架空輸電線路在線監測技術應用及發展

倪康婷，于欽剛，高安潔

（北京國網富達科技發展有限責任公司，北京 豐臺 100071）

輸電線路在線監測技術是指安裝在線路設備上可實時記錄表征設備運行狀態特征量的測量系統及技術，是實現狀態監測、狀態檢修的重要手段，狀態檢修的實現與否很大程度取決于在線監測技術水平。

架空輸電線路監測裝置共16種，根據監測對象的不同，可分為通道環境監測及本體狀態監測2類，其中通道環境類4種，本體狀態類12種。在線路本體狀態監測裝置方面，又分為架空線路的基礎、桿塔、導地線、絕緣子串4類。

1 發展歷程

美國、加拿大等國較早開展了輸電線路在線監測技術研究，并進行了大量的試驗和理論研究。我國從上世紀90年代起開始輸電線路在線監測技術研究與應用，主要分為以下幾個階段：

表1 輸電線路在線監測裝置分類

1990—2000年，中國電科院、清華大學等科研單位陸續開展在線監測技術方面的理論研究工作，多處于實驗研究階段，尚沒有大范圍應用的商業化產品。

2001—2009年，隨著國家輸電線路運行維護的需求以及通信技術、傳感器技術的快速發展，國內科研院所和專業廠家陸續開發了輸電線路覆冰、導線舞動、微風振動等在線監測產品，并逐步推廣應用。但在實際運行中，如各類產品系統架構不規范、裝置接入不統一、相關標準不健全、裝置運行不穩定等問題也逐漸顯現。

2010—2018年，國家智能電網建設全面實施，國家電網公司頒布了《輸電線路在線監測裝置通用技術規范》等標準頒布，輸變電設備狀態監測裝置入網檢測實驗室建成。同時完成了輸變電設備狀態監測主站程序開發，實現了輸變電設備狀態監測信息匯總、展示、統計分析等功能，為狀態檢修輔助決策提供監測數據[1]。

2019年至今，結合物聯網、5G、北斗等新技術發展，在線監測裝置朝著智能化、高精度、集成化、小型化等方向發展，現場應用范圍擴大，并不斷涌現出新型在線監測裝置。

2 輸電線路在線監測標準體系

2.1 輸電線路在線監測標準體系建設

國家電網公司輸電線路狀態監測裝置通用技術規范是國網公司輸電線路狀態監測技術的綱領性規范，規定了除狀態監測主站以外的輸電線路狀態監測裝置的分類與組成、功能要求、技術要求、數據傳輸規約、供電電源、試驗檢驗等內容，用以指導裝置的設計、生產、入網檢測和應用。

在通用技術規范給出的要求基礎上，國網公司組織起草并發布了氣象、導線溫度、微風振動、等值覆冰厚度、導線舞動、導線弧垂、風偏、現場污穢度、桿塔傾斜、圖像、視頻監測裝置的單項技術規范，并且根據架空線路監測技術面臨的電源、通信難點以及裝置質量問題，強化提出了太陽能電源技術規范、試驗檢測標準以及安裝調試與驗收標準等專項規范，加上輸變電設備狀態監測系統技術導則主站部分內容，形成了相對完整的國家電網公司輸電線路狀態監測技術標準體系，如圖1所示。

圖1 國家電網公司輸電線路狀態監測技術標準體系

以上標準中，輸電線路狀態監測裝置通用技術規范在加入南方電網公司輸電線路狀態監測系統通信規約以后，已經上升為國家標準GB/T 35697—2017《架空輸電線路在線監測裝置通用技術規范》，《輸電線路等值覆冰厚度監測裝置技術規范》已經上升為電力行業標準DL/T 1508—2016《架空輸電線路導地線覆冰監測裝置》。

2.2 標準應用情況

自2010年Q/GDW 242—2010《輸電線路狀態監測裝置通用技術規范》等輸電線路狀態監測技術標準發布以來，歷經幾次修訂，系列標準有效地指導了輸變電設備狀態監測系統建設，避免了“一廠家一孤島”系統的現狀。依據規范建立了中國電科院輸變電設備狀態監測技術實驗室輸電分部，并開展了標準化裝置的檢驗工作，發現了部分設計和生產制造問題，有效確保了輸電線路監測裝置入網質量。

目前依據輸電線路狀態監測通用技術規范數據傳輸規約將近2萬臺套裝置分級接入到國網總部輸變電設備狀態監測系統，實現了國網系統內輸電狀態監測裝置信息的統一接入和管理。依據監測裝置通用和專項標準開展狀態監測系統運維和預警分析工作，發現了大量的一次設備的隱患，對線路安全運行起到了良好的監控作用。

按照輸電線路狀態監測技術標準體系，經過幾年的應用實踐，發現其中一部分監測裝置如覆冰、氣象、溫度、圖像等監測裝置技術相對成熟，應用效果較好，一部分監測裝置的質量和應用效果還有待提升。另一方面隨著電力物聯網工作的推進，新型低功耗、小型化物聯網監測裝置不斷涌現，因而輸電線路狀態監測技術標準體系還須要隨著在線路運維檢修中的深化應用和泛在電力物聯網技術的發展而不斷補充和完善。

3 輸電線路在線監測裝置部署原則

在不同的應用場景下，建議按照如表2所示原則進行監測裝置部署。

表2 輸電線路在線監測裝置部署原則

4 邊緣智能終端及邊緣計算App

4.1 邊緣智能終端需求

輸電邊緣智能終端安裝在架空線路桿塔上，所有監測裝置數據須經過邊緣智能終端進行統一回傳。輸電邊緣智能終具有端寬窄帶數據采集、邊緣計算等功能，使傳感器和邊緣終端做到“互聯互通”。主要須滿足以下4點要求：（1）傳感器標準化接入。傳感器統一標準、數據匯聚、邊緣計算、遠程傳輸、網絡管理、設備管理。（2）圖像識別、視頻接入。具備線路本體和通道缺陷及隱患的智能圖像識別功能及視頻數據接入。（3）邊緣計算。邊緣智能終端宜搭載適用于輸電線路應用場景面向嵌入式系統、可軟件定義的邊緣計算框架，實現采集數據的邊緣計算和就地處理。（4）低功耗滿足桿塔使用。低功耗設計滿足設備在野外太陽能供電需求。

4.2 輸電邊緣智能終端裝置功能

輸電邊緣智能終端安裝在輸電桿塔上，用于各種傳感端設備管理與控制，適用接入不同類型、不同廠家的監測裝置，實現各類監測裝置的標準化接入、安全接入和智能化接入，實現監測裝置數據的接入代理功能。

基本功能：數據匯聚、邊緣計算、遠程傳輸、網絡管理、設備管理；

邊緣計算：邊緣智能終端宜搭載適用于輸電線路應用場景面向嵌入式系統、可軟件定義的邊緣計算框架，實現采集數據的邊緣計算和就地處理；

圖像識別：具備線路本體和通道缺陷及隱患的智能圖像識別功能；

網絡管理：支持進行本地和遠程網絡管理，支持網絡故障后的自恢復等功能。

4.3 輸電邊緣智能終端裝置硬件架構

輸電邊緣智能終端裝置硬件架構如圖2所示。

圖2 輸電邊緣智能終端裝置硬件架構圖

4.3.1 北向接口數據回傳

公網信號覆蓋區，寬窄帶數據采用無線通信方式進行融合傳輸，支持4G并可向5G演進。

在無/弱信號區，寬帶數據采用無線網橋或微波形式進行點對點、點對多點傳輸，數據發送至有信號區或光纖接入點進行數據回傳；窄帶數據采用北斗短報文形式進行數據回傳，宜采用2次上報模式提高發送成功率。

在條件允許的情況下，寬窄帶融合數據可采用光纖方式進行回傳通信。

4.3.2 邊緣計算

在《輸變電設備物聯網邊緣計算應用軟件接口技術規范》基礎上，擴展設備注冊、設備信息建模、任務調度、數據存儲與處理、資源配置與編排等計算能力。

4.3.3 南向接口感知設備接入

遵循《輸變電設備物聯網微功率無線網通信協議》接入方法，并針對輸電物聯網場景進行軟硬件進一步針對性優化。

4.4 邊緣計算架構

邊緣智能終端軟件基于嵌入式Linux操作系統，整體設計基于輕量化邊緣計算框架，以Docker容器作為各種傳感器業務、通信接口等模塊的運行方式。各業務App運行于獨立的Docker容器內，并與物聯網管理平臺獨立通信，實現不同終端、傳感器的業務數據上報、設備管理、遠程升級，如圖3所示。邊緣計算框架由框架組件和App組件構成。框架組件包括邊緣數據中心、MQTT消息總線、信息安全，提供運行支撐。App組件包括基礎App和業務App兩類，App基于容器部署和運行，一個容器可以承載多個App。

圖3 邊緣計算架構

5 輸電線路在線監測技術發展趨勢

5.1 技術短板與瓶頸問題

目前存在以下技術短板和瓶頸問題

5.1.1 新型材料、高端芯片、核心器件國外壟斷

核心器件、芯片的傳感器成本高，正向研發、自主可控的自主創新能力不足，特別是在新型材料、高端芯片、核心器件等方面的技術尚無法滿足產業發展需求，關鍵和核心的技術及部件仍依賴進口，并且在大規模應用時存在被國外限制的風險。因此迫切須要掌握先進材料、核心器件的關鍵技術，實現核心器件的自主化和定制化。

5.1.2 長期可靠性難以保證

我國在復雜電磁環境下的傳感技術發展較晚，缺乏針對電力應用場景的優化設計，尤其是在電網復雜工況下的長期運行可靠性問題突出。傳感器壽命與一次設備壽命不匹配。亟須從材料、器件、工藝、設計、試驗、評估等方面進行技術攻關，提高電力傳感器長期可靠性和有效性。

5.1.3 新工藝和制備技術尚未掌握

缺乏對于器件本體的工藝、制備的設計能力和技術積累，尚未完全掌握先進傳感材料、核心傳感器件的制備技術。迫切須要開展包括新型MEMS傳感器設計、可靠性和耐候性評價及試驗等技術研究，補齊傳感器設計、制造、測試等關鍵環節技術短板，推進器件設計與制造工藝的深度結合，提升產品性能，降低生產成本。

5.1.4 現有傳感器的功能、性能須要進一步提升

現有的測量技術與設備無法滿足寬頻信號的動態監測與數據采集需求，同時終端節點種類和數量呈幾何式的增長，終端節點和傳輸網絡的接入問題亟待解決。

5.2 技術發展

5.2.1 先進感知技術

高可靠先進傳感器是智慧電網的信息獲取基礎。傳感技術是指能夠感知和檢測某一形態的信息、并將之轉換為另一形態信息的技術。從本質來講，傳感技術是一種量測手段，利用信號與信號之間明確的對應關系，以一定精度進行信號的傳輸、轉換及處理，從而滿足系統信息傳輸、存儲、顯示、記錄及控制等要求[2]。智能傳感器作為與外界環境交互的重要手段和感知信息的主要來源，已成為智慧電網發展的核心與基礎之一。

現有傳感器在物理尺寸、感知能力、供電方式、強電磁防護等方面存在局限性，同時對于海外具有高度依賴性。主要存在以下不足：多特征參量微弱信號的高靈敏感知機理研究不足，電氣設備多參量融合感知技術不能滿足設備缺陷診斷需求；復雜電磁工況下傳感器抗干擾能力、高可靠性不夠，壽命短；低功耗、芯片化微型傳感器件研究落后國外先進水平等問題普遍存在[3]。

因此須加強以下技術方向研究與投入：

多參量融合感知技術。加強基于液態金屬等新型復合材料及光纖傳感、電場傳感、磁阻效應、聲表面波、電化學等感知原理與技術研究，探索復雜電磁環境下測量交直流電場、極微弱電流、空間電磁場等對象參數感知，實現多特征參量微弱信號的融合感知，豐富監測對象與參數，提高對電網缺陷和故障的識別精度、可靠性和系統可應用性。

復雜工況下的高可靠性技術。由于輸電線路傳感器長期在復雜電磁環境下工作，須加強復雜電磁場環境對傳感器的干擾、損傷機理，以及傳感器有效屏蔽、封裝、抗擾能力主動提升等技術研究，探索傳感器長期運行老化特性及其壽命評估方法，提升傳感器抗干擾能力和可靠性，評估傳感器壽命。

低功耗、芯片化微型傳感器件集成技術。海量設備接入要求傳感器必須具有小型化、低成本等特點，因此須加強微型傳感器件與數據處理、通信等功能模塊的芯片化融合集成及其低功耗實現技術研究，完善傳感器自配置（即插即用）、自評估、自校準功能，實現微傳感器件的融合集成和邊緣智能。

5.2.2 傳感器取能技術

取能問題已成為影響電力傳感器可靠性的主要因素之一。現場在線監測往往安裝在高壓桿塔上，對輸電設備狀態信息和環境參數進行常年24 h不間斷監測，一般情況下安裝在輸電線路野外現場的監測裝置沒有可供使用的交流電源，為此必須要借助能量收集技術開發獨立的供電裝置。

目前，已在電力傳感器領域應用的能量收集技術主要包括太陽能取能、磁場區能和電場取能3種方式[4]。近年來雖然已有關于電磁場供能/取能、激光供能、微波供能以及振動取能、溫差取能等多種新技術出現，但成熟應用案例較少，取能功率、可靠性、電力適應性、應用成熟度均有待提高。

因此須加強以下技術方向研究與投入：

多樣化微源取能方式技術。結合電力應用場景開展傳感器的基于微能量收集的取能技術研究，包括電磁場取能、振動取能、微風取能、溫差取能等關鍵技術研究，及核心器件、取能器模塊研發與現場應用。

取能器件小型化技術。目前電力領域廣泛應用的金具溫度、桿塔傾斜等傳感器均已實現了小型化，尺寸為厘米級，電力傳感器的供電單元需與傳感器做到結構與尺寸匹配。現有環境能量收集器件中，光能、振動和溫差在小型化方面可滿足厘米級應用需求，但風能、電場和磁場能量收集器件仍存在較大的結構優化空間，須進一步向小型化趨勢發展。

5.2.3 低功耗安全網絡連接技術

低功耗安全無線傳感網絡是實現電力傳感器接入、電力設備與環境狀態全面感知的關鍵。現階段電力無線傳感網絡技術協議差異大、接口不統一，并且節點功耗、組網開銷、通信距離、安全防護等方面難以滿足設備側電力物聯網差異化應用需求，傳統數據加密及用戶身份認證機制無法滿足電力無線傳感節點計算/存儲資源受限、網絡拓撲動態變化下的安全需求，無線傳感網絡中各類終端與節點受功耗、電源等影響，使安全性成為一個關鍵性技術問題。

超低功耗無線傳感網絡物理層與通信協議融合技術。針對感知層微功率無線傳感器接入場景，重點突破無線傳感網絡超低功耗通信速率、功耗等關鍵指標，實現超低功耗無線傳感網絡物理層與通信協議融合，以低功耗通信模塊、網絡節點設備等硬件裝置解決微功率無線傳感器現場長期可靠運行、信息高效采集與匯聚難題。

寬窄帶融合無線傳感網絡技術。針對輸電線路結構化數據、非結構化數據同時傳輸需求，需加強輸電線路感知層大帶寬的寬窄融合無線傳感網絡及輕量級安全連接技術研究，探索無/弱信號區微波通信等寬窄帶融合通信技術及應用，建立健全電力低功耗寬窄融合無線傳感網絡安全性、通信性能評測方法。

5.2.4 其他關鍵技術

同時還應加強其他關鍵性、基礎性、前瞻性技術研發，例如掌握核心知識產權，突破芯片級傳感等“卡脖子”技術，大力發展面向新應用場景的交直流電流、弱磁場、空間電場、振動聲紋等智能傳感器，構建先進傳感研發試驗基地，建設面向壓電材料、磁性材料等敏感材料研究、系統級封裝（SIP）和個性化測試等實驗研究平臺，加快基于數據驅動的設備狀態智能感知理論與評價方法研究，形成智能傳感應用閉環，助力能源互聯網數字化轉型、智能化升級。

6 總結與展望

我國輸電線路在線監測技術發展30余年，是涉及電氣、材料、微電子、光學、人工智能、信息通信等多個領域的綜合學科，通信技術、人工智能技術、芯片技術、材料技術都發生了翻天覆地的變化，輸電線路在線監測也迎來了巨大的發展契機。

傳感技術正向微型化、智能化、集成化、無源化方向演進，物理感知范圍更加廣闊，信息采集手段更加便捷，數據獲取類型更加多樣，加速在線監測技術的研究將成為能源互聯網向數字化、網絡化、智能化發展的強大動力。