輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法

1、高壓輸電線路在線監(jiān)測(cè)技術(shù)探討 謝志武 廣東電網(wǎng)公司 廣東 廣州 510600 【摘要】輸電線路的運(yùn)行狀態(tài)關(guān)系到電網(wǎng)運(yùn)行的效率和安全，本文主要對(duì)輸電線路運(yùn)行狀態(tài)在實(shí)現(xiàn)輸電線路動(dòng)態(tài)增容功能的基礎(chǔ)上,提出了對(duì)線路狀態(tài)參量監(jiān)測(cè)的具體方法和解決方案。希望能為以后的工作提供一定的理論參考?！娟P(guān)鍵詞】輸電線路；狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；監(jiān)測(cè)方法；動(dòng)態(tài)增容近年，我國國民經(jīng)濟(jì)快速增長，對(duì)電力的需求量也呈急劇增加趨勢(shì)，我國煤炭、水力一次資源分布極其不均衡，決定了能源主要靠電網(wǎng)傳輸，作為電網(wǎng)中極其重要的組成部分，輸電線路的運(yùn)行安全性和可靠性越來越受到電力系統(tǒng)運(yùn)行、管理和科研人員的關(guān)注。目前，隨著我國輸電線路總長度和傳輸容量的不

2、斷增長，對(duì)線路巡視、檢修等運(yùn)行管理的難度也越來越大，即使在特定條件下的檢測(cè)也需要大量的人力物力，難以獲得及時(shí)數(shù)據(jù)。在這種情況下，急需提高輸電線路運(yùn)行管理的自動(dòng)化水平。一、輸電線路動(dòng)態(tài)增容技術(shù)在我國運(yùn)用的提高現(xiàn)有輸電線路輸送容量的辦法有兩種，一是靜態(tài)提溫增容技術(shù)，二是動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)增容技術(shù)。靜態(tài)提溫增容技術(shù)是突破現(xiàn)行技術(shù)規(guī)程的規(guī)定，將導(dǎo)線的允許溫度由現(xiàn)行規(guī)定的70適當(dāng)?shù)靥岣?，從而加大線路的輸送容量。靜態(tài)提溫增容技術(shù)由于突破了現(xiàn)行技術(shù)規(guī)程的規(guī)定，因此必須考慮提高導(dǎo)線允許溫度后，導(dǎo)線線損、弧垂、配套金具的機(jī)械強(qiáng)度和壽命等影響。動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)增容技術(shù)就是在不突破現(xiàn)行技術(shù)規(guī)程規(guī)定(導(dǎo)線溫度限額的前提下，通過安裝在線

3、監(jiān)測(cè)裝置，對(duì)導(dǎo)線運(yùn)行狀態(tài)(導(dǎo)線溫度、電流等和氣象條件(環(huán)境溫度、風(fēng)速、風(fēng)向、日照等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，充分利用線路客觀存在的隱性容量，提高輸電線路的輸送能力。其優(yōu)點(diǎn)是現(xiàn)行運(yùn)行規(guī)程不變，線路運(yùn)行安全性不變。輸電線的實(shí)際負(fù)荷比靜態(tài)傳輸容量等級(jí)小，并且在絕大多數(shù)情況下，動(dòng)態(tài)傳輸容量等級(jí)要比靜態(tài)等級(jí)大。因此，線路的傳輸容量有很大的潛力可以挖掘，同時(shí)，動(dòng)態(tài)傳輸容量等級(jí)的變化范圍較大，這是因?yàn)閯?dòng)態(tài)傳輸容量等級(jí)對(duì)周圍氣象因素尤其是風(fēng)速較為敏感。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸電線路附近的氣象環(huán)境，我們可以得到輸電線路實(shí)時(shí)的允許載流量值。二、線路弧垂和張力的監(jiān)測(cè)輸電線路弧垂是線路設(shè)計(jì)和運(yùn)行的主要指標(biāo)，關(guān)系到線路的運(yùn)行安全，因此必須控

4、制在設(shè)計(jì)規(guī)定的范圍內(nèi)。線路運(yùn)行負(fù)荷和周圍環(huán)境的變化都會(huì)造成線路弧垂的變化，過大的弧垂不但會(huì)造成事故隱患，也會(huì)限制線路的輸送能力。在線路增容系統(tǒng)中，由于導(dǎo)線溫度的增加，弧垂和張力都會(huì)產(chǎn)生變化，所以，也要對(duì)導(dǎo)線的弧垂和張力進(jìn)行監(jiān)測(cè)和安全性判定。影響弧垂的因素有很多，其中主要有導(dǎo)線應(yīng)力、傳輸容量、大氣溫度、風(fēng)、導(dǎo)線覆冰等。氣溫或傳輸容量的改變引起的導(dǎo)線溫度的變化，會(huì)使導(dǎo)線熱脹冷縮，從而影響輸電線路弧垂的大小。導(dǎo)線溫度越高，伸長量越大，弧垂的增加也越多。導(dǎo)線張力也是決定弧垂的主要因素，在架線施工的時(shí)候己經(jīng)對(duì)導(dǎo)線應(yīng)力與弧垂的情況進(jìn)行了比較充分的考慮。導(dǎo)線弧垂和張力的變化是同時(shí)的，張力變大會(huì)使弧垂變小，反

5、之亦然。風(fēng)對(duì)輸電線路的影響主要體現(xiàn)在：風(fēng)加快導(dǎo)線周圍空氣的對(duì)流進(jìn)而引起導(dǎo)線溫度的變化、在風(fēng)作用下導(dǎo)線荷載的變化以及不同風(fēng)速引起的導(dǎo)線振動(dòng)和舞動(dòng)。導(dǎo)線覆冰也會(huì)使弧垂增大造成閃絡(luò)并有可能燒傷燒斷導(dǎo)線。在這里只考慮了由于溫度變化引起的線路張力變化導(dǎo)致。三、線路覆冰情況的監(jiān)測(cè)我國許多輸電線路都有覆冰情況發(fā)生，導(dǎo)線覆冰后不但引起導(dǎo)線重量和弧垂的增加，而且在有風(fēng)時(shí)產(chǎn)生舞動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)有可能造成斷線、倒塔(桿、閃絡(luò)事故，如何有效監(jiān)測(cè)線路覆冰情況是電網(wǎng)企業(yè)亟待研究的課題。（一）導(dǎo)線覆冰的監(jiān)測(cè)方法主要有：一是在導(dǎo)線或桿塔上安裝測(cè)力、測(cè)重傳感器，采集拉力、重量等數(shù)據(jù)，根據(jù)拉力、重量與覆冰狀況之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行計(jì)算判定

6、，通過對(duì)線路弧垂的實(shí)時(shí)測(cè)量也可對(duì)線路覆冰情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。二是在易覆冰區(qū)域的鐵塔上安裝覆冰自動(dòng)監(jiān)測(cè)站，實(shí)時(shí)測(cè)量環(huán)境溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、雨量等參數(shù)，工作人員根據(jù)監(jiān)測(cè)到的氣象條件，及時(shí)適當(dāng)?shù)恼{(diào)整符合，增加線路電流，提高導(dǎo)線溫度，以防止導(dǎo)線覆冰。三是直觀地在線路現(xiàn)場(chǎng)安裝視頻監(jiān)控裝置，通過無線通訊網(wǎng)絡(luò)將照片、傳往監(jiān)控中心，在監(jiān)控中心即可隨時(shí)、全天候地掌握線路的覆冰的形成和發(fā)展情況。通過對(duì)照片的比較分析并結(jié)合各種氣象條件，可判斷積冰厚度。（二）線路覆冰監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)方案架空線路覆冰時(shí)最明顯的是導(dǎo)線張力的變化和弧垂的增加,本文介紹的覆冰監(jiān)測(cè)方案是通過對(duì)導(dǎo)線弧垂的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),再配以線路實(shí)時(shí)視頻裝置的觀察和小型氣

7、象站對(duì)氣象條件的分析,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)線路覆冰的實(shí)時(shí)綜合監(jiān)測(cè)。下面以鋼芯鋁絞線LGJ-400/35為例說明估算覆冰厚度的方法。導(dǎo)線基本參數(shù)為：計(jì)算截面積：S=425.24mm2，外徑：D=26.82mm；單位質(zhì)量：m=1.349kg/m；彈性系數(shù)：E=65kN/mm2；線膨脹系數(shù)：a=20.5×10-6-1；保證計(jì)算拉斷力：T=98700N；假設(shè)線路兩桿塔等高，檔距為350m，平均氣溫15時(shí)導(dǎo)線水平張力24675N，導(dǎo)線覆冰時(shí)氣溫為-5，無風(fēng)，覆冰厚度1040mm。應(yīng)用導(dǎo)線狀態(tài)方程式(1-1： （1-1）若工作條件1時(shí)的H1、w1、w2、t1、t2已知，代入式(1-1，用牛頓逐漸趨近法，便

8、可求得工作條件2時(shí)的水平張力H2值。以平均氣溫15作為工作條件1，氣溫-5設(shè)計(jì)覆冰厚度為10 mm作為工作條件2來計(jì)算。平均氣溫15時(shí),導(dǎo)線單位自重荷載按式 w1=qg，計(jì)算可得：w1=13.2292 N/m；已知張力H1=24675 N，代入式fm=l2w/8Hcos,可得導(dǎo)線弧垂：f1=8.2096 m；氣溫-5導(dǎo)線覆冰10 mm且無風(fēng)時(shí)，導(dǎo)線單位長度冰荷載和導(dǎo)線覆冰時(shí)垂向總荷載分別為：w2=10.2095 N/m；w3=23.4387 N/m；根據(jù)線路狀態(tài)方程,用上述己知量H1、w1、w3、t1、t3代入式(1-2，用牛頓逐漸趨近法求解，可得H3=41173 N，再代入式fi=l2w3/

9、8H3cos,可得導(dǎo)線弧垂：f3=8.717 m；相應(yīng)地可求得氣溫-5導(dǎo)線覆冰厚度20、30、40 mm時(shí)的各項(xiàng)數(shù)據(jù),如表1所示。 冰厚/mm荷載/N.m-1張力/N弧垂/m15時(shí)13.33246755.36無覆冰13.22276804.78冰厚1023.45411735.69冰厚2039.79585886.67冰厚3060.49787367.66冰厚4087.341009838.61表1 導(dǎo)線覆冰時(shí)的張力和弧垂從上表可以看出，當(dāng)導(dǎo)線覆冰厚度達(dá)到40mm時(shí)，導(dǎo)線應(yīng)力是100983N，已超過導(dǎo)線保證拉斷力98700N，故此時(shí)導(dǎo)線斷線是極有可能發(fā)生的。從表中還可以看出，導(dǎo)線弧垂隨覆冰厚度的增加而變

10、大，對(duì)多個(gè)覆冰厚度值細(xì)分，計(jì)算得到相應(yīng)的弧垂值后，可得到一個(gè)近似對(duì)應(yīng)曲線，利用此曲線關(guān)系，就可以通過監(jiān)測(cè)弧垂近似估算覆冰厚度。四、線路圖像的監(jiān)控 遠(yuǎn)程圖像監(jiān)控技術(shù)在電力系統(tǒng)中最早應(yīng)用于無人值守變電站，它綜合運(yùn)用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、多媒體、數(shù)字視頻處理等多種先進(jìn)技術(shù)，更高效地實(shí)現(xiàn)遙測(cè)、遙信、遙控、遙調(diào)功能，是對(duì)無人值守變電站的進(jìn)一步完善。近年來，隨著電網(wǎng)建設(shè)的發(fā)展，據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，全國110kV以上線路總長已達(dá)幾百萬千米，迅速增長的輸電線路給線路運(yùn)行人員帶來越來越多的巡視維護(hù)工作量，對(duì)于野外偏遠(yuǎn)等地區(qū)的線路，傳統(tǒng)的巡視方式越顯困難，已不能滿足現(xiàn)有的安全需求。（一）圖像監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在某工程中，采用基于GPRS

11、的無線圖像監(jiān)控技術(shù)以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電線路的全天候監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)由監(jiān)控終端、GPRS通訊網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控中心組成。如圖1所示圖1 監(jiān)視系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成圖其中監(jiān)控終端擔(dān)負(fù)著圖像的采集、壓縮、編碼和聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)娜蝿?wù)，是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分。通訊網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控終端和監(jiān)控中心之間的圖像控制信號(hào)的傳輸。監(jiān)控中心整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理及系統(tǒng)管理中心，一方面，它負(fù)責(zé)接收監(jiān)視終端傳來的圖像，數(shù)據(jù)整理保存在數(shù)據(jù)庫并在屏幕上顯示；另一方面，管理人員可以通過系統(tǒng)提供相應(yīng)的接口，控制監(jiān)控終端進(jìn)行圖像采集和傳輸，隨時(shí)了解監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的情況。系統(tǒng)的整個(gè)運(yùn)行過程包括：監(jiān)控終端在出現(xiàn)異常的情況下，對(duì)事發(fā)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行圖像的采集、壓縮和編碼。在處理圖像的同時(shí)，無線通信

12、模塊通過GPRS通信網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)視中心實(shí)現(xiàn)聯(lián)結(jié)，將壓縮后的圖像通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至監(jiān)視中心服務(wù)器，從而達(dá)到監(jiān)視的目的。（二）圖像壓縮技術(shù)圖像監(jiān)視系統(tǒng)中，要求實(shí)時(shí)處理大量的數(shù)字化信息，這對(duì)其存儲(chǔ)能力、處理能力和傳輸能力是一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。如一幅中等分辨率（640×480）的彩色（24bit象素）圖像的數(shù)據(jù)量約為：640×480×24=7.37Mbit幅，因此，圖像的采集和壓縮是前期處理的關(guān)鍵，因?yàn)閳D像傳輸?shù)膸捰邢?，必須在有限的帶寬下?shí)現(xiàn)更好的傳輸，因此要選擇合適的壓縮編碼方法。目前壓縮的主要方法有硬件壓縮和軟件壓縮。圖像的軟壓縮方法占用系統(tǒng)很多資源而且效率不高，由于系統(tǒng)本

13、身的資源有限，在實(shí)際的系統(tǒng)中，圖像壓縮往是由硬件來完成。壓縮的方法是在保持圖像信息準(zhǔn)確傳輸?shù)囊笙?，利用圖像的統(tǒng)計(jì)特性等去除冗余信息。圖像信號(hào)有很強(qiáng)的相關(guān)性，根據(jù)視頻的相關(guān)性，可以壓縮很多重復(fù)相同的信息量，從而使傳輸?shù)男畔⒘看罅繙p少。目前的靜止圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)JPEG技術(shù)，是以分塊的離散余弦變換DCT為基礎(chǔ)的，在中高速率上壓縮效果較好，然而在低碼率的情況下，重構(gòu)圖像存在嚴(yán)重的方塊效應(yīng)，為后續(xù)的故障檢測(cè)，故障記錄，故障分析造成困難。JPEG2000是經(jīng)過改進(jìn)的圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)，改用以小波變換(Wavelet Transform為主的多解析編碼方式，小波變換是現(xiàn)代譜分析工具，它既能考察局部時(shí)域過程的頻域特

14、征，又能考察局部頻域過程的時(shí)域特征。它的多分辨率分析提供了漸進(jìn)式壓縮的基礎(chǔ)，它的快速算法又使它如虎添翼。要完全恢復(fù)圖像中的某個(gè)局部，并不需要所有的編碼都被精確保留，只需要對(duì)應(yīng)于它的一部分編碼沒有誤差就可以。基于以上的原因，JPEG2000能實(shí)現(xiàn)無損壓縮和感興趣區(qū)域壓縮。JPEG2000還考慮了人的視覺特性，增加了視覺權(quán)重和掩膜，這樣在不損害視覺效果的情況下，大大提高了效率?，F(xiàn)在，由于電子技術(shù)與自動(dòng)化監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展，市場(chǎng)上出現(xiàn)很多現(xiàn)成的模塊化的圖像采集卡，將圖像的采集、壓縮封裝在一起，并且屏蔽了硬件的許多細(xì)節(jié)，用戶可以在不需要了解底層技術(shù)細(xì)節(jié)的情況下進(jìn)行相應(yīng)開發(fā)，結(jié)合自己的要求完成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。五

15、、微氣候測(cè)量架空輸電線路的運(yùn)行狀態(tài)與氣候條件有密切的關(guān)系，其中風(fēng)速、風(fēng)向、日照等氣象參數(shù)直接影響到導(dǎo)線溫度的大小，進(jìn)而影響到導(dǎo)線允許載流量、弧垂和導(dǎo)線張力等狀態(tài)參數(shù)。線路的舞動(dòng)和覆冰與風(fēng)速、風(fēng)向和溫度也有直接關(guān)系。因此，微氣候的測(cè)量是輸電線路在線檢測(cè)中不可缺少的。目前，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制中，多采用自動(dòng)氣象站測(cè)量氣象參數(shù)。自動(dòng)氣象站的組成包括傳感器、數(shù)據(jù)采集器、電源部分、數(shù)據(jù)通訊接口和相關(guān)軟件。本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中用到的小型氣象站選擇氣溫傳感器和風(fēng)速、風(fēng)向儀，采用集散式體系結(jié)構(gòu)，即以CPU為核心采集和處理分散配置的各傳感器信號(hào)。通訊接口選擇GPRS傳輸方式，選用太陽能電池為氣象站供電，軟件部分是采用為本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)配套開發(fā)的后臺(tái)軟件來對(duì)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析、生成報(bào)告和查詢等。六 結(jié)束語輸電線路的運(yùn)行狀態(tài)關(guān)系到電網(wǎng)的運(yùn)行安全。及時(shí)發(fā)現(xiàn)和掌握輸電線導(dǎo)線的溫度、覆冰、氣象環(huán)境等情況，對(duì)提高輸電線負(fù)載能力、防止電網(wǎng)事故的發(fā)生具有重要意義。參考文獻(xiàn)：【1】何清,汪濤,金濤,阮羚,鄧萬婷. 輸電線路覆冰監(jiān)測(cè)