智能電網輸電線路在線監測技術分析

胡 博

（國網嵐皋縣供電公司，陜西 嵐皋 725400）

1 輸電線路在線監測必要性以及基本參數

目前，國內電網存在檢修周期較短、設備斷電頻繁、維護成本高、維護工作量大以及供電可靠性差等問題。在我國電網建設中，由于我國電網的不斷發展，常規的檢修方法已不能保證電力系統的運行安全和可靠運行[1]。

（1）電阻的計算。電阻計算公式為

式中：ρ表示電阻率，由導線所使用的材料決定；l表示導線長度；S表示導線橫切面積。R1和R2分別表示導線在溫度t1和t2情況下電阻值；T表示電阻溫度系數，由導線材料決定；t1和t2分別表示溫度。

（2）電容。兩相輸電線路之間的電容計算為

式中：D表示輸電線之間的間距；ε0表示真空介電常數；r表示導線半徑。

2 輸電線路的在線監測技術發展時期

20世紀70年代，輸電線路檢測進入試驗階段，人們只是簡單地對一些傳輸線的絕緣參數進行測試，如泄漏電流，以避免斷電。該階段儀器簡陋、檢測項目不多、敏感性低[2]。20世紀80年代以來，各式各樣的特殊帶電試驗設備相繼問世，現場監測技術由模擬量檢測轉變為數字計量，脫離傳統的將儀表與檢測電路相連的常規計量方式，采用傳感器檢測[3]。20世紀90年代以來，以計算機技術為中心的多用途微型計算機聯用聯機監控裝置應運而生。利用計算機技術、傳感技術、數字化的數據收集與處理技術，實現了對各類測量資料的實時監控，特點是信息量大、處理速度快等[4]。

3 輸電線路智能在線監測

該系統通過太陽能供電、無線網絡傳輸和自動監測等技術，實現對輸變電線路的在線監測。采用圖像視頻處理、超低功耗、無線通信以及太陽能等技術，將監視區域的視頻圖像、氣象信息、覆冰、絕緣子泄漏電流以及弧垂等信息通過無線網絡傳輸至運營監控中心，并將圖像、視頻信息、監控器信息傳輸至各監控員，從而達到全面監視的目的。采用輸變電線路的智能化在線監測，徹底替代手工巡查，及時排除停電事件，從而為電網監控和運行提供行之有效的方法[5]。該系統包括后臺管理平臺、通信網絡、前端監視3個模塊。后臺管理平臺模塊包括監測及網絡監視、資料及影像資料的整理、資料查詢與統計、器材、使用者等；通信網路部一般采用碼分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）或5G網絡進行前端監視及后臺管理平臺傳送資料及影像資料，并依實務需要采用已有的光纖網路及網橋；前端監控系統采用攝像裝置及各類感測器采集影像及資料，再送至后臺管理平臺進行后續的分析。前端的監測系統采用太陽能與風力發電，功率極小，即使在雨天也可使用。目前，高壓輸電管線的監控多為巡視，其監控手段有人工逐塔逐層觀測和直升機航測[6]。

人工逐塔法是由線路監控者沿著一根一根的線路逐一進行檢測，經常要有維護人員爬上塔架進行檢修，以確定塔臺接頭和電線絕緣狀況。這種計算不僅耗費時間，而且工作量大，為員工帶來很多不確定的不穩定因素[7]。

直升機航測的方式是采用直升機沿著飛行路線逐一進行測量，并使用天文望遠鏡和數字攝像機進行空中飛行巡視。這種方式具有節省人力、縮短工期、擴大視角等優勢。但是，使用直升機進行巡邏時成本較大，而且在空中巡邏時存在著較大的風險?；趯ΤＲ帨y試技術的理解，目前急需突破該技術的技術瓶頸。科學、安全、經濟地保證電力系統的可靠度，已成為一種新的技術變革。在線監測技術的突破，為電網輸電線路監控開辟一個嶄新的領域[8]。

4 在線監測技術

當前采用在線監測技術大多集中于對影響輸電線路正常運轉及可能發生的各種故障進行在線監測。如對監控線路絕緣、線路運行和周圍的狀況以及線路的高電阻進行探測和定位。在線監測系統架構如圖1所示。

圖1 在線監測系統架構

4.1 導線微風振動監測技術

微風振動會引起高壓電線的疲勞斷裂，雖然從外表上對輸電線路的損害很小，但危險性很大。輸電線路的微風監控裝置主要作用是輸電導線的導線監控振動器可對導線與線夾接觸以外的一定范圍內的導線進行監控，特別是相關的天氣參數。監控導線微風振動進行，不但減少因微風的震動而造成的危險，而且為輸電線路的抗震設計工作提供一定的依據[9]。

4.2 導線風偏舞動在線監測技術

風偏舞動實時監控系統由氣象采集單元、子站、風偏采集單元和數據處理單元組成。其中氣象采集單元和子站一般布置在對應的塔臺上，風偏采集單元圍繞著線路進行。氣象數據采集設備及風偏計所采集的氣象數據，如風偏角、氣象參數、氣象傾斜角等，由無線電傳輸至資料處理中心，并由資料處理裝置進行處理。采用導線風偏舞動在線監控，為電網的規劃和氣候條件等的規劃工作奠定基礎[10]。

4.3 電纜覆冰監測

由于冷熱兩種動力的交錯作用，導致導線出現結冰現象，在溫度很高的情況下，跨越的距離越遠越會產生結冰，進而引起線路失效。根據結冰特性，可將其分為雨凇、混合結冰、霧凇結冰以及結冰4類。受天氣、地形、道路特性等因素的制約，目前已有的監測手段有天氣資料分析、監控設備視頻觀測、弧垂監測等。

4.4 桿塔傾斜監測技術

在礦井開采區域上方架設的桿塔，受到自然力和重力等相關的影響，極易發生地質災害，如發生錯位、地面開裂、滑坡等地質問題，造成礦井采空區桿塔傾斜甚至地基發生位移，對輸電線路的安全構成有極大的影響。通過全球移動通信系統（Global System for Mobile Communications，GSM），對塔架傾角設備進行在線監測，并對其進行實時預警。桿塔傾斜監測技術在220 kV高壓輸電系統中得到廣泛應用，能夠有效地檢測到桿塔的位移和傾角，從而保障輸電線路的安全運行。

4.5 視頻在線監測技術

輸電線路中的監控系統安裝在林區、居民區、交通事故易發區等場所，在線監測電網的危險因素，并對其進行及時整改。輸電線路視頻監控系統采用視頻壓縮技術、數據傳輸技術等，可對輸電線路的實際運行狀態和有關的環境指標進行在線監測。然而，目前視頻監控系統的運行狀況仍然存在著傳輸量小、現場視頻無法自由控制、信號有時會出現弱信號等問題，而隨著5G網絡和CDMA網絡的迅速發展，利用無線傳輸技術可以實時監控輸電線路。視頻監控系統框架如圖2所示。

圖2 視頻監控系統框架

4.6 在線絕緣子監測

通常，絕緣子的漏電信號主要分為穩態漏電和局放漏電，局放信號的幅度與穩態漏電信號相疊加。在絕緣子處靠近污閃時，會增加電平的振幅，使電場波形發生畸變。特征參量的改變是絕緣子工作狀況的一種表現形式，三相的諧波成分也會發生相應的改變。絕緣子主要工作為配備絕緣子串聯型漏電感應器，對表面穩定和局部放電進行監控，以對其進行表面污染狀態的分析及閃爍報警。最大的漏電振幅由監控的平均漏電決定。

5 輸電線路在線監測技術應用

5.1 傳輸線絕緣子污穢在線監測

通過使用絕緣漏電來判斷絕緣子有無被沾染，現場操作監控分機實時測量絕緣子串，利用線纜或CDMA、5G網絡將故障信號傳遞給檢測中心，并與故障模式相配合?，F已有模糊神經網絡、灰色關聯系統、小波神經網絡等多個專家診斷模式，極大地改善了絕緣子的污染和電隔離判定準確率。目前，利用光電傳感技術對等效附鹽濃度和灰密進行在線監測已取得很大進展。

5.2 傳輸線視頻監測系統

現有可視化監視系統主要包括影像與圖片2種，受監控外機主供電、通信成本等限制，多數以靜態影像來判定線路狀態，如導線覆冰、洪水沖刷、地質不良、火災、通道樹木長高、線路大跨越、導線懸掛異物、線路周圍建筑施工以及塔材被盜等問題，通過互聯網進行圖像數據傳送。但是，針對線路的舞動等動態信息的監控，建議采用視頻監控和網絡技術進行視視頻與信息傳送，5G建成將促進無線電視技術的推廣，從而為輸電線路、線路的監視和運行提供新的途徑。

5.3 導線溫度以及在線增容采用在線監測

現有擴容技術有靜態的溫度升高和動態的監控2種。靜態升溫擴容技術是在現有技術規范中將環境氣溫設定為40 ℃，使線路上的流速和光照強度達到規范的要求，并將導線的最高溫度從70 ℃提升至80～90 ℃，以增加導線傳輸功率。動態監控是在輸電線路中設置在線監測系統，監控導線的溫度、張力、弧垂等情況，還監控氣象情況，并通過數學建模確定導線最大容許負荷，從而達到最大傳輸功率的目的。

5.4 輸電線路防盜報警監測系統

早期報警系統的基本原則是以紅外線探測（無源紅外線報警）、聲控探測、斷線報警監控為基礎。目前，我國已研制出許多新型防盜系統，包括微波感應式防盜系統、基于加速傳感器的防盜系統、基于振動傳感器的防盜系統、感應式防盜系統等。4種監控體系結構大致相同，包括監控分機、監控中心和巡檢人員。監控分機主要包括前端傳感部件、微處理器或數字信號處理（Digital Signal Process，DSP），對桿塔周邊運動目標進行在線監測，判斷桿塔有無失竊的線路、位置、時間，并向現場巡查。

6 結 論

根據我國現有輸電線路的在線監測技術現狀，多項技術已有較大進展，但仍有技術標準化、技術穩定性不足等問題，因此需要技術人員不斷創新，為技術空白之處增添色彩。