智能電網輸電線路在線監測系統研究

吳永銳，許志遠

（國網江蘇省電力有限公司泗洪縣供電分公司，江蘇 宿遷 223900）

0 引 言

輸電線路是智能電網的核心組成部分，其運行的安全性、可靠性將直接影響整個智能電網的正常運轉。早期維護電網輸電線路正常運行的方法通常是人工巡檢，需要消耗較大的人力、物力、時間等資源，工作量大且成本較高，易受天氣、環境、地形等各種外界因素及巡檢人員自身專業知識、經驗等方面的影響，導致檢查效率慢，故障隱患多，供電可靠性不理想[1]。隨著科技的進步，電力系統逐漸朝著智能化方向發展，傳統人工巡檢已無法滿足智能電網輸電線路維護需求，迫切需要借助傳感器、物聯網等先進技術建立更加智能的在線監測系統，使其能夠實時、穩定和精確地收集并分析輸電線路運行的各項信息，及時發現異常運行狀態和故障隱患，發出警報提醒技術人員前往處理，提高輸電線路運行的可靠性和檢修效率，節省人力和時間成本。

1 智能電網輸電線路的監測需求分析

智能電網輸電線路的運行狀態受導線溫度、微風振動、垂弧以及覆冰等因素的影響，因此智能電網輸電線路在線監測的需求主要包括以下4 點。一是監測輸電線路周圍微氣象環境，包括氣壓、溫度、濕度及風速等指標。惡劣氣象環境會影響輸電線路中絕緣子的絕緣性能，導致污閃現象，若不能有效控制，可能會導致供電中斷[2]。二是監測導線溫度，尤其是接線點位置的溫度。通過監測接線點附近的導線溫度，不僅能計算出線路當前的最大載流量，還能判斷線路運行狀態是否正常。若出現積污和生銹等情況，導線溫度會異常升高[3]。三是監測微風振動，包括振動時間、頻率、振幅等。微風振動是影響輸電線路運行可靠性的常見因素，具有發生率高、持續時間長的特點，容易造成導線疲勞損傷，引起防振器、桿塔構件等部件的損壞，進而對電網運行安全產生威脅。四是監測導線垂弧。導線垂弧通常受風荷載、覆冰荷載、線路載流量的影響，輸電線路中導線的傾角、拉力、加速度等指標能夠反映導線的垂弧大小、覆冰荷載、微風振動情況等，因此監測這些指標可以有效評估輸電線路的運行狀態[4]。

2 在線監測系統總體架構設計

對輸電線路的運行狀態進行實時監測是實現智能電網的重要基礎。文章基于物聯網技術、傳感器技術等先進技術建立智能電網輸電線路在線監測系統，系統總體架構可分為3 層，分別是感知層、網絡層、應用層。感知層主要是由各種傳感器組成的信息采集模塊，負責現場采集輸電線路的運行參數和周圍環境信息等。網絡層則主要發揮遠程通信功能，有效連接系統各個模塊，實現由應用層向感知層的指令傳輸和由感知層向應用層的信息傳遞，使現場采集的數據能夠快速匯集到數據集中模塊，再通過網絡上傳到云服務器，實現數據分析、處理和儲存。應用層則包括云服務器、客戶端、數據庫等結構，負責分析、統計、儲存輸電線路運行信息，并以數據、圖表等形式直觀地顯示出來，便于管理人員、技術人員查看和做出相應判斷，同時為技術人員提供操作界面，使其能夠調整傳感器的信息采集時間、間隔等，實現數據查看、可視化呈現、故障預警、故障定位以及遠程控制等功能[5]。在線監測系統總體架構如圖1 所示。

圖1 在線監測系統總體架構

3 硬件系統設計

3.1 硬件結構

輸電線路在線監測系統硬件結構主要包括電源模塊、信息采集模塊、微處理器以及通信模塊等。其中，電源模塊主要采用鋰電池供電，結合太陽能電池板、電流互感器（Current Transformer，CT）取電裝置等，滿足監測系統的供電需求。信息采集模塊所用的硬件設備主要是各類傳感器，包括氣壓傳感器、溫濕度傳感器、風速風向儀、拉力傳感器、加速度式傾角傳感器以及泄漏電流傳感器等，從而全面收集輸電線路和周邊環境的各類信息，監測氣象環境、導線溫度、導線垂弧及微風振動等的變化。微處理器采用STM32F103C8T6 型號單片機，其中斷處理能力強、響應速度快、儲存容量高，能夠滿足信息數據的高速處理、計算、儲存需求，還可以滿足監測系統的通信需求。作為監測系統的核心硬件，微處理器的性能與系統運行的效率、質量緊密相關，因此微處理器必須能夠精準、快速地采集現場模擬信號，并進行數據傳輸、處理[6]。通信模塊采用遠距離無線電（Long Range Radio，LoRa）技術，具有能耗小、體積小、通信性能佳等優點，共有4 種通信工作模式。一是一般模式，有透明傳輸和定向傳輸2 種通信方法；二是喚醒模式，通信方法與一般模式相同，只是發送數據時需要在前面添加喚醒碼，使處于省電模式下的設備被喚醒，順利接收數據信息；三是省電模式，與喚醒模式的設備相配套，無法主動發送數據信息，且只能接收喚醒模式下的設備發送的信息，具有低能耗特點；四是信號強度模式，可監測雙方設備的信號強度[7]。

3.2 傳感器部署

各類傳感器部署的科學性、合理性直接影響著在線監測的有效性，應充分考慮輸電線路的監測需求，深入分析其故障風險較高的區域，設置重點監測點，合理部署傳感器設備，無須各級桿塔均安裝。例如：輸電線路中跨越立交橋的節段尤其需要注意防止導線下垂，以免與地面距離過近產生放電現象，威脅過往人員、車輛的安全，因此在導線上安裝傳感器設備，實時監測導線垂弧大小；在湖泊附近的輸電線路則需要加強對濕度的監測，并在桿塔上安裝監控設備，采集塔基圖像，防止水流對塔基造成侵蝕作用，影響塔基的穩定性。通信模塊中的監測網關一般設置在高壓變電站。為建立網關與各個傳感器節點間良好的通信，應以監測點的分布為依據，靈活部署監測網關，建立監測子站，以便將傳感器收集的數據匯集到一起。同時，應通過合理設計減少監測子站數量，從而節約成本。

4 軟件系統設計

在線監測系統的整體工作原理是在輸電線路適宜的位置安裝傳感器，采集傳輸線路運行時的參數和環境信息等，并利用無線局域網將信息匯總，再傳輸至云服務器進行分析、匯總、儲存。若發現異常數據，系統則自動觸發報警。管理人員、技術人員可隨時從客戶端訪問云服務器，查看或提取輸電線路運行的各項信息數據，查看統計圖表，分析輸電線路運行狀態。系統軟件設計主要包括信息采集程序、通信程序、應用程序等。

4.1 信息采集程序

輸電線路在線監測的指標較為復雜，包括導線溫度、周圍微氣象情況、導線垂弧等，涉及許多信息數據的采集工作，因此需要設計信息采集程序。

4.1.1 微氣象數據采集程序

將溫濕度傳感器、氣壓傳感器、風速風向儀等微氣象數據采集設備與微處理器連接。系統開始運轉時，由應用層發送數據采集指令，微處理器將開始信號發送到傳感器設備，傳感器快速響應，采集數據并將數據傳輸至微處理器，通過微處理器分析、計算、校準后得出準確的微氣象數據。例如，采集氣壓數據的程序流程為首先由微處理器向氣壓傳感器發送開始信號，其次啟動傳感器采集數據，讀取未補償的氣壓數據、溫度數據，最后利用一次性可編程（One Time Programmable，OTP）寄存器中的校準數據進行計算、校準，獲得真實的氣壓值（見圖2）。

圖2 氣壓傳感器運行程序

4.1.2 泄漏電流采集程序

輸電線路中泄漏電流反映著其絕緣性能的好壞，當泄漏電流大小突破一定界限時，就可能發生污閃現象，影響電網的安全性、可靠性。通過采集泄漏電流數據能夠評估輸電線路中絕緣子的絕緣性能，從而進行有效預防。泄漏電流采集程序流程如下：首先，由微處理器向泄漏電流傳感器發送開始信號；其次，傳感器啟動，采集電流信號；最后，采集完成后計入數組，如此反復采集10 次泄漏電流信號，取其平均值，提高數據采集的真實性和精確性。

4.2 通信程序設計

4.2.1 通信網絡設計要求

首先，傳輸距離長是輸電線路監測系統通信的一個重要特點，也是設計通信網絡需要解決的一個難題。智能電網輸電線路覆蓋的區域廣、跨度長，尤其是高壓、特高壓輸電線路的傳送距離非常長，部分線路需要穿越各種不同的區域，面臨復雜的環境，監測其運行狀態時需要設置的傳感器較多，需要依據實際情況合理部署監測設備。輸電線路的重點監測區域通常位置比較分散，互相之間距離較遠，在設計通信程序時必須考慮這一特征。

其次，只有采用靈活的通信網絡拓撲結構，才能更好地滿足不同輸電線路、不同監測目標的通信需求。輸電線路一般呈線性結構向前延伸，中間連接各個變電站，網絡節點呈現線性拓撲結構。

最后，通信網絡應具有足夠的擴展性、靈活性，可以適應多種數據傳輸類型。輸電線路大部分處于野外自然環境，面臨的地理環境、氣象條件十分復雜，易受溫度、濕度、氣壓、風力以及覆冰等各種因素影響，其在線監測的需求也較復雜，涉及的數據類型多，包括泄漏電流、導線溫度、垂弧大小以及微風振動弧度等。因此，在線監測系統的通信網絡設計必須滿足多種類型的數據傳輸需求。隨著智能電網的不斷發展，對于輸電線路監測的需求不斷提高，投入的傳感設備類型越來越豐富多樣，設備數量增多，監控規模逐漸增大，通信網絡需要具備較高的帶寬，以滿足智能電網的發展需求。

4.2.2 組網設計

輸電線路在線監測系統的通信網絡總體可分為子網絡和骨干網絡2 個部分。子網絡是連接各類傳感器和監測子站之間的網絡，能夠將收集的數據傳輸、匯集在一起。骨干網絡則是連接各個監測子站和監控中心的網絡。子網絡可應用LoRa 通信技術。LoRa 模塊具有傳輸速率低、通信距離長等特點，符合輸電線路在線監測系統的通信需求。以LoRa 通信技術為基礎進行組網，采用星型網絡結構，將LoRa 通信終端安裝于信息采集模塊的各個傳感器，并直接與LoRa網關建立通信連接，展開點對點通信，能夠有效減少網絡延時，降低能耗，以實現快速、高效、安全的數據傳輸。所有傳感器都與LoRa 網關單獨連接，即形成了星型的通信網絡結構，通過LoRa 網關可以管理、控制網絡結構中的各個傳感器，向傳感器上的LoRa 終端發送控制信號，并匯集采集到的數據。星型的網絡通信結構也有利于日常管理維護，若其中一個LoRa 終端故障，不會對其他傳感器的正常運行造成影響。通信程序的具體流程如下：首先，傳感器采集到數據信息后傳入LoRa 通信終端，寫入先進先出隊列（First In First Out，FIFO）緩存，然后進行發送；其次，LoRa 網關負責接收、讀取LoRa 終端發送的數據，清除中斷標志位；最后，LoRa 終端自動檢查寄存器標志位，以判斷數據發送成功與否。如果發送成功，則切換成待機模式，降低能耗；如果數據發送失敗，則重新進入發送模式，直至成功將數據發送出去。

骨干網絡的傳輸距離與子網絡相比通常較遠，可采用自組織網絡，配置高增益天線和足夠高的帶寬，確保能夠滿足數據的大規模、遠距離傳輸。由于輸電線路通常呈線性結構延伸，其在線監測系統的骨干網絡設計也呈線性或網狀排布。在這種拓撲結構下，越靠近數據匯聚的節點，其數據傳輸量越大，對電能的消耗越大。因此，可通過可靠路由協議，根據鏈路傳輸狀態自動調節數據發送功率，從而在節約電能消耗的同時提高傳輸速率，減少丟包率，改善大量監測數據匯集導致的網絡擁堵問題。為及時和高效地處理報警事件，需要在骨干網絡中設計合理的數據查詢方式，從而在大量復雜監測信息中快速提取出異常信息，并上報監控中心。例如，可采取事件驅動的數據查詢方法，即當傳感器節點收集到異常數據信息時，會產生具有優先傳送特權的報警數據包，使其快速向監控中心傳送，期間經過的每一個節點，都要優先對報警數據包進行轉發，從而有效防止通信網絡末端的網絡擁堵問題阻礙故障報警的及時性。

5 結 論

如今社會對于電能的依賴性越來越強，許多行業需要持續消耗電能，一旦出現供電中斷，就會造成較大的經濟損失和嚴重的社會影響。為提高智能電網的運行水平，應當積極優化輸電線路的在線監測系統，深入分析導線溫度、周圍氣象條件、微風振動以及導線垂弧大小等影響輸電線路運行安全和穩定的因素，針對性布置各類傳感設備，并構建適宜的通信傳輸網絡，將廣泛分布的監測設備連接在一起，精確采集和高效傳遞各類監測數據，為輸電線路的可靠性提供保障。