境的影响受到社会关注，其中，水土保持是政府行政监督的重点之一。开展有效的水土保持监测是做好电网工程水土保持工作、助力电网绿色建设的重中之重。国网陕西电力探索超声、光敏探测原理相结合的监测技术，实现了电网工程水土保持监测从人工监测到自动监测的转变。

　　研发超声波测钎传感器

　　实现水土保持自动监测

　　陕西省位于黄河流域中段，北部黄土高原地区曾经水土流失严重。陕北能源化工基地及众多重要输电通道都位于该区域。如何有效开展水土保持监测与水土流失治理，保护当地生态环境，是陕西电网建设面临的难题之一。

　　国网陕西电力自2012年开始研究相关问题，逐步成立了由该公司科技与数字化部副主任吴健和雷磊牵头的科研团队。实现全天候、精准的水土保持监测是科研团队首先要解决的问题。

　　水土保持监测的核心是测量地表土壤侵蚀厚度的变化。传统的水土保持监测方式是在监测点地表按“田”字形插入9根标有刻度的钢钎，采用人工方式每月定期到现场查看刻度，根据测量数据计算土壤侵蚀厚度。这种监测方法存在时效性不强、精度不高、受监测人员工作经验影响大等缺点。实现全天候、高精度、自动化监测是大势所趋。

　　2016年7月，雷磊和团队成员对红外线和超声波等常见的自动化测距方法进行了试验比对。红外线测距方法根据从红外线发出到被接收的时间及红外线传播速度计算距离。这种方法易受外界温度干扰，也易受地表局部起伏干扰，且装置成本较高。超声波测距方法是测量超声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差以及超声波在空气中的传播速度计算发射点到障碍物之间的距离。超声波不易受温度、地表局部起伏干扰，装置成本相对较低。由于两种方法可达到的精度相近，科研团队最终选择了超声波测距方法。

　　在此基础上，科研团队确定了使用超声波的最优幅值与频率，研发了土壤侵蚀量超声波测钎传感器。该装置由超声波发射器、钢钎和标准反射面三部分组成。超声波发射器安装在钢钎顶部，标准反射面设置在钢钎底部。传感器、控制主杆和后台水土保持在线监测软件组成水土保持在线监测系统。传感器采集的数据通过4G网络传送至后台，经过筛查、分类存储和分析，形成水土流失数据报表，供电网工程建设管理人员参考。

　　超声波与光敏技术相结合

　　提升监测数据准确性

　　2018年3月，水土保持在线监测系统在西安北750千伏输变电工程中试点应用，支撑了该工程水土保持监测报告的编制。然而，在随后的运行中，科研团队发现了一个问题——由于受外界声环境、地表震动的干扰，传感器在植被恢复阶段监测的数据存在失真情况。

　　“科研不可能一帆风顺，发现了问题就去解决问题。”吴健对团队成员说，大家又开始研究新测量方案。2018年10月，科研团队确定了使用土壤侵蚀量光敏测钎传感器的新技术方案。这种方式是根据太阳光波长及分布选择探测频率最合适的光敏元件，在钢钎上布设光阵列，通过多排差分算法计算土壤厚度变化量。它的优点是无发射元件，不易受外界声环境、地表震动的干扰，且功耗低、可靠性高。2019年6月，土壤侵蚀量光敏测钎传感器研发成功，并在陕北—关中750千伏第二通道输变电工程建设中试点应用。

　　考虑到光敏元件夜晚无法工作，科研团队研究确定了超声波、光敏两种测钎传感器交叉复合布置的技术方案，并在数据处理中引入卡尔曼滤波算法，将两种数据有机融合，实现两种数据相互印证、互为补充。2020年7月，该技术方案在雅中—江西±800千伏特高压直流工程14个水土保持在线监测点试点应用。实测结果显示，与采用单一测钎传感器相比，该技术方案大幅提升了测量的准确性、可靠性。

　　监测精度达毫米级

　　降成本助环保

　　2021年2月24日，以超声、光敏测量技术为核心的水土保持在线监测系统通过中国电力企业联合会科技鉴定委员会的鉴定，得到相关专家的高度认可。该技术监测精度达毫米级，监测数据量较人工方式提高600倍、成本节约97%。

　　2021年9月8日至10日，地处秦岭生态脆弱区的汉中市镇巴县盐场镇发生强降雨天气，连续3天日降雨量达到20毫米以上，其中9月9日达26.5毫米。青海—河南±800千伏特高压直流工程经过该地，沿线塔基周围存在发生水土流失及次生灾害的可能。团队成员利用水土保持在线监测系统查看现场情况，连续3天监测到水土流失量超过15千克。团队成员判断存在地面形成冲蚀沟的隐患，第一时间联系建管单位消除了安全隐患，实现了精准预警。随后，在建设单位组织人员播撒草籽、建设塔基护坡挡土墙和排水沟后，团队成员利用在线监测系统对植物措施、工程措施成效进行长期监测，确保塔基区域水土流失治理到位，在保障电网安全的同时助力生态保护。

　　基于超声、光敏测量技术的水土保持在线监测系统已应用于6项特高压工程、闽粤联网工程及陕西省内多项输变电工程，支撑了电网工程水土保持监测工作。目前，科研团队已获国家专利授权10项、软件著作权18项，发表核心期刊论文26篇。该成果获得中国电力科学技术奖一等奖、陕西省科学技术进步奖二等奖等奖项。