智能電網(wǎng)輸配電線路在線監(jiān)測(cè)與故障診斷綜合系統(tǒng)

白利軍

（呼和浩特供電局營(yíng)銷配電處，呼和浩特 010050）

近幾年，智能電網(wǎng)越來越多的引起了人們的關(guān)注。智能電網(wǎng)建設(shè)涵蓋了電力系統(tǒng)發(fā)電、輸電、變電、配電、用戶、調(diào)度及通信各個(gè)環(huán)節(jié)。作為智能輸電環(huán)節(jié)關(guān)鍵技術(shù)之一的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，在我國(guó)起步較晚，最近幾年國(guó)內(nèi)部分高校和廠家陸續(xù)開展相關(guān)工作，開發(fā)了一些輸電線路在線監(jiān)測(cè)裝置和系統(tǒng)，例如：覆冰監(jiān)測(cè)，舞動(dòng)監(jiān)測(cè)、絕緣子污穢監(jiān)測(cè)等[1]。但前期產(chǎn)品在裝置穩(wěn)定性，工藝生產(chǎn)等方面存在一些不足，此外，智能化程度不高，不能滿足智能輸電的需要。為滿足智能輸電的要求，亟需建立一個(gè)覆蓋全國(guó)各網(wǎng)省公司的輸電線路綜合在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 智能輸電

世界各國(guó)根據(jù)國(guó)情的不同，智能電網(wǎng)發(fā)展的側(cè)重點(diǎn)有所不同。歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家電網(wǎng)格局已基本穩(wěn)定，智能電網(wǎng)的研究重點(diǎn)放在配電和用電領(lǐng)域[2]；我國(guó)能源分布和電力負(fù)荷極度不平衡，此外在能源利用方面，風(fēng)能、太陽能等可再生能源利用率較低，現(xiàn)階段我國(guó)智能電網(wǎng)圍繞清潔能源的有效利用以及堅(jiān)強(qiáng)輸電網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和維護(hù)等方面。

輸電智能化主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①?gòu)V泛采用柔性交流、直流輸電技術(shù)，充分利用現(xiàn)有電網(wǎng)資源，提高輸電線路穩(wěn)定性和線路輸送能力，優(yōu)化電網(wǎng)運(yùn)行條件，降低輸電成本；②建設(shè)覆蓋全國(guó)的能源輸送通道，全面實(shí)現(xiàn)“西電東送，南北互供”；③建立覆蓋全國(guó)范圍的輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)微氣象信息和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息的集中實(shí)時(shí)采集，并給出災(zāi)害預(yù)警信息，并在此基礎(chǔ)上建立國(guó)家防災(zāi)預(yù)警體系[3-5]。

2 系統(tǒng)簡(jiǎn)介與設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1）系統(tǒng)構(gòu)成

智能輸電線路綜合在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由國(guó)家電網(wǎng)總部、網(wǎng)省電網(wǎng)公司、地市局電網(wǎng)公司、線路監(jiān)測(cè)分機(jī)、通信網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)測(cè)信息組成[3]，系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。該系統(tǒng)綜合了現(xiàn)有的多個(gè)監(jiān)測(cè)裝置的功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)影響絕緣子污穢、風(fēng)偏、導(dǎo)線溫度、覆冰雪、舞動(dòng)、桿塔防盜、桿塔傾斜的信息進(jìn)行實(shí)時(shí)/定時(shí)采集。通過GPRS通信模塊發(fā)送至地市局監(jiān)測(cè)中心，監(jiān)測(cè)中心專家軟件則利用相應(yīng)的監(jiān)測(cè)信息根據(jù)不同的智能算法及其修正理論模型和試驗(yàn)結(jié)果給出不同功能的監(jiān)測(cè)判斷[3]。各地市局監(jiān)控中心與網(wǎng)省公司監(jiān)控中心采用LAN方式組網(wǎng)，省公司監(jiān)測(cè)中心可以直接調(diào)用各地市局監(jiān)測(cè)中心的設(shè)備狀態(tài)信息。各網(wǎng)省公司與國(guó)家電網(wǎng)總部也采用LAN方式組網(wǎng)，國(guó)家電網(wǎng)總部可以直接調(diào)用各網(wǎng)省公司的整體信息，便于統(tǒng)一管理。

圖1 輸電線路綜合在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體框圖

2）系統(tǒng)功能

智能輸電線路綜合在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸電線路微氣象信息和設(shè)備狀態(tài)信息的全面監(jiān)控，其主要功能如下：①輸電線路微氣象區(qū)監(jiān)測(cè)；②覆冰監(jiān)測(cè)；③舞動(dòng)監(jiān)測(cè)；④微風(fēng)振動(dòng)監(jiān)測(cè)；⑤導(dǎo)線溫度及動(dòng)態(tài)增容監(jiān)測(cè)；⑥絕緣子串風(fēng)偏監(jiān)測(cè)；⑦絕緣子串污穢監(jiān)測(cè)；⑧桿塔防盜報(bào)警監(jiān)測(cè)；⑨桿塔傾斜監(jiān)測(cè)；⑩遠(yuǎn)程圖像/視頻監(jiān)控。

2.2 監(jiān)測(cè)分機(jī)的設(shè)計(jì)

1）監(jiān)測(cè)主分機(jī)設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)主分機(jī)主要用來完成對(duì)導(dǎo)線周圍微氣象信息、設(shè)備狀態(tài)相關(guān)參量的采集和節(jié)點(diǎn)加速度、溫度數(shù)據(jù)的無線傳輸。主要由微處理器、微氣象監(jiān)測(cè)單元、絕緣子監(jiān)測(cè)單元、桿塔監(jiān)測(cè)單元、導(dǎo)線監(jiān)測(cè)單元、視頻監(jiān)測(cè)單元以及電源模塊、ZigBee模塊和GPRS通信模塊組成。其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。硬件設(shè)計(jì)的核心微處理器選用 TI公司的超低功耗16位MSP430單片機(jī)，具備超低功耗和豐富的外設(shè)，該微處理器除了活動(dòng)模式外還有4種低功耗模式，在實(shí)現(xiàn)高性能的同時(shí)，降低系統(tǒng)功耗[7]，能滿足野外環(huán)境長(zhǎng)期工作的需要。

2）監(jiān)測(cè)副分機(jī)設(shè)計(jì)

圖2 輸電線路綜合在線監(jiān)測(cè)裝置結(jié)構(gòu)框圖

監(jiān)測(cè)副分機(jī)主要用來實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)點(diǎn)導(dǎo)線溫度和節(jié)點(diǎn)加速度的采集和無線傳輸，主要由CC2430、加速度傳感器、溫度傳感器和簡(jiǎn)單外圍電路組成。ZigBee模塊硬件原理圖如圖3所示。在電路中非平衡變壓器由電容C21和電感L1、L2、L20以及一個(gè)PCB（印制板）微波傳輸線組成，整個(gè)結(jié)構(gòu)滿足RF輸入/輸出匹配電阻（50Ω）的要求，R13為射頻單元提供合適的參考電流，阻值為43kΩ。內(nèi)部T/R交換電路完成LNA和PA之間的交換。R12主要用來為芯片提供合適的參考電流，阻值為 56kΩ。用 1個(gè)32MHz的石英諧振器（Y2）和 2個(gè)電容（C36和 C37，22pF）構(gòu)成一個(gè)32MHz的晶振電路，用1個(gè)32.768kHz的石英諧振器（Y1）和2個(gè)電容（C1和 C2，15pF）構(gòu)成一個(gè) 32.768kHz的晶振電路。電容 C3和 C27（220nF）為電源濾波電容，以提高芯片工作的穩(wěn)定性。整個(gè)無線ZigBee模塊接口電路采用兩排12腳標(biāo)準(zhǔn)的排針, 將CC2430單片機(jī)所有的21個(gè)IO引腳以及電源引腳、復(fù)位引腳全部引出，在應(yīng)用中就可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行相應(yīng)的 IO功能定義,大大增強(qiáng)了無線ZigBee模塊的通用性以及互換性[10]。

圖3 無線ZigBee模塊硬件原理圖

3 專家軟件

監(jiān)測(cè)量與故障之間缺乏一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，專家軟件中智能算法的設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，目前模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家知識(shí)和小波分析等智能算法已經(jīng)開始應(yīng)用于在線監(jiān)測(cè)[3]。專家軟件主要分為 4個(gè)處理單元：導(dǎo)線處理單元、桿塔處理單元、絕緣子處理單元和視頻處理單元。

3.1 導(dǎo)線處理單元

1）舞動(dòng)監(jiān)測(cè)：導(dǎo)線舞動(dòng)分析采用三自由度數(shù)學(xué)模型[3]，三自由度模型是把覆冰的輸電導(dǎo)線簡(jiǎn)化為一個(gè)同時(shí)具有垂直、水平及扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的系統(tǒng)，其 3個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)方程為

（1）垂直方向

（2） 水平方向

式中，mi為單位長(zhǎng)度覆冰質(zhì)量；0θ為初始覆冰角；r為導(dǎo)線半徑；R為特征半徑；U為風(fēng)速；D為迎風(fēng)尺寸，此處為導(dǎo)線直徑；θ為攻角；ρ為流體（此處為空氣）的密度；CL、CD為升力與阻力系數(shù)。

2）覆冰監(jiān)測(cè)：根據(jù)線路導(dǎo)線覆冰后的重量變化以及絕緣子的傾斜/風(fēng)偏角進(jìn)行覆冰載荷（覆冰厚度、桿塔受力、導(dǎo)線應(yīng)力等）計(jì)算，直接與線路設(shè)計(jì)參數(shù)比較，當(dāng)覆冰達(dá)到預(yù)警值，及時(shí)給出報(bào)警信息。計(jì)算公式詳見參考文獻(xiàn)[3]。

3）溫度及動(dòng)態(tài)增容監(jiān)測(cè)[3]：增容技術(shù)的關(guān)鍵在于根據(jù)外界環(huán)境條件和導(dǎo)線本身特性，計(jì)算出導(dǎo)線載流量。導(dǎo)線載流量的計(jì)算公式很多，也很繁瑣，但在一定條件下，可將其簡(jiǎn)化，當(dāng)雷諾系數(shù)為100～3000時(shí)，即環(huán)境溫度為40℃、風(fēng)速0.5m/s、導(dǎo)線溫度不超過120℃時(shí)，用于直徑4.2～100mm導(dǎo)線的載流量計(jì)算。其摩爾根簡(jiǎn)化公式為

式中，I為安全載流量，A；θ為導(dǎo)線的溫升，℃；t0為環(huán)境溫度，℃；tc為導(dǎo)體穩(wěn)態(tài)溫度，℃。

在實(shí)驗(yàn)室假設(shè)氣象條件下，對(duì)該公式進(jìn)行驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，計(jì)算出的載流量和簡(jiǎn)化前的公式計(jì)算出的載流量非常接近，采用摩爾根簡(jiǎn)化公式可以充分保證導(dǎo)線運(yùn)行的安全性[3]。

4）微風(fēng)振動(dòng)監(jiān)測(cè)：通過監(jiān)測(cè)導(dǎo)線的彎曲應(yīng)變、導(dǎo)線溫度以及風(fēng)速、風(fēng)向等信息來計(jì)算輸電線路的微風(fēng)振動(dòng)頻率、振幅等情況，并通過相應(yīng)算法判斷導(dǎo)線的疲勞磨損壽命，對(duì)線路安全運(yùn)行進(jìn)行評(píng)價(jià)，在疲勞損壞前給出預(yù)報(bào)警信息，及時(shí)采取措施，減少風(fēng)振損失。

3.2 桿塔處理單元

1）防盜報(bào)警監(jiān)測(cè)：監(jiān)控中心接受到監(jiān)測(cè)分機(jī)發(fā)送的短信，可以及時(shí)獲取現(xiàn)場(chǎng)信息。同時(shí)，專家軟件數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)桿塔的基本信息（線路、編號(hào)、位置等）以及各巡檢人員的手機(jī)號(hào)碼，監(jiān)控中心定期向監(jiān)測(cè)分機(jī)發(fā)出巡檢信息，若某監(jiān)測(cè)分機(jī)沒有回復(fù)短信，則通知巡檢人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢修[3]。

2）桿塔傾斜監(jiān)測(cè)：暴雪、臺(tái)風(fēng)等惡劣天氣容易導(dǎo)致桿塔傾斜，通過雙軸傾角傳感器測(cè)出桿塔在順線路方向和橫線路方向傾斜角度，進(jìn)而計(jì)算出桿塔在順線路方向和橫線路方向的傾斜度和綜合傾斜度，當(dāng)達(dá)到警戒值時(shí)給出報(bào)警信息[3]。

3）絕緣子處理單元

（1）風(fēng)偏監(jiān)測(cè)：根據(jù)風(fēng)偏角計(jì)算模型以及最大風(fēng)偏角修正方法[8]，繪制各項(xiàng)數(shù)據(jù)的曲線圖，結(jié)合風(fēng)速、雨量等環(huán)境信息，得出風(fēng)偏角的范圍。當(dāng)風(fēng)偏角超過預(yù)警值時(shí)，給出預(yù)警信息。

（2）污穢監(jiān)測(cè)：泄流電流是判斷污穢的重要參數(shù)之一，通過數(shù)學(xué)分析和建模我們可以找到泄漏電流隨時(shí)間變化情況與電弧長(zhǎng)度、污層電阻等的非線性關(guān)系[3]。其具體計(jì)算步驟如下

①選取參考序列

比較序列：

②數(shù)據(jù)規(guī)范化

數(shù)據(jù)規(guī)范化是為了消除數(shù)據(jù)量綱影響，合并數(shù)量級(jí)，使整個(gè)序列具有可比性，常用的有化均值化、區(qū)間值化和歸一化等方法。此處采用均值化法處理數(shù)據(jù)，按下式處理后得新序列：

③計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)

式中，ρ為分辨系數(shù)，它反映了系統(tǒng)各個(gè)因子對(duì)關(guān)聯(lián)度的間接影響程度，通常取ρ=0.5。

④求序列對(duì)序列的關(guān)聯(lián)度

⑤排關(guān)聯(lián)序或分析關(guān)聯(lián)矩陣

將Yij依大小順序排成一列，以明確各子序列的“主次”“優(yōu)劣”關(guān)系，即與母序列變化狀態(tài)越接近者，關(guān)聯(lián)度越大。對(duì)于多序列比較則可生成關(guān)聯(lián)矩陣。

利用該方法量化分析了絕緣子泄漏電流變化與相對(duì)濕度、溫度、溫度變化率等氣象因素變化的接近程度，得出了各氣象因素均與泄漏電流相關(guān)，且相對(duì)濕度關(guān)聯(lián)度最大。

3.3 視頻處理單元

監(jiān)控中心接收各裝置的數(shù)據(jù)，利用專家軟件植入的 HDevelop智能算法對(duì)視頻進(jìn)行分析，并將信息存入數(shù)據(jù)庫(kù)中。用戶通過專家軟件系統(tǒng)可隨時(shí)查閱任意地點(diǎn)的圖像資料，結(jié)合環(huán)境信息，決定是否派人巡視。也可將多幅圖像進(jìn)行對(duì)比，以觀察線路周圍樹木等的發(fā)展趨勢(shì)。

4 現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)

系統(tǒng)在南方電網(wǎng)公司貴州110kV土楊松茅線等現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)試與運(yùn)行，獲得了較理想的結(jié)果，其部分運(yùn)行數(shù)據(jù)如下：①為2009年1月31日－2月5日監(jiān)測(cè)的現(xiàn)場(chǎng)微氣象信息，其中a為環(huán)境濕度變化，b為環(huán)境風(fēng)速變化；②為2009年2月4－6日監(jiān)測(cè)的現(xiàn)場(chǎng)導(dǎo)線數(shù)據(jù)，其中 a為導(dǎo)線溫度變化，b為導(dǎo)線最大拉力變化。通過分析數(shù)據(jù)可以看出系統(tǒng)可以精確的采集微氣象信息和設(shè)備狀態(tài)運(yùn)行數(shù)據(jù)，為狀態(tài)檢修、災(zāi)害預(yù)防提供了有效手段。

（1）現(xiàn)場(chǎng)微氣象數(shù)據(jù)

圖4

（2）現(xiàn)場(chǎng)導(dǎo)線數(shù)據(jù)

圖5

5 結(jié)論

1）系統(tǒng)采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)和GPRS無線通信相結(jié)合的方式，解決了輸電線路在線監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中有線數(shù)據(jù)傳輸引入的困擾，特別是導(dǎo)線監(jiān)測(cè)信息的采集和傳輸問題。

2）故障診斷理論模型的設(shè)計(jì)一直是制約在線監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展的難點(diǎn)之一，本系統(tǒng)建立了導(dǎo)線舞動(dòng)、覆冰、導(dǎo)線動(dòng)態(tài)增容、絕緣子污穢等數(shù)學(xué)模型，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波變換等先進(jìn)數(shù)據(jù)處理算法，實(shí)現(xiàn)輸電線路狀態(tài)的全面在線監(jiān)測(cè)與預(yù)警。

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