輸電線路在線監(jiān)測與故障診斷技術(shù)研究

黃禮華，黃慶華

（1.中國電力工程顧問集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430071；2.中國電力工程顧問集團(tuán)華東電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200063）

輸電線路在線監(jiān)測與故障診斷技術(shù)研究

黃禮華1，黃慶華2

（1.中國電力工程顧問集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430071；2.中國電力工程顧問集團(tuán)華東電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200063）

輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)是實(shí)施設(shè)備狀態(tài)檢修及全壽命周期管理的基礎(chǔ)，隨著各類監(jiān)測、診斷技術(shù)的研究和發(fā)展，監(jiān)測裝置的測量精度和評估準(zhǔn)確度得到了一定提升。對比分析了當(dāng)前主要輸電線路在線監(jiān)測技術(shù)的研發(fā)進(jìn)展，指出其存在的不足，并展望了在線監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展方向。

輸電線路；在線監(jiān)測；信號變送；通信傳輸；智能診斷

0　引言

輸電線路主要由鐵塔、基礎(chǔ)、導(dǎo)線、地線、金具、絕緣子等組成，構(gòu)成組件的類型較少，但絕對數(shù)量較大，線路的任何一處出現(xiàn)故障都可能引起整條線路的停運(yùn)，對電力系統(tǒng)的沖擊巨大。隨著經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展速度的加快，線路沿線污穢等級提升及鳥害影響造成的線路污閃問題日益明顯。局部環(huán)境和微氣象對線路安全運(yùn)行的影響也是線路運(yùn)行維護(hù)工作的重要難點(diǎn)。導(dǎo)線舞動和風(fēng)偏所造成的危害也時(shí)有發(fā)生。對輸電線路進(jìn)行在線監(jiān)測與故障診斷是提高電力系統(tǒng)可靠度的重要措施。通過各類在線監(jiān)測裝置及時(shí)評估線路存在的安全隱患并準(zhǔn)確預(yù)警對輸電線路的安全可靠運(yùn)行具有重要意義。

輸電線路在線監(jiān)測與故障診斷是在不影響輸變電設(shè)備正常運(yùn)行的條件下，對設(shè)備的電氣、機(jī)械等狀態(tài)參量進(jìn)行連續(xù)或者分時(shí)檢測，獲取能表征設(shè)備電氣及機(jī)械性能等運(yùn)行狀態(tài)的特征參量，并通過故障分析與診斷來評估設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

一般而言，在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)由4個(gè)部分構(gòu)成，包括信號變送系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、通信傳輸及數(shù)據(jù)處理和診斷系統(tǒng)，如圖1所示。以下重點(diǎn)研究信號變送系統(tǒng)中傳感器的選用、監(jiān)測數(shù)據(jù)的通信傳輸以及故障診斷等內(nèi)容。

1　信號變送系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

目前技術(shù)較為成熟且應(yīng)用較多的輸電線路在線監(jiān)測與故障診斷裝置有3大類，具體如下：

（1）導(dǎo)線在線監(jiān)測裝置類：包括導(dǎo)線覆冰監(jiān)測、導(dǎo)線溫度監(jiān)測、導(dǎo)線舞動及微風(fēng)振動監(jiān)測；

（2）桿塔在線監(jiān)測裝置類：包括桿塔傾斜監(jiān)測、視頻圖像監(jiān)控；

（3）環(huán)境在線監(jiān)測裝置類：雷電在線監(jiān)測、微氣象環(huán)境監(jiān)測、現(xiàn)場污穢度監(jiān)測、山火在線監(jiān)測。

以下重點(diǎn)分析絕緣子污穢、導(dǎo)線弧垂、導(dǎo)線舞動和風(fēng)偏的信號變送系統(tǒng)研究進(jìn)展。

圖1　在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)組成

1.1絕緣子污穢在線監(jiān)測

電力系統(tǒng)高壓運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，污閃是影響線路外絕緣的主要問題。在嚴(yán)重污穢情況下，絕緣子電氣強(qiáng)度將大幅降低，污穢絕緣子在較低電壓條件下就會發(fā)生閃絡(luò)。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，目前在電網(wǎng)事故中絕緣子污閃比例僅次于雷害，其造成的損失卻為雷害的10倍。

國內(nèi)高壓絕緣子污穢在線監(jiān)測的主要方法分為2類：一類為非接觸式監(jiān)測法，另一類是接觸式監(jiān)測法。從現(xiàn)有研究成果來看，目前并沒有統(tǒng)一的能精確表征絕緣子運(yùn)行狀態(tài)的特征量，相關(guān)污穢閃絡(luò)機(jī)理的研究也沒有統(tǒng)一結(jié)論。非接觸式絕緣子在線監(jiān)測方式，如超聲波、激光、紅外測溫、無線電波、電暈攝像機(jī)等都需要去現(xiàn)場進(jìn)行逐個(gè)檢測，且存在造價(jià)高、環(huán)境干擾大、檢測不夠全面等缺點(diǎn)。國際大電網(wǎng)會議第33屆委員會推薦了等值鹽密法、表面污層電導(dǎo)率法、泄漏電流脈沖計(jì)數(shù)法、最大泄漏電流法和絕緣子污閃電位梯度法作為測量污穢度的方法。相關(guān)研究結(jié)果表明，綜合電壓、溫度和濕度等影響因素的泄漏電流能較為全面地描述絕緣子的污穢狀況，基于泄漏電流測量的傳感器也能達(dá)到很高的測量精度。因此，泄漏電流是目前檢測絕緣子污穢程度中最被認(rèn)可的、最容易檢測和處理的特征量之一。

1.2導(dǎo)線弧垂在線監(jiān)測

輸電線路的弧垂是線路設(shè)計(jì)和運(yùn)行的重要指標(biāo)之一。導(dǎo)線的動態(tài)增容、溫度、應(yīng)力、覆冰厚度及環(huán)境風(fēng)速等因素變化均會導(dǎo)致線路弧垂發(fā)生變化。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，導(dǎo)線弧垂過小會導(dǎo)致其應(yīng)力增大，影響線路的機(jī)械特性；弧垂過大則會導(dǎo)致對地安全距離不足，影響線路的運(yùn)行安全。

目前，常用的導(dǎo)線弧垂測量方法有4種：利用多顆衛(wèi)星采用GPS監(jiān)測導(dǎo)線弧垂；通過測量導(dǎo)線應(yīng)力和溫度計(jì)算導(dǎo)線弧垂；通過攝影技術(shù)并進(jìn)行圖像處理計(jì)算導(dǎo)線弧垂；通過測量導(dǎo)線懸掛點(diǎn)傾斜角計(jì)算導(dǎo)線弧垂。相比而言，基于導(dǎo)線傾角監(jiān)測的方法有著算法簡單、監(jiān)測精度高且投入成本低等優(yōu)點(diǎn)，使其得到了相對廣泛的應(yīng)用。

1.3導(dǎo)線舞動和風(fēng)偏監(jiān)測

在輸電線路實(shí)際運(yùn)行環(huán)境中，經(jīng)常會發(fā)生導(dǎo)線舞動現(xiàn)象。導(dǎo)線舞動具有振幅大、持續(xù)時(shí)間長等特點(diǎn)，頻繁發(fā)生舞動會導(dǎo)致相間閃絡(luò)及金具損壞，造成線路跳閘或引起導(dǎo)線損傷及倒塔等嚴(yán)重事故，給輸電線路帶來巨大的安全隱患。

對于導(dǎo)線舞動的機(jī)理，國外學(xué)者進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)和理論研究，提出了Den Hartog垂直舞動理論、O.Nigol扭轉(zhuǎn)舞動理論、P.Yu的偏心慣性耦合失穩(wěn)說、陣風(fēng)誘發(fā)說等。國內(nèi)的相關(guān)研究，自1987年湖北中山口大跨越發(fā)生舞動而導(dǎo)致斷線后開始得到重視。

目前，對導(dǎo)線舞動監(jiān)測主要有2種方式：一種是通過視頻采集和圖像識別技術(shù)的方法；另一種是通過傳感器采集導(dǎo)線舞動特征參數(shù)的方法。相比而言，基于圖像識別技術(shù)的舞動在線監(jiān)測，雖然可根據(jù)直觀的視頻/圖像信息分析導(dǎo)線的舞動情況，但受限于現(xiàn)有圖像處理算法等因素，其精度還有待進(jìn)一步提高。而基于位移傳感器、加速度傳感器的輸電導(dǎo)線舞動在線監(jiān)測技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對導(dǎo)線舞動特征參數(shù)，包括舞動的半波數(shù)、舞動頻率、舞動幅值、舞動時(shí)的導(dǎo)線張力等信息的監(jiān)測，能更為全面、精確地反映現(xiàn)場實(shí)際情況；在傾角傳感器的配合下，還能實(shí)現(xiàn)對導(dǎo)線風(fēng)偏的監(jiān)測。

2　通信傳輸技術(shù)研究現(xiàn)狀

通信傳輸是在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)。為了安全、穩(wěn)定、高速地傳輸各類在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，需要綜合考慮監(jiān)測裝置的通信協(xié)議、設(shè)備布點(diǎn)及裝置供電等一系列問題。

早期的信號傳輸主要采用GSM/GPRS/3G等無線公網(wǎng)方式，但是隨著在線監(jiān)測裝置及各類監(jiān)測數(shù)據(jù)的急劇增長，無線公網(wǎng)方式在傳輸帶寬、信號覆蓋面及運(yùn)行維護(hù)成本等方面均無法滿足現(xiàn)有輸電線路在線監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展要求。

而且，隨著中短距離無線通信組網(wǎng)技術(shù)及光通信傳輸技術(shù)的發(fā)展，輸電線路在線監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸逐漸向電力局域?qū)＞W(wǎng)傳輸方式轉(zhuǎn)變，部分電網(wǎng)公司也開始了基于中短程無線及長距離光纖通信傳輸?shù)幕旌辖M網(wǎng)應(yīng)用試點(diǎn)。

目前，就技術(shù)發(fā)展而言，較為成熟的中短程無線組網(wǎng)技術(shù)有ZigBee，W i-Fi，W iMAX（全球微波互聯(lián)接入）等?？衫肸igBee技術(shù)的低功耗、低成本及W i-Fi，W iMAX技術(shù)的高帶寬、中距離傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，在設(shè)備現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)各類監(jiān)測信息的就地匯聚，并通過遠(yuǎn)距離通信傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)與主控端數(shù)據(jù)處理與診斷系統(tǒng)間的信息交互。

在遠(yuǎn)程通信傳輸技術(shù)方面，隨著OPGW光纜建設(shè)的全面覆蓋使得基于光傳輸技術(shù)的監(jiān)測數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸成為可能。

利用隨線OPGW光纜中1-2根備用光纖芯構(gòu)建的EPON（以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)）網(wǎng)絡(luò)能在安全性、可靠性及傳輸帶寬等方面滿足在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸要求，且其充分利用現(xiàn)有空閑光纖資源，建設(shè)成本較低，也無需為設(shè)備提供單獨(dú)電源。

除此之外，為減少輸電線路OPGW光纜破口數(shù)量，進(jìn)一步保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，實(shí)際應(yīng)用中也有采用OPGW+光纖工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)的組網(wǎng)傳輸方式。

3　故障診斷系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

故障診斷是根據(jù)檢測系統(tǒng)提供的信息，包括監(jiān)測到的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)處理結(jié)果，對設(shè)備的健康狀態(tài)進(jìn)行分析評估的方法。為了實(shí)現(xiàn)輸電設(shè)備診斷的自動化和智能化，很多智能診斷方法被引入到輸電線路在線監(jiān)測裝置中。目前體系較為成熟的診斷方法主要有人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷、模糊診斷、灰色系統(tǒng)診斷、粗糙集理論診斷、小波診斷和專家診斷等。

重慶大學(xué)的研究人員通過對污穢絕緣子閃絡(luò)機(jī)理的研究，提出了基于3特征量的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)污穢度預(yù)測模型。華北電力大學(xué)的研究人員根據(jù)目前輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)存在的預(yù)測功能不完善，不能進(jìn)行趨勢分析，狀態(tài)評估功能不夠完善，缺少狀態(tài)檢修建議等不足，設(shè)計(jì)了輸電線路在線監(jiān)測評估輔助決策系統(tǒng)。通過構(gòu)建基于Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的預(yù)測模型，實(shí)現(xiàn)了包括覆冰厚度、泄漏電流、桿塔傾斜角度等信息的趨勢預(yù)測，并構(gòu)建了對應(yīng)于輸電線路在線監(jiān)測參數(shù)的基于多屬性模糊層次法的評估模型，根據(jù)不同的告警級別給出狀態(tài)檢修的建議。劉暢等人基于模糊馬爾科夫原理，以輸電線路年最大覆冰厚度值為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對下一年或幾年的線路覆冰最大值進(jìn)行預(yù)測，并根據(jù)多變量灰色預(yù)測模型，結(jié)合覆冰季節(jié)冰厚以及其他氣象數(shù)據(jù)，預(yù)測輸電線路的瞬時(shí)覆冰值。王峰等人根據(jù)搜集到的運(yùn)行中輸電線路舞動數(shù)據(jù)，利用模糊綜合評判法對其舞動狀態(tài)進(jìn)行了評估。

上述各種診斷方法均在一定程度上提高了在線監(jiān)測裝置的自動化程度，但由于監(jiān)測量與設(shè)備故障之間缺乏直接的對應(yīng)關(guān)系，其分析準(zhǔn)確度還有待進(jìn)一步提高。

4　存在的問題及展望

4.1存在的問題

由于在線監(jiān)測技術(shù)及相關(guān)裝置研究發(fā)展時(shí)間較短，且監(jiān)測裝置運(yùn)行環(huán)境惡劣，導(dǎo)致其在穩(wěn)定性、可靠性及監(jiān)測精度等方面還存在一定不足，主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：

（1） 監(jiān)測裝置穩(wěn)定性與可靠性不足。由于缺乏統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，部分在線監(jiān)測裝置制造標(biāo)準(zhǔn)偏低，直接導(dǎo)致相關(guān)裝置故障率較高，信息處理能力差，頻繁發(fā)生誤報(bào)警、漏報(bào)警等問題。

（2） 監(jiān)測精度及電磁兼容性能不足。受限于當(dāng)前傳感器技術(shù)發(fā)展水平及特征量選取等因素，部分在線監(jiān)測裝置測量精度與離線測量結(jié)果存在較大偏差，且部分監(jiān)測裝置抗電磁干擾性能較弱，使得測量結(jié)果可信度較低。

（3） 相關(guān)理論不夠完善。諸如污穢絕緣子閃絡(luò)和導(dǎo)線舞動等機(jī)理研究還未有統(tǒng)一的研究結(jié)論，對在線監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性造成一定的影響。

（4） 故障診斷算法有待優(yōu)化。目前部分故障診斷技術(shù)還停留在實(shí)驗(yàn)室模擬或仿真分析階段，部分實(shí)際使用的診斷算法評估準(zhǔn)確性還有待提高。

（5） 信息孤島問題突出?，F(xiàn)有在線監(jiān)測裝置大都根據(jù)某一類監(jiān)測需求設(shè)計(jì)，從而導(dǎo)致監(jiān)測信息重復(fù)性較高，且由于各類監(jiān)測信息的數(shù)據(jù)格式和接口不同，使得信息交互困難，形成信息孤島。

4.2展望

為實(shí)現(xiàn)輸電設(shè)備的狀態(tài)檢修，需要輸電線路在線監(jiān)測裝置提供穩(wěn)定、準(zhǔn)確、可靠、全面的監(jiān)測信息。為此，需要對在線監(jiān)測裝置質(zhì)量保障、監(jiān)測特征量選取、相關(guān)理論算法及信息融合等方面開展進(jìn)一步的研究工作，其未來發(fā)展方向主要為：

（1） 在線監(jiān)測裝置的統(tǒng)一化、標(biāo)準(zhǔn)化、集成化。以統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)打造各類在線監(jiān)測產(chǎn)品線，保障監(jiān)測裝置的穩(wěn)定、可靠運(yùn)行，并通過傳感器集成技術(shù)實(shí)現(xiàn)輸電線路在線監(jiān)測裝置的低功耗、多參量、高精度監(jiān)測。

（2） 監(jiān)測技術(shù)多元化。緊隨相關(guān)技術(shù)發(fā)展水平，進(jìn)一步研究機(jī)器人巡線、無人機(jī)巡線、光纖傳感器等新興監(jiān)測技術(shù)，積極推進(jìn)基于OPGW光纖的通信傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)輸電設(shè)備的全方位監(jiān)測及監(jiān)測信息的遠(yuǎn)距離、大帶寬傳輸。

（3） 信息模型全景化。積極開展輸電設(shè)備全景信息模型研究工作，實(shí)現(xiàn)各類在線監(jiān)測信息、自動化系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)信息及資產(chǎn)管理信息的挖掘和融合，推進(jìn)設(shè)備狀態(tài)檢修及全壽命周期管理的實(shí)施。

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2015-09-22；

2016-03-26。

黃禮華（1984-），男，工程師，主要從事電力系統(tǒng)二次規(guī)劃設(shè)計(jì)工作，email：w olfh lh@qq.com。

黃慶華（1987-），男，工程師，主要從事電力系統(tǒng)送電線路設(shè)計(jì)工作。