輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實踐

1、 輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實踐 摘要：隨著電力行業(yè)和科技水平的快速發(fā)展，當(dāng)前在線監(jiān)測技術(shù)在輸電線路中有了非常大的成果，并且為了能對在線監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行更深入的研究，需要長期進(jìn)行研究，并根據(jù)以往的經(jīng)驗進(jìn)行故障的分析，對線路的設(shè)計進(jìn)行不斷的改進(jìn)。這也是對監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展的一種促進(jìn)。建立電網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)，是以后電力技術(shù)發(fā)展的必然。關(guān)鍵詞：輸電線路；在線監(jiān)測；應(yīng)用引言針對極端災(zāi)害天氣逐年多發(fā)頻發(fā)的嚴(yán)峻形勢、輸電線路設(shè)備數(shù)量急劇增加、輸電線路搶修工作任務(wù)逐年繁重和智能監(jiān)測及預(yù)警服務(wù)體系不成熟等現(xiàn)實因素，現(xiàn)階段迫切需要借助科技手段，建立輸輸電線路智能監(jiān)測及預(yù)警服務(wù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，提高輸電線路自然災(zāi)害應(yīng)急和處置能力，將線

2、路氣象災(zāi)害事故消除于萌芽狀態(tài)。1、實施電力系統(tǒng)輸電線路監(jiān)測的重要性電力系統(tǒng)集發(fā)電、輸電、變電、配電等功能于一身，而輸電線路安全穩(wěn)定則是確保上述功能實現(xiàn)的前提。但實際上，由于輸電線路具有輸電距離長、布局范圍廣、承載電能需求呈多樣性變化、布局環(huán)境復(fù)雜等特點，因此很容易受到外界因素的干擾，象雷電、暴雪、冰雹等天氣因素干擾，還有地震、山洪等自然災(zāi)害的干擾。上述對于電力系統(tǒng)的輸電線路運行均會產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，同時還會對線路本身造成不可逆轉(zhuǎn)的損壞，引發(fā)輸電安全問題。其中最為典型的問題便是會造成輸電線路舞動，在強大的風(fēng)力及嚴(yán)寒的影響下，線路舞動會產(chǎn)生強大機械振動能量，不僅會對線路自身產(chǎn)生嚴(yán)重危害，使得線路不堪

3、重荷發(fā)生斷裂，同時也會對桿塔、金具、絕緣子造成強烈沖擊，使其產(chǎn)生疲勞損害。另一方面，我國的用電分布并不均勻，各地區(qū)用電量具有一定的差異性，尤其是在高峰時段，電力系統(tǒng)輸電線路需要面對的壓力更大，一旦出現(xiàn)線路故障問題，將會對電力系統(tǒng)供電安全造成嚴(yán)重影響?；诖耍龊秒娏ο到y(tǒng)輸電線路的監(jiān)測與檢查顯得尤為重要。通過對輸電線路的運行狀況進(jìn)行密切監(jiān)測，從而能夠第一時間發(fā)現(xiàn)線路故障，及時進(jìn)行維修，可有效避免輸電線路問題進(jìn)一步惡化，造成重大安全事故，為人們的日常用電提供有力的保障。2、輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)的實踐優(yōu)勢2.1豐富輸電線路智能化理論本課題的研究涉及電力行業(yè)，屬于國家重點戰(zhàn)略安全領(lǐng)域，直接影響我國電力

4、產(chǎn)業(yè)的安全，為我國的生產(chǎn)建設(shè)、人民生活質(zhì)量提供切實保障。輸電線路在線監(jiān)測行業(yè)屬于智能輸電線路的重要組成部分，也是電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的基礎(chǔ)保障。本項目的實現(xiàn)將有助于推進(jìn)智能輸電線路的發(fā)展，從而帶動整個產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，促進(jìn)我國逐步實現(xiàn)輸電線路數(shù)字化、智能化現(xiàn)代管理。2.2降低事故率由于輸電桿的倒塌具有不確定性，會導(dǎo)致城市供電系統(tǒng)的規(guī)模性停電，對經(jīng)濟、社會造成影響。例如，一段功率為400mw的500kv輸電線路，其產(chǎn)生的故障在60min內(nèi)造成的經(jīng)濟損失高達(dá)120萬元。采用輸電線路智能監(jiān)測系統(tǒng)可以有效減少冰雪等災(zāi)害的發(fā)生，線路覆冰時，利用本系統(tǒng)傳輸現(xiàn)場的覆冰視頻，為線路覆冰期搶修提供技術(shù)支撐。2.32.3輸電

5、線路絕緣子污穢監(jiān)測2.3.1漏電監(jiān)測從漏電電流中可以顯示出氣候、表征表壓及污穢度三種參數(shù)，這些參數(shù)都是絕緣子污穢程度的參考值。通常情況下，泄漏電流會沿著介質(zhì)表面形成，在絕緣子高壓端安裝新型泄漏電流傳感器，這樣就可以獲得泄漏電流實時數(shù)據(jù)，在信號處理單元完成電信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)變，然后利用運算模塊計算泄漏電流的峰谷值、均值等，最后利用無線通信網(wǎng)絡(luò)將相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)總站，由專家針對這些數(shù)據(jù)展開綜合分析，對絕緣子積污情況進(jìn)行判斷。2.3.2污穢度監(jiān)測現(xiàn)在使用的污穢監(jiān)測手段不僅需要對絕緣子表面的等值附鹽密度進(jìn)行測量，還會做出停電操作，為了對這一問題進(jìn)行解決，相關(guān)研究人員已經(jīng)推導(dǎo)出了基于絕緣介質(zhì)表面含鹽

6、量與光線傳感器的廣場分布的換算公式，測定并處理光能參量，間接的計算出傳感器表面的鹽分含量，這樣就可以對絕緣子表面的鹽密值進(jìn)行評估。下圖為輸電線路絕緣子污穢度在線監(jiān)測系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)，供參考。系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)2.4提供技木支撐輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)的掛網(wǎng)運行，能夠監(jiān)測輸電線路的覆冰狀況、氣象狀況、桿塔傾斜度，并能傳輸監(jiān)測區(qū)域的高清視頻。輸電線路維護(hù)人員在辦公室利用后臺客戶端系統(tǒng)可以實時訪問現(xiàn)場的監(jiān)測數(shù)據(jù)和高清視頻，掌握現(xiàn)場線路的運行狀況，猶如親臨現(xiàn)場。局部區(qū)域現(xiàn)場出現(xiàn)險情或未來有大范圍自然災(zāi)害時，系統(tǒng)第一時間以客戶端軟件、手機微信等多種方式向線路運維人員發(fā)送預(yù)警信息，很大程度上提高輸電線路維護(hù)人員對自然

7、災(zāi)害的反應(yīng)和處置能力，從而將輸電線路事故消除于萌芽狀態(tài)，將事故損失降到最低。2.5輸電線路桿塔傾斜監(jiān)測基于全球移動通信系統(tǒng)的監(jiān)測技術(shù)可以對桿塔情況進(jìn)行監(jiān)控，科學(xué)預(yù)防桿塔倒塌。本系統(tǒng)目前在220kv以下的輸電線路中已經(jīng)得到了比較廣泛的應(yīng)用，可以準(zhǔn)確判斷出基礎(chǔ)移位、桿塔變形等缺陷，以保證輸電系統(tǒng)的安全。目前很多特高壓線路被建設(shè)在了偏遠(yuǎn)的山區(qū)中，無線電會對通訊信號造成嚴(yán)重干擾，在這種情況下，國家電網(wǎng)公司組織展開桿塔傾斜度檢測系統(tǒng)的研發(fā)工作，目前已經(jīng)取得了初步的成效，為我國特高壓桿塔傾斜監(jiān)控奠定了良好的基礎(chǔ)。2.6導(dǎo)線舞動監(jiān)測導(dǎo)線舞動將會引起導(dǎo)線斷裂及塔材變形等問題，進(jìn)而造成停電事故的發(fā)生。利用導(dǎo)線舞

8、動在線監(jiān)測儀可以對導(dǎo)線舞動線路分布圖進(jìn)行繪制，為線路設(shè)計提供了有效的依據(jù)，在實際工作中可以結(jié)合檔距等參數(shù)，將大量傳感器設(shè)置在某一檔距內(nèi)的導(dǎo)線上，測量出x、y、z方向上的加速度，然后與線路本身參數(shù)相結(jié)合建立起數(shù)學(xué)模型，對舞動危害的等級進(jìn)行分析，并在事故發(fā)生地點發(fā)出預(yù)警，通過這種方式來預(yù)防出現(xiàn)短路、倒塔等一系列災(zāi)害事故。2.7輸電線路微風(fēng)振動監(jiān)測微風(fēng)振動將會使導(dǎo)線產(chǎn)生交變應(yīng)力，進(jìn)而產(chǎn)生疲勞斷股。微風(fēng)振動會對線路造成循序漸進(jìn)的影響，且這種影響具有非常強的隱蔽性，其外觀特稟并不明顯，利用測量工作可以為仿真設(shè)計工作提供有效的現(xiàn)場數(shù)據(jù)。微風(fēng)振動監(jiān)測系統(tǒng)本身設(shè)置了采集精度非常高的振動監(jiān)測儀，通過振動監(jiān)測儀可

9、以測量出導(dǎo)線相對線夾的頻率、彎矩值等參數(shù)，并與導(dǎo)線力學(xué)性能資料相結(jié)合，對微風(fēng)振動下導(dǎo)線的壽命進(jìn)行分析。2.8輸電線路覆冰在線監(jiān)測該項技術(shù)可以實現(xiàn)對線路中覆冰情況的有效監(jiān)控，獲得數(shù)據(jù)后快速分析數(shù)據(jù)，并體現(xiàn)對冰害事故作出預(yù)警，及時對預(yù)警信息進(jìn)行發(fā)送，以降低斷線、倒塔等相關(guān)事故的發(fā)生率。經(jīng)過多年來的發(fā)展，目前覆冰在線監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)比較成熟，以探測原理為依據(jù)，可以將其分成兩種不同的類型。圖1輸電線路氣象在線監(jiān)測系統(tǒng)2.8.1監(jiān)測導(dǎo)線幾何參數(shù)這種技術(shù)主要利用對導(dǎo)線弧垂、傾斜角等數(shù)據(jù)的測量，對導(dǎo)線狀況進(jìn)行估算，目前工程中經(jīng)常利用狀態(tài)方程描述輸電線路的受力情況，只需要將弧垂、傾斜角度及氣象環(huán)境等相關(guān)參數(shù)輸入，

10、這樣就能推演出導(dǎo)線的覆冰厚度、覆冰重量等情況，并對覆冰危險等級進(jìn)行評定。2.8.2監(jiān)測線路張力這種技術(shù)是指在絕緣子上安裝張力傳感器，通過傳感器可以采集到導(dǎo)線覆冰后的受力參數(shù)，還能一同將環(huán)境溫度、濕度等相關(guān)數(shù)據(jù)錄入，然后利用人工智能系統(tǒng)對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最后將線路狀態(tài)及覆冰程度綜合分析出來，并針對超出警戒值的地方發(fā)出預(yù)警。2.9輸電線路氣象和導(dǎo)線風(fēng)偏在線監(jiān)測該系統(tǒng)可以實現(xiàn)對環(huán)境風(fēng)速、濕度等數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測，相關(guān)部門還能利用預(yù)警信息對風(fēng)偏預(yù)防措施進(jìn)行制定，并對放電故障點位置進(jìn)行準(zhǔn)確的確定，利用傳感器將氣象數(shù)據(jù)資料傳回到監(jiān)測中心，并結(jié)合導(dǎo)線對地實際夾角完善風(fēng)偏算法。并將線路桿塔上的風(fēng)壓不均勻系數(shù)等相

11、關(guān)數(shù)據(jù)匯總到數(shù)據(jù)庫中，利用對數(shù)據(jù)的分析來改進(jìn)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，使其與當(dāng)?shù)氐膶嶋H情況相符合。在實際操作過程中，還可以將角度傳感器安裝在架空線上，這樣就可以結(jié)合當(dāng)時的濕度、溫度等參數(shù)計算出導(dǎo)線風(fēng)偏。3、輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)3.1監(jiān)測單元監(jiān)測單元就是在很多傳感測量裝置的基礎(chǔ)之上，對相關(guān)的部件進(jìn)行安裝，對在線監(jiān)測裝置進(jìn)行安裝。也包括地線、導(dǎo)線、絕緣體等內(nèi)容。在通過短距離無限通訊的數(shù)據(jù)接收來完成。監(jiān)測單元的功能有非常多的種類，并且可以進(jìn)行系統(tǒng)自我的檢查，還可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的測量以及數(shù)據(jù)信息的采集，并通過各種方式，將最終的數(shù)據(jù)傳送到基站。再經(jīng)過已整改系列的信號網(wǎng)絡(luò)傳遞，將檢測管理中心的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。因為需

12、要按照不同的監(jiān)測對象，對在線檢測技術(shù)以及輸電線路通道進(jìn)行環(huán)境的監(jiān)測。3.2在線監(jiān)測管理平臺在線監(jiān)測管理平臺是可以將很多不同類型的只能系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一的結(jié)合，并進(jìn)行綜合整理的平臺。不僅可以把輸電線路的空間屬性和特點有效地進(jìn)行結(jié)合，還可以將輸電線路的狀態(tài)信息以及查詢的功能進(jìn)行完善和實現(xiàn)。管理人員還可以通過該平臺對基礎(chǔ)的內(nèi)容進(jìn)行有效的分析，并且這些分析還是在平臺分析之后進(jìn)行的，應(yīng)用非常方便。并且還可以幫助管理員作出正確的決斷，能讓線路始終保持正常的運作，并且對于出現(xiàn)的故障可以及時地進(jìn)行修改。3.3導(dǎo)線弧垂在線監(jiān)測輸電線路的弧垂是線路設(shè)計和運行的重要指標(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

13、等因素變化均會導(dǎo)致線路弧垂發(fā)生變化。運行經(jīng)驗表明，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)力和溫度計算導(dǎo)線弧垂；通過攝影技術(shù)并進(jìn)行圖像處理計算導(dǎo)線弧垂；通過測量導(dǎo)線懸掛點傾斜角計算導(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，使其得到了相對廣泛的應(yīng)用。3.4輸電線路導(dǎo)線溫度在線監(jiān)測在有效的使用輸電線路導(dǎo)線溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，聯(lián)合3g和gprs，將遠(yuǎn)程控制傳輸系統(tǒng)途徑的建立工作落實到位，從而合理的研究監(jiān)

14、測的數(shù)據(jù)，同時將監(jiān)測數(shù)據(jù)的改進(jìn)工作落實到位，確保該在線監(jiān)測系統(tǒng)的成熟和完善。主要有以下方式：在在線監(jiān)測系統(tǒng)中使用“多層屏蔽”技術(shù)，將110kv輸電線路的外殼金屬化管理工作落實到位，避免環(huán)境因素影響在線監(jiān)測系統(tǒng)的運行質(zhì)量，進(jìn)而解決系統(tǒng)的防塵和防水問題，為110kv輸電線路的運行質(zhì)量奠定基礎(chǔ)。該導(dǎo)線溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)具有顯著的優(yōu)點，例如：適應(yīng)能力好、本身缺點少等等，在一定程度上促進(jìn)了110kv輸電線路的發(fā)展和進(jìn)步，為110kv輸電線路運行的穩(wěn)定性和可靠性奠定基礎(chǔ)。3.5在線監(jiān)測控制器總體結(jié)構(gòu)設(shè)計在線監(jiān)測控制器一般被安裝在輸電線路之間架設(shè)的鐵塔上，一邊是連接的用于數(shù)據(jù)采集的傳感器模塊，一邊是鏈接的用于

15、傳輸數(shù)據(jù)的通信模塊。通過終端主板外掛自制變送器的方式實現(xiàn)監(jiān)測功能。調(diào)度中心通過通信協(xié)議，采用gprs的模式來與終端主板連接。這樣不僅實現(xiàn)了對各個監(jiān)測對象的檢測任務(wù)，而且還能通過云臺來實現(xiàn)對設(shè)備的控制以及設(shè)備的運行狀態(tài)進(jìn)行檢查等。其中采用的gprs模塊是通過rs485總線來實現(xiàn)與視頻卡模塊之間的鏈接，無線數(shù)傳模塊與輸電線路在線監(jiān)測控制模塊是通過ttl來實現(xiàn)連接的；終端主板通過rs485總線來實現(xiàn)與自控制變送器、云端平臺以及氣象檢測平臺之間的聯(lián)系；傳感器模塊（傾斜角、拉力以及振動等）是通過rs485總線來與終端主板之間進(jìn)行連接的。其中的傳感器模塊采集的傾斜角、拉力以及振動等物理量是通過電路的二次轉(zhuǎn)

16、換來將采集的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。3.6溫度傳感器的硬件設(shè)計作為輸電線路系統(tǒng)的基礎(chǔ)構(gòu)成單元，溫度傳感器節(jié)點的作用是取得、預(yù)處理溫度數(shù)據(jù)，并將其傳導(dǎo)到協(xié)調(diào)器內(nèi)，路由節(jié)點還需要起到橋梁的作用，將其子節(jié)點的溫度數(shù)據(jù)也傳達(dá)出去。溫度傳感器的電路里存在溫度系數(shù)高低不同的兩個振蕩器，振蕩器的非線性會通過斜率累加器來進(jìn)行校正。其中溫度系數(shù)較高的振蕩器的振蕩周期內(nèi)，溫度系數(shù)較低的振蕩器產(chǎn)生的脈沖信號可以被計數(shù)，-55則與計數(shù)器的一個預(yù)設(shè)基權(quán)值相聯(lián)系。其具體工作原理是，當(dāng)溫度系數(shù)較高的振蕩器振蕩周期未結(jié)束時計數(shù)器己經(jīng)為零，說明測定溫度超過-55，溫度寄存器就會由-55的初始值上升一度變?yōu)?54，其后計數(shù)器重新工作

17、，直至溫度系數(shù)較高的振蕩器振蕩周期結(jié)束，溫度寄存器記錄的就是被測溫度，該值同樣通過16位二進(jìn)制補碼記憶在暫態(tài)寄存器中。這個被測溫度會被設(shè)備主機調(diào)取，然后將16位的二進(jìn)制補碼轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制，就可以得出真正的實測溫度。3.7信號傳輸模塊的硬件設(shè)計遠(yuǎn)程監(jiān)控中心能夠使用協(xié)調(diào)器節(jié)點來進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置，并調(diào)節(jié)傳感器節(jié)點。最先這部分電纜的溫度數(shù)據(jù)是傳感器節(jié)點收集的，然后經(jīng)過通信網(wǎng)絡(luò)被傳輸給信號傳輸模塊的，再經(jīng)由通信網(wǎng)絡(luò)被信號傳輸模塊傳遞到監(jiān)控中心，所以其中信號傳輸模塊起到數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)接口的作用，其具體硬件設(shè)計介紹如下：（1）用處理芯片和hc總線將eeprom存儲器與外部實時同步時鐘連起來后，可以同時完成系統(tǒng)定時以

18、及更新存儲;另外，電源電路、射頻輸入輸出匹配電路、晶振電路及通訊接口電路合起來就構(gòu)成收發(fā)模塊的外圍電路。（2）廉價的電感和電容安裝成的非平衡變壓器構(gòu)成了射頻輸入輸出匹配電路，該電路作用主要在于提升非平衡天線的機能，它的參數(shù)是不變的，具體值可依據(jù)ti給出的數(shù)值手冊;（3）晶振電路是由分別為高低頻的兩個晶振組成，高頻晶振頻率為32mhz，是維持射頻模塊運行的;而另一個低頻晶振的才32khz，只是系統(tǒng)休眠和喚醒使用，這樣的設(shè)計能夠有效的減少系統(tǒng)的耗能。（4）通信傳輸模塊中的gpio，spi等外設(shè)接口被用雙排針導(dǎo)出，形成了通訊接口電路，這種方式能夠讓系統(tǒng)調(diào)控和制約更便捷。3.8通信傳輸網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備選擇在輸電線路狀態(tài)監(jiān)測通信傳輸網(wǎng)絡(luò)建設(shè)過程中，可使用osi七層體系結(jié)構(gòu)中的路由設(shè)備、交換設(shè)備以及傳輸設(shè)備組成通信設(shè)備。其中，路由設(shè)備應(yīng)選用穩(wěn)定性與可靠性較好的路由器。鑒于路由器的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議較為復(fù)雜、數(shù)據(jù)信息傳遞與交換效率相對較低、網(wǎng)絡(luò)配置靈活程度較差，需要加設(shè)dhcp服務(wù)器或dhcp中繼等輔助設(shè)備，促進(jìn)功能的實現(xiàn)。交換設(shè)備的優(yōu)勢在于數(shù)據(jù)信息的傳輸與交換效率相對較高，通信協(xié)議較為簡單，且寬帶的使用率較高。此外，通信傳輸網(wǎng)絡(luò)的可控性較差，需利用快速生成樹協(xié)議、生成樹協(xié)議以及ieee802.1p補充協(xié)議實施調(diào)整。以基于sdh的多業(yè)務(wù)傳輸平臺與同步數(shù)字體系網(wǎng)絡(luò)為代表的傳輸設(shè)備，具備帶寬較高、時延程度低