高壓輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)

上官安琪

（武漢大學，武漢 430072）

近幾年，我國特高壓輸電技術(shù)發(fā)展較快，但與之適應的輸電線路在線監(jiān)測技術(shù)起步較晚，監(jiān)測裝置和監(jiān)測系統(tǒng)尚不成熟，輸電線路抵御冰雪、大風等自然災害的能力較弱，這就要求我國必須發(fā)展智能輸電技術(shù)。輸電環(huán)節(jié)智能化有助于充分利用現(xiàn)有電網(wǎng)資源，大幅度提高輸電線路輸送能力，降低輸電成本；優(yōu)化輸電網(wǎng)絡(luò)運行條件，充分發(fā)揮現(xiàn)有輸電線路的效率；提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定水平，促進智能電網(wǎng)的發(fā)展和互聯(lián)；實現(xiàn)狀態(tài)評估、故障診斷、狀態(tài)檢修和風險預警，實現(xiàn)對線路運行狀態(tài)的可控、能控和在控。

1 國內(nèi)在線監(jiān)測設(shè)備研發(fā)及應用現(xiàn)狀

最近幾年，隨著電力系統(tǒng)狀態(tài)檢修工作的開展和智能電網(wǎng)的建設(shè)，輸電線路在線監(jiān)測技術(shù)得到迅速發(fā)展。2008年初的罕見冰雪災害發(fā)生后，國家電網(wǎng)公司、南方電網(wǎng)公司均加大了對輸電線路覆冰、舞動的研究投入，2010年國家智能電網(wǎng)規(guī)劃總報告中提出加大對輸電線路狀態(tài)監(jiān)測裝置及其系統(tǒng)的研制開發(fā)，全面建成覆蓋全網(wǎng)范圍的總部和各網(wǎng)省公司輸電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。

從 1998年開始，國內(nèi)高等院校及廠家陸續(xù)開展了對輸電線路在線監(jiān)測方面的產(chǎn)品的研發(fā)，2000年各電力公司陸續(xù)安裝絕緣子泄漏電流在線系統(tǒng)，由于缺乏應有的判據(jù)一直處于停滯不前狀態(tài)；2002－2004年國內(nèi)相繼研發(fā)成功了輸電線路圖像監(jiān)測系統(tǒng)及輸電線路覆冰監(jiān)測系統(tǒng)，目前國內(nèi)應用量較大，據(jù)估計，覆冰監(jiān)測裝置在國內(nèi)總體應用量在1500余套左右，圖像監(jiān)測裝置在3000套以上，以上兩種產(chǎn)品對線路覆冰監(jiān)測及線路巡視維護提供了很大的作用。2004年后相關(guān)廠家陸續(xù)開發(fā)了線路微氣象監(jiān)測系統(tǒng)、線路導線溫度監(jiān)測系統(tǒng)、線路導線舞動監(jiān)測系統(tǒng)等產(chǎn)品，均得到了一定量的應用。在線監(jiān)測產(chǎn)品制造廠家達到10余家，監(jiān)測裝置總體產(chǎn)品應用量達到1萬臺左右。從2008年開始，南方電網(wǎng)公司召集包括清華大學在內(nèi)的10余廠家召開技術(shù)交流會，對在線監(jiān)測的規(guī)約及通信標準做出了規(guī)定，2009年國家電網(wǎng)公司也啟動了相關(guān)標準的起草工作，目前各廠家的產(chǎn)品能夠達到中心兼容。

2 監(jiān)測裝置各部分的功能與特點

BOOM-OLMS系列輸電線路狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)利用光纖傳感技術(shù)、電子測量技術(shù)、無線通信技術(shù)、太陽能新能源技術(shù)、軟件技術(shù)對導線覆冰、導線溫度、導線弧垂、導線微風振動、導線舞動、次檔距震蕩、導線張力、絕緣子串風偏（傾斜）、桿塔應力分布、桿塔傾斜、桿塔振動、桿塔基礎(chǔ)滑移、絕緣子污穢、環(huán)境氣象、圖像（視頻）、桿塔塔材被盜等進行監(jiān)測。

圖1 高壓輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)功能模塊

2.1 監(jiān)測裝置的電源

安裝在鐵塔上的監(jiān)測裝置統(tǒng)一采用太陽能對蓄電池浮充的方式進行供電，針對我國西南、華東等日照照射相對較弱地區(qū)可采用太陽能及風能對蓄電池進行充電的方式進行供電。監(jiān)測裝置安裝于鐵塔上，安裝較為困難。因此減小設(shè)備體積及重量成為監(jiān)測裝置設(shè)計首要考慮的因素，采用超低功耗技術(shù)，裝置待機電流保持在20mA（12V）以內(nèi)，因此在同等容量電源條件下，裝置可連續(xù)運行時間比目前市面廠家長30%以上。一般情況下數(shù)據(jù)采集裝置配置12V 33AH電池即可連續(xù)運行30天以上，裝置體積小、重量輕，有利于現(xiàn)場安裝。

2.2 監(jiān)測裝置的通信

1）數(shù)據(jù)采集單元（導線溫度、導線舞動、導線張力、導線弧垂等）與塔上監(jiān)測裝置之間采用 RF、Zigbee、WIFI等方式進行通信，通信距離1～3km。

2）塔上監(jiān)測裝置與CMA（狀態(tài)監(jiān)測代理）之間采用RJ45、RF、Zigbee、WIFI等方式進行通信。

3）CMA或集成有CMA功能的監(jiān)測裝置與CAG（狀態(tài)信息接入網(wǎng)關(guān)機）之間采用OPGW、WIFI、GPRS/CDMA/3G、衛(wèi)星等方式進行通信。具備光纖接入條件桿塔上的監(jiān)測裝置，采用光端機將桿塔上的的數(shù)據(jù)傳輸至中心CAG，實現(xiàn)數(shù)據(jù)落地；不具備光纖接入條件桿塔上的監(jiān)測裝置通過無線（WIFI）網(wǎng)絡(luò)將各監(jiān)測裝置數(shù)據(jù)匯總至有光纖接入桿塔上的監(jiān)測裝置，利用光交換機將無線監(jiān)測裝置數(shù)據(jù)傳輸至中心CAG。

2.3 監(jiān)測裝置的功能單元

輸電線路狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)包括覆冰、氣象、圖像（視頻）、導線溫度、導線微風振動、舞動、反外力破壞等產(chǎn)品，上述功能模塊可單獨使用也可任意組合使用。

1）輸電線路覆冰監(jiān)測裝置

輸電線路覆冰在線監(jiān)測系統(tǒng)通過全天候地采集運行狀態(tài)下輸電線路的絕緣子串拉力、絕緣子串風偏角、絕緣子串傾斜角、風速、風向、溫度、濕度等特征參數(shù)，將數(shù)據(jù)信息實時傳輸?shù)椒治鎏幚碇行?，通過智能分析算法計算導線覆冰厚度；相關(guān)部門根據(jù)線路荷載、覆冰厚度及周邊氣象環(huán)境決定是否需要實施預防措施。拉力傳感器采用進口特種不銹鋼設(shè)計，具有抗腐蝕、耐磨、強度高、測量精確度高的特點；系統(tǒng)可結(jié)合局部氣象特點，對覆冰的發(fā)展趨勢進行預測。

2）輸電線路圖像/視頻監(jiān)控系統(tǒng)

輸電線路圖像、視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要利用了先進的數(shù)字視頻壓縮技術(shù)、遠距離GPRS/CDMA/3G無線通信技術(shù)、新能源及低功耗應用技術(shù)、軟件技術(shù)、將電力桿塔、導線現(xiàn)場的圖像經(jīng)過壓縮、分組后通過GPRS/CDMA等無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，從而實現(xiàn)對輸電線路周邊環(huán)境及環(huán)境參數(shù)的全天候監(jiān)測。使線路管理人員在中央監(jiān)控室即可看到桿塔現(xiàn)場信息，將事故消滅在萌芽狀態(tài)。裝置攝像機選用工業(yè)球形攝像機，機芯采用SONY CCD 芯片，具有清晰度高，抗電磁干擾的特點。

3）輸電線路導線溫度監(jiān)測及動態(tài)增容系統(tǒng)

導線溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)通過實時監(jiān)測輸電線路導線溫度、導線電流、日照、風速、風向、環(huán)境溫度等參數(shù)。系統(tǒng)主要由測溫單元、塔上監(jiān)測裝置、通信基站和分析查詢系統(tǒng)四部分組成。其中體積小、重量輕的測溫單元安裝在輸電線路導線或金具上，實時采集導線及金具溫度，并通過Zigbee或RF射頻模塊將數(shù)據(jù)無線上傳至鐵塔上的監(jiān)測裝置。

4）輸電線路導線對地距離（弧垂）監(jiān)測系統(tǒng)

輸電線路導線弧垂監(jiān)測裝置安裝在導線的弧垂最低處或需要監(jiān)測的部位，采用高能電池或?qū)Ь€感應取能技術(shù)，實時測量導線對地距離的變化情況，可及時發(fā)現(xiàn)導線弧垂的變化，避免接地事故的發(fā)生，并可結(jié)合導線的溫度和氣象數(shù)據(jù)對導線預期弧垂進行計算，建立預警機制，確保線路運行和被跨越設(shè)備的安全。該模塊具有體積小、功耗低、測量距離遠、精度高、成本低的特點，可廣泛應用于35～1000kV的交直流輸電線路。

5）輸電線路防盜報警系統(tǒng)

“基于光纖檢測及圖像監(jiān)測技術(shù)的輸電線路防盜報警監(jiān)測系統(tǒng)”，運用光纖探測技術(shù)、圖像監(jiān)測技術(shù)、現(xiàn)代通信技術(shù)、新能源技術(shù)、新軟件技術(shù)，使報警可靠性達98%以上，很好地解決了輸電線路防盜預警的難題，為國內(nèi)首創(chuàng)。

系統(tǒng)由埋在鐵塔周圍（及塔基內(nèi)部）的光纖傳感器、安裝在塔上的智能視頻監(jiān)視及分析裝置組成。當有人靠近鐵塔或攀爬時，光纖報警器發(fā)出預警信號，并把預警信號傳輸給安裝在鐵塔上的圖像監(jiān)測裝置，監(jiān)測裝置收到報警信號后打開攝像機，啟動圖像監(jiān)測功能，進行圖像連拍，將圖像傳輸至監(jiān)控中心，并啟動現(xiàn)場語音告警。

6）光纖傳感報警原理

傳感光纖沒有受到外界干擾情況下，激光信號的傳播路徑，如圖2所示。

圖2

當傳感光纖受到振動或移動時，激光信號的傳輸相位發(fā)生了改變，如圖3所示。

圖3

當傳感光纖受到壓力形變時，激光信號傳輸相位也發(fā)生了改變，如圖4所示。

圖4

傳感光纖內(nèi)激光信號相位的改變時通過光纖調(diào)制器輸出的光強與受到相應的振動對應。 通過對信號進行放大、濾波、數(shù)字化進入嵌入式DSP利用自適應軟件進行分析處理，進而判斷是否進行報警處理。

3 在線監(jiān)測未來發(fā)展方向

在線監(jiān)測技術(shù)作為智能輸電的關(guān)鍵技術(shù)之一，是目前國家智能電網(wǎng)建設(shè)的重要研究方向。未來輸電線路的監(jiān)測技術(shù)主要向以下方向發(fā)展。

1）實用性，經(jīng)過逐步的產(chǎn)品推廣應用，會出現(xiàn)一些主流的應用產(chǎn)品，如覆冰、氣象、圖像、舞動、導線溫度，而其他產(chǎn)品會逐步退出市場應用。

2）應用嵌入式系統(tǒng)為主要方向，ARM 等系統(tǒng)的應用會成為主流，這將有助于提高設(shè)備的可靠性，有利于設(shè)備功能的擴展，提供豐富的接口應用。

3）各種分析、計算、預警等計算模塊將隨著前端裝置CPU計算功能的加強進行遷移。

4）前端傳感器的標準會逐步統(tǒng)一，目前國網(wǎng)、南網(wǎng)只對整套裝置的通信協(xié)議作出相應規(guī)范而沒有對前端傳感器的規(guī)約及接口作出要求。

5）產(chǎn)品重量、體積會大幅度縮小，有利于現(xiàn)場安裝、施工方便，據(jù)個人看法，未來兩年內(nèi)將會出現(xiàn)整套重量低于20kg的產(chǎn)品出現(xiàn)。

4 結(jié)論

綜上所述，建議國家電網(wǎng)公司相關(guān)部門進一步細化相關(guān)技術(shù)標準，統(tǒng)一傳感器接口標準，對設(shè)備的體積重量作出明確規(guī)定，對設(shè)備的無陽光工作時間做出強行測試，對入網(wǎng)設(shè)備的耐候性進行長期模擬測試等以提高設(shè)備的可靠性。

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