輸電線路預(yù)警系統(tǒng)研究

劉 文，袁建華

（三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院電氣工程系，湖北宜昌443002）

0 引 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力加強(qiáng)，電網(wǎng)得到不斷發(fā)展，輸電線路走廊區(qū)域不斷擴(kuò)大，由此帶來(lái)更多的電網(wǎng)安全運(yùn)行問(wèn)題。從國(guó)家電網(wǎng)公司近幾年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)看，造成線路跳閘的各種原因中，外力破壞的次數(shù)上升趨勢(shì)明顯，成為除雷害以外線路運(yùn)行的最大安全隱患。外力破壞故障主要由違章施工作業(yè)，盜竊、破壞電力設(shè)施，房障、樹(shù)障、交叉跨越公路，在輸電線路下焚燒農(nóng)作物，山林失火等造成。盡可能地避免外力對(duì)輸電線路的危害，是保障電網(wǎng)安全運(yùn)行的重要保證［8］。

近年來(lái)國(guó)家電網(wǎng)公司在特高壓輸電技術(shù)國(guó)際會(huì)議上正式發(fā)布了“堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)”發(fā)展戰(zhàn)略。通過(guò)研究設(shè)計(jì)高壓輸電線路在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、高效的反應(yīng)線路運(yùn)行參數(shù)，減少巡線工作量，加快修復(fù)速度，減小停電損失。文獻(xiàn)［4］研究基于小波變換的直流輸電線路故障定位技術(shù)。文獻(xiàn)［7］采用輸電線路上已有的OPGW光纜、接頭包資源來(lái)部署光纖以太網(wǎng)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電線路風(fēng)偏舞動(dòng)、覆冰、桿塔傾斜等在線監(jiān)測(cè)。

這些文獻(xiàn)主要考慮故障發(fā)生后，對(duì)故障點(diǎn)進(jìn)行定位，對(duì)于外力破壞的監(jiān)測(cè)較少?；诖耍疚奶岢鲚旊娋€路預(yù)警系統(tǒng)，利用超聲波測(cè)距、GPS定位技術(shù)和聲波報(bào)警裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)外力破壞的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，避免外力對(duì)輸電線路的影響，保障大電網(wǎng)安全。

1 系統(tǒng)工作原理

不論是違章作業(yè)、盜竊、還是樹(shù)障、房障和在輸電線路下焚燒農(nóng)作物等，輸電線路外力破壞故障存在的顯著特點(diǎn)即存在人員靠近輸電線路鐵塔附近，處于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范規(guī)定的安全范圍以?xún)?nèi)。本系統(tǒng)通過(guò)超聲波測(cè)距模塊在線監(jiān)測(cè)有無(wú)人員及施工作業(yè)車(chē)輛靠近或處于輸電線路絕緣安全范圍以?xún)?nèi)，當(dāng)人員或施工作業(yè)車(chē)輛處于危險(xiǎn)區(qū)域，系統(tǒng)立刻觸發(fā)聲波報(bào)警裝置及時(shí)響應(yīng)，遠(yuǎn)端中心監(jiān)控室通過(guò)GPS定位系統(tǒng)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)警報(bào)所在地區(qū)，當(dāng)警報(bào)持續(xù)時(shí)間超過(guò)規(guī)定值，施工維修人員能及時(shí)到達(dá)故障點(diǎn)，防止輸電線路發(fā)生破壞，影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

輸電線路預(yù)警系統(tǒng)主要包括：超聲波測(cè)距模塊、GPS模塊和聲波報(bào)警裝置，該系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝在輸電線路鐵塔橫檔附近，通過(guò)監(jiān)測(cè)移動(dòng)物體與輸電線路鐵塔絕緣安全距離，達(dá)到報(bào)警效果。

2.1 超聲波測(cè)距模塊

超聲波是指頻率高于20 k Hz的聲波。超聲波指向性強(qiáng)，在介質(zhì)中傳播距離遠(yuǎn)，可以用于距離的測(cè)量。利用超聲波檢測(cè)距離，設(shè)計(jì)方便、計(jì)算處理簡(jiǎn)單，并且在測(cè)量精度方面也能達(dá)到要求［12］。

圖1 輸電線路預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

超聲波測(cè)距模塊中超聲波傳感器包括超聲波發(fā)送器和接收器。根據(jù)輸電線路規(guī)程規(guī)范，輸電線路鐵塔絕緣安全距離一般比較小，不超過(guò)10 m，因此該系統(tǒng)中超聲波傳感器選常用的壓電式超聲波換能器，即發(fā)射超聲波時(shí)將電能轉(zhuǎn)換成發(fā)射超聲波而在收到回波的時(shí)候則將超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。

超聲波測(cè)距的原理一般采用時(shí)間差測(cè)距法。測(cè)出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時(shí)間乘以超聲波的速度，得到二倍的聲源與障礙物之間的距離。通過(guò)超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播時(shí)碰到障礙物就立即返回，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為v，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄時(shí)間差△t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離S。超聲波測(cè)距模塊可實(shí)現(xiàn)2 cm～7 m的非接觸測(cè)距功能，供電電壓為5 V，靜態(tài)功耗低于3 m A，支持GPIO通信模式，工作穩(wěn)定可靠。

超聲波發(fā)射模塊電路如圖2所示，升壓變壓器可自制，線圈線徑為0.8 mm，初級(jí)線圈匝數(shù)為50，次級(jí)線圈匝數(shù)為350。從P35端輸入40 k Hz的控制信號(hào)。

圖2 超聲波傳感器發(fā)射模塊電路圖

2.2 聲光報(bào)警裝置

聲光報(bào)警模塊內(nèi)有電磁線圈和發(fā)光二極管、喇叭等，其工作原理簡(jiǎn)單且模塊化程度較高，可以非常方便從市場(chǎng)上獲得成品，將其通過(guò)細(xì)導(dǎo)線接入主機(jī)即可。聲光報(bào)警模塊接收主機(jī)的命令，啟動(dòng)并作出相應(yīng)報(bào)警動(dòng)作。

2.3 GPS模塊

GPS模塊主要是通過(guò)GPS接收機(jī)與衛(wèi)星之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)報(bào)警定位功能，減少巡線工作量。定位原理一般由公式（1）～（4）［6］確定。輸電線路工程中根據(jù)地形及電壓等級(jí)情況，各基桿塔之間檔距一般較大，而且現(xiàn)今GPS模塊定位精度較高一般在10 m以?xún)?nèi)，不會(huì)出現(xiàn)由于檔距問(wèn)題而出現(xiàn)定位偏差情況。本系統(tǒng)中GPS模塊選用MEB-1280GPS，MEB-1280模塊是全球體積最小的GPS模塊，定位精度高（3 m），不會(huì)受到城市綠化樹(shù)木的影響。當(dāng)超聲波測(cè)距傳感器檢測(cè)到移動(dòng)物體出現(xiàn)在鐵塔絕緣安全距離以?xún)?nèi)時(shí)，聲波報(bào)警裝置立即響應(yīng)，同時(shí)GPS模塊通過(guò)衛(wèi)星和接收機(jī)之間的數(shù)據(jù)聯(lián)系，確定報(bào)警具體位置，并通過(guò)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)將GPS數(shù)據(jù)傳送到中心數(shù)據(jù)庫(kù)中。

式中，Xi，Yi，Zi為第i顆衛(wèi)星的空間坐標(biāo)；X，Y，Z為GPS接收機(jī)的地理坐標(biāo)；C為GPS信號(hào)傳播速度；Vti為衛(wèi)星鐘差；Vt0為接收機(jī)鐘差。

3 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

當(dāng)系統(tǒng)中超聲波傳感器模塊監(jiān)測(cè)到有移動(dòng)物體靠近鐵塔時(shí)，通過(guò)其測(cè)距功能，判斷該移動(dòng)物體是否滿足在鐵塔絕緣距離以外，如果檢測(cè)到移動(dòng)物體與鐵塔絕緣距離小于規(guī)范要求7 m，則系統(tǒng)立刻發(fā)出指令，聲光報(bào)警裝置響應(yīng)動(dòng)作，對(duì)移動(dòng)物體發(fā)出警報(bào)。如果警報(bào)時(shí)間持續(xù)較長(zhǎng)，超過(guò)系統(tǒng)設(shè)定值，則GPS定位系統(tǒng)將警報(bào)所在區(qū)域數(shù)據(jù)傳送至中心管理系統(tǒng)。反之，GPS模塊不動(dòng)作。該系統(tǒng)詳細(xì)流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)程序流程圖

隨著我國(guó)電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行變得十分重要。如何避免故障、快速定位故障區(qū)域，減少檢修時(shí)間，防止大面積長(zhǎng)時(shí)間停電變得十分重要?；谕饬ζ茐墓收鲜请娏ο到y(tǒng)中導(dǎo)致跳閘的重要因素，通過(guò)輸電線路預(yù)警系統(tǒng)，能在一定程度上避免外力對(duì)電網(wǎng)的影響，通過(guò)GPS定位功能快速到達(dá)預(yù)警地區(qū)，減小巡檢時(shí)間，加快故障修復(fù)速度。該預(yù)警系統(tǒng)可以保障電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行，提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。

［1］邵天曉.架空送電線路的電線力學(xué)計(jì)算（第二版）［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2003.

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